Nytt webbverktyg ger koll på gener
Hur kombinerar man ihop all information om uttryck av gener, interaktioner mellan proteiner, signaleringskaskader, proteiners intracellulära lokalisering och så vidare? Forskare vid Stockholm Bioinformatics Center presenterar nu en möjlig lösning i form av ett offentligt tillgängligt webbverktyg.
De använde också verktyget för att förutsäga funktionella kopplingar mellan gener i organismen Ciona intestinalis , en sorts sjöpung, för vilken det inte fanns några storskaliga experiment för att ta reda på interaktioner.
- Ciona är ett av de enklaste nu levande ryggsträngsdjuren. Det är därför en bra modellorganism för att ta reda på vad som är gemensamt mellan evertebrater och vertebrater, säger Andrey Alexeyenko vid Institutionen för medicinsk epidemiologi och biostatistik på Karolinska Institutet och en av forskarna bakom Funcoup.
- Vår utmaning var att försöka rekonstruera mängden av alla interaktioner, interkatomet, i Ciona utan experimentella data. Vi utvärderade våra förutsägelser genom att jämföra med ett litet nätverk för embryoutveckling som tagits fram av japanska Ciona-forskare, som kallade det för en planritning för högre vertebrater. Vi återfann många av interaktionerna i detta nätverk och dessutom ett antal nya interaktioner.
- Nu hoppas vi att vårt mer omfattande nätverk i sin tur ska vägleda den experimentella forskningen.
Kombinerar information från olika slags experiment
Funcoup är baserat på en slags statistisk modell som kallas ett naivt bayesianskt nätverk, NBN. Denna statistiska modell kan kombinera olika sorters information och sätta en övergripande sannolikhet baserad på informationen.
Med Funcoup kan man undersöka funktionella kopplingar mellan gener. Bild: Andrey Alexeyenko, KI (beskuren)
- Fördelen med att kombinera olika datatyper är att de kompletterar varandra. Alla former av experiment har specifika svagheter, men genom en kombinationsstrategi kan vi uppnå en väsentligt bättre täckande totalbild, säger Andrey Alexeyenkos handledare Erik Sonnhammer.
En annan av finesserna med Funcoup är att programmet kan kvantifiera hur troligt det är att interaktionen är av ett av fyra slag: direkt fysisk interaktion, gemensam proteinkomplextillhörighet, eller att proteinerna ingår i samma signaleringskaskad eller metabola reaktionsväg.
Överför funktioner mellan djur och människor
Funcoup använder sig av information från ett antal olika organismer för att överföra funktioner hos par av gener.
- Att använda modellorganismer och översätta kunskaper från djur till människor är ett gammalt paradigm, säger Alexeyenko.
- Funcoup gör detta genom att vikta informationen från olika organismer, det vill säga att bry sig mer om genuttrycket i till exempel mus än i bananfluga när man vill förutsäga kopplingar mellan mänskliga gener.
Hur pålitlig är då denna överföring av funktioner? Det är välkänt att samma gen kan ha helt olika funktioner i olika organismer.
- Precis, och farmakologerna säger också att ”möss inte är små människor”. Funcoup använder dock information om homologa gener precis som biologer använder djurgener för att förstå den mänskliga motsvarigheten.
- Överföringen av funktioner mellan arter är en statistisk övning och därmed inte perfekt. Vi märkte dock medan vi testade programmet att överföring och sammanslagning av information från flera arter och datatyper var klart effektivare än att till exempel bara använda data från människa.
- Vi försöker också göra detta så konkret som möjligt genom att bara titta på ortologa gener snarare än några och ofta alltför avlägsna homologer.
- Ortologer är de närmaste motsvarigheterna mellan två arter, det vill säga gener som var en och samma gen i den senaste gemensamma anfadern. Ortologerna hittar vi med programmet Inparanoid, som utvecklats tidigare av Erik Sonnhammers grupp.
Bläddringsverktyg på webben
Vad kan man som användare göra med verktyget? Andrey Alexeyenko förklarar:
- För de flesta gener finner vi att Funcoup förutsäger, eller att litteraturen eller databaser beskriver, ett stort antal interaktioner. Detta ger ett enormt komplext globalt interaktom, som är svårt att orientera sig i.
- Därför har vi utvecklat en avancerat bläddringsverktyg, browser