Изыскания на тему экспрессии генов — различия между версиями

Версия 01:06, 6 марта 2010

Экспрессия генов — процесс, в котором наследственная информация от гена (последовательности нуклеотидов ДНК) преобразуется в функциональный продукт — РНК или белок.

Первая, самая простая (хотя вообще-то, не очень простая), задача анализа экспрессии генов — выявление изменений экспрессии, связанных с конкретными условиями или воздействиями. Самый дешёвый способ получения данных для анализа — ДНК-микрочипы. На микрочип помещается матрица из ДНК-олигонуклеотидов (синтетических односпиральных НК), которые гибридизируются с комплементарными участками ДНК или РНК (см. кДНК, Гибридизация ДНК). Далее с помощью того или иного вида люминесценции измеряется (сканируется) количество гибридизированных ДНК в каждой точке чипа. Этот процесс повторяется на различных источниках или в различных условиях воздействия, откуда получаются экспреиментальные данные для дальнейшего анализа. Идея анализа заключается в том, что понимание того, какие гены меняют свою экспрессию в тех или иных условиях, может помочь в понимании процессов, происходящих при этих воздействиях в организме и/или клетке.

Задача анализа в целом статистическая, так как данные, полученные с микрочипов, имеют статистическую природу — например, они подвержены фоновому шуму, имеют выбросы, содержат не чистые, а коррелированные данные в случаях, когда два гена коэкспрессируют. Последнее является особенной проблемой, так как на сегодня наука находится лишь в начале понимания многих генетических процессов, и многие зависимости ещё не известны. Здесь обычно применяются два различных пути решения:

1. Забить на корреляции и анализировать все гены отдельно друг от друга стандартными статистическими методами например, t-тестами Стьюдента. Плюс подхода — он применяется «в лоб». Минус подхода — низкая гипотетическая точность и необходимость проводить большое количество тестов.
2. Выделить небольшое количество генов, представляющих интерес для конкретной биологической задачи, с известными взаимодействиями между ними, и проводить тесты с учётом этих взаимодействий.

Таким образом, задача обычно заключается в том, что нужно либо выяснить, какие гены не изменили экспрессию, либо наоборот — какие гены существенно изменили экспрессию.

Форматы

Ниже описаны некоторые общеизвестные форматы для хранения и обмена данными экспрессии генов.

Affymetrix CEL

Простой формат хранения низкоуровневых данных, а именно, изображения с ДНК-микрочипа. Ровно одного изображения. Состоит из заголовка и самого изображения. Заголовок содержит информацию о размерах, каким алгоритмом обработано, с какими параметрами и т. п. Каждая точка изображения содержит следующую информацию:

• Яркость (возможно, усреднённая).
• СКО яркости.
• Количество пикселей, из которых получена усреднённая яркость.
• Некий пользовательский флаг (точка «маскирована» или нет).
• Флаг «является ли данная точка выбросом» (установленный алгоритмом обработки).

Заголовок хранится в INI-подобном текстовом виде (key=value), данные изображения — в бинарном виде после заголовка.

• Описание формата Affymetrix CEL.
• celintensityread, функция чтения CEL в Matlab.
• Bio::Expression::MicroarrayIO::affymetrix — парсер CEL для Perl’а.

GPR

GPR — формат хранения низкоуровневых данных, производимый сканером GenePix. По содержимому похож на CEL, бинарных данных не содержит (полностью текстовый), также довольно простой.

Семейство MIAME

MIAME — аббревиатура для Minimum Information About a Microarray Experiment — «минимум информации об эксперименте на микрочипе». MIAME не является конкретным форматом, а лишь описывает, какую информацию должен включать уважающий себя эксперимент и, соответственно, уважающий себя формат, в котором передаются данные этого эксперимента.

Конкретные форматы — это 2 GEO'вских: SOFT, MINiML, и 2 MGED'шных: MAGE-ML, MAGE-TAB.

MGED: MAGE-ML и MAGE-TAB

MAGE-ML «не взлетел», ибо монструозен и на «минимум информации» претендовать может разве в качестве издёвки. Причина этого кроется в том, что авторы его сильно любят UML и объектную ориентированность, что и привело к существованию 25 различных сущностей, связанных друг с другом различными отношениями (наследования и т. п.). MAGE-TAB более молодой и простой, текcтовый, взлетит ли — посмотрим, но есть подозрение, что тоже вряд ли, ибо содержит все те же данные, что и MAGE-ML (в конечном счёте всё маппится на объектный MAGE-OM), но в виде plaintext таблиц, форматированных Tab’ами. Хоть бы CSV выбрали, что ли — чего велосипед изобретать. Масла в огонь подливает и то, что различные MAGE-TAB файлы могут выглядеть совершенно по-разному в зависимости от данных, которые содержат.

