Новый анализ больших данных проливает свет на функции клетки
Исследователи разработали новый способ извлечения полезной информации из больших данных в биологии, чтобы лучше понять и предсказать, что происходит внутри клетки. Используя модели геномного масштаба, учёные смогли интегрировать несколько различных наборов данных и обнаружили новые биологические закономерности среди различных клеточных процессов. Исследование, проведённое биоинженерами из Калифорнийского университета в Сан-Диего, было опубликовано онлайн 26 октября в Nature Communications.
Проблема заключается в анализе и осмыслении этих огромных массивов данных.
«При анализе больших данных важно понимать, как связаны все эти различные типы данных. Теперь у нас есть способ соединения множества различных типов данных для получения фундаментальных ответов на биологические вопросы», — сказал Бернхард Палссон, профессор биоинженерии в Школе инженерии Джейкобса при UC San Diego и старший автор исследования.
«Хотя все эти типы данных получены из одной и той же клетки, они представляют процессы, происходящие на очень разных масштабах. Наша работа направлена на синхронизацию множества различных типов данных, чтобы мы могли понять координацию этих процессов и извлечь из них смысл», — сказала Элизабет Бранк, научный сотрудник лаборатории Палссона и соавтор исследования.
В этом исследовании учёные собрали несколько типов омиксных данных (последовательности РНК, профили рибосом, данные о белках, метаболические данные) из E. coli, выращенных в различных условиях. Команда затем интегрировала эти различные типы данных в модели метаболизма геномного масштаба нового поколения, разработанные в лаборатории Палссона.
Они изучили взаимосвязи между типами омиксных данных и обнаружили новые регулярности — биологические постоянства, сохраняющиеся при изменении среды. Среди обнаруженных закономерностей было то, что во время трансляции белка рибосомы последовательно делают паузы на определённых участках матричной РНК, и эти сайты паузы определяют трёхмерную структуру белка.
Сайты паузы существуют для того, чтобы у белка было время свернуться и принять свою общую форму, что важно для его правильного функционирования. Эти знания полезны для изучения биологии рака. Если в опухоли есть генетическая мутация, устраняющая сайт паузы, в результате трансляции получится неправильно свёрнутый и нефункциональный белок.
«Теперь у нас есть фундаментальное объяснение этих сайтов паузы, которого у нас не было раньше. Это как если бы мы наблюдали за сложным танцем с определённым ритмом, чтобы белок формировался правильно», — пояснил Палссон.
Команда также разработала параметризованную модель, которую можно использовать для прогнозирования того, какие гены экспрессируются, когда клетка сталкивается с изменением окружающей среды.
«Благодаря высококачественной топологической информации, предоставляемой моделями геномного масштаба, разработанными в лаборатории доктора Палссона, мы можем лучше понять связь между генами, белками и метаболитами и поместить мульти-омиксные данные в контекст этих биохимических сетей», — сказала Бранк.