Алгоритм помогает выявить неуловимые гены, экспрессирующиеся как часы
Гены, экспрессирующиеся в точно синхронизированных паттернах, известные как осциллирующие гены, играют ключевую роль в таких процессах развития, как деление клеток, циркадные ритмы и формирование конечностей. Однако без наблюдения за генетической экспрессией в режиме таймлапса эти гены в основном оставались неоткрытыми.
Алгоритм, разработанный учёными из Morgridge Institute for Research и Университета Висконсин-Мэдисон, даёт исследователям новый способ определения динамики осциллирующих генов и, возможно, впервые позволит определить их роль в раннем развитии.
В статье, опубликованной в онлайн-версии Nature Methods, описан новый статистический подход под названием «Oscope». Он помогает выявлять осциллирующие гены в экспериментах по РНК-секвенированию единичных клеток. Ключевая особенность Oscope — анализ клеток из несинхронизированной популяции, где клетки находятся на разных стадиях развития.
Изучение осциллирующих генов с помощью традиционной технологии RNA-seq требует от исследователей «выбора» лишь одной известной осциллирующей системы и синхронизации клеток в соответствии с ней. Этот шаг маскирует осциллирующие сигналы любых других систем.
«Мы изучаем здесь данные несинхронизированных единичных клеток, поэтому ни одна из осциллирующих систем не нарушена, — говорит Нин Ленг, вычислительный биолог из Morgridge Institute и соавтор статьи. — Это позволяет нам обнаруживать неизвестные осциллирующие сигналы».
Oscope выявляет независимые группы циклических генов и фиксирует один «базовый цикл» для каждой группы. Это практичный способ профилирования различных групп генов, играющих циклическую роль. Технология может открыть новые направления исследований генов, лежащих в основе базовых процессов развития.
Oscope стал результатом междисциплинарного сотрудничества. Для решения проблемы потребовалось объединить статистический опыт группы профессора Кристины Кендзёрски (отдел биостатистики и медицинской информатики UW-Madison) с экспертизой в клеточной биологии группы пионера исследований стволовых клеток Джеймса Томсона (Morgridge Institute for Research). Программный пакет Oscope доступен учёным бесплатно.
«Мы рассматриваем это как первый шаг к пониманию осциллирующих генов и их связи с процессами развития, — говорит Ли-Фанг Чу, соавтор статьи. — Самое интересное: как генетические регуляторные сети управляют осциллирующей экспрессией генов? Как эти сигналы координируются во времени для выполнения задачи развития?»
Цель лаборатории Томсона — создать надёжную систему для обнаружения связанных со временем генов, важных для процесса развития.
Наиболее изученные осциллирующие гены связаны с циркадными ритмами, основанными на солнечном свете и строго регулирующими метаболизм и пролиферацию клеток в течение 24 часов.
Существуют и связи с заболеваниями, отмечает Чу, наиболее заметное — рак, где нормальная синхронизация деления клеток нарушается по мере их неконтролируемого размножения. Методика Oscope может выявить и другие связи между генетическими циклами и болезнями.
РНК-секвенирование единичных клеток — чрезвычайно мощный инструмент для получения «снимков» экспрессии генов, но он менее способен отслеживать клетку во времени. Oscope использует высокоразрешающие данные таких «снимков», чтобы идентифицировать различные группы генов, потенциально меняющиеся со временем.
«Нам нужна комбинация усреднённого сигнала по многим клеткам для общей картины, а также методы с разрешением на уровне единичной клетки, чтобы сравнить их и определить, какой сигнал может представлять истинные биологические переменные, — говорит Чу. — Анализ таких данных очень сложен и требует новых алгоритмов, таких как Oscope, для выполнения этих комплексных задач».