GEO: SOFT и MINiML

Банк данных Gene Expression Omnibus использует свои форматы (правильно, они же не мазохисты) — SOFT и MINiML (второй произносится «минимал»). SOFT текстовый, а минимал — XML’ный. Данные при этом они содержат, по сути, одни и те же.

Минимал, как ни странно, действительно минимал, всё его описание влезает в несколько экранов. MINiML включает в себя всего три базовых типа объектов:

• «Platform» — описание эксперимента (содержимое описания).
• «Sample» — одна гибридизация.
• «Series» — данные эксперимента, включающие в себя несколько Sample’ов.

Банк Gene Expression Omnibus, содержит в основном сырые данные, полученные обычно либо с тех или иных микрочипов, либо методами SAGE (Serial Analysis of Gene Expression), MPSS (Massively Parallel Signature Sequencing). Иногда попадаются обработанные заданным алгоритмом данные, и всегда присутствует пометка, каким именно алгоритмом. Полный список типов данных, принимаемых в GEO, можно увидеть по ссылке.

Ссылки

• Differential Expression with the Bioconductor Project — статья о задаче выявления изменений экспрессии, возможных подходах к ней и их реализации с помощью BioConductor'а. Очень рекомендуется к прочтению, ибо вменяема.
• DNA microarray — статья про ДНК-микрочипы в английской Википедии.
• NCBI Gene Expression Omnibus, банк данных экспрессии генов.
• BioConductor, система анализа микробиологических данных на основе системы GNU R.
• ЭКСПРЕССИЯ ГЕНА: статья из Химической энциклопедии
• По теме экспериментов с гомоцистеином могут быть любопытны наборы данных GDSxxxx с номерами: 199, 750, 997, 1020, 1841, 1891, 2043, 2054, 2517, 2602, 2640, 2646, 2861.

Про задачи

Если я все правильно понял, то по сути 1 измерение эксперимента- это сочетание набора параметров эксперимента с их значениями (в заголовке CEL файла) с матрицей «яркости» (вот те самые загадочные символы после заголовка). Соответственно, если мы хотим, скажем, сравнить экспрессию через 1 час и через 8- у нас будут 2 CEL файла, которые будут отличаться только значением параметра «время» и, разумеется, матрицами (а в GEO-данных это будет просто 1 серия с несколькими сэмплами). Далее, изменяемых параметров может быть сильно больше одного- тогда у нас из нескольких файлов можно построить некий n-мерный куб/параллелипипед, где из этих n 2 измерения — координаты точки на чипе (то есть в матрице), а остальные — значения параметров эксперимента для каждой матрицы (ну то есть если, скажем, у нас 5 измерений по времени и 3 по силе проверяемого воздействия при матрице 200*200 точек, то получатся данные 3*5*200*200). Что тут можно нарыть:

• в рамках одной матрицы 100 % должны быть «выбросы» — то есть отдельные точки, которые не укладываются в общую картину эксперимента. Можно их находить и убирать — это получается задача «шумоподавления». Вопрос к биологам- а если во всех результатах эксперимента одни и те же точки являются выбросами, это представляет собой какой-то интерес или нет?
• задача удаления из матрицы «фонового шума» (см. выше). Тут, кстати, как раз пригодился бы ОСАМ для двумерных функций — делаем разложение и смотрим, на каком шаге «хвост» станет по распределению близок к нормальному(эту штуку у нас делал Андраник в своем дипломе, правда, для одномерного случая)
• что делать с корреляцией — пока не очень ясно. Вопрос — та задача, которая интересна на данный момент(про гомоцистеин) — она не относится ли к «небольшое количество генов, представляющих интерес для конкретной биологической задачи, с известными взаимодействиями между ними»? Если да, то возможно, и заморачиваться не надо.
• про временные зависимости, например, «закончилась экспрессия гена А, и сразу началась экспрессия гена В». Это уже надо смотреть на многомерный куб — там в этом случае просто «подкубики» для данных генов и временных участков должны быть рядом… Или если все-таки вспомнить про ОСАМ — там, наверное, должны быть более сильно выражены коэффициенты при определенных полиномах (например, при 4й степени… но тут очень мутно, надо проверять). Вопрос к биологам- интересны ли подобные задачи про временные зависимости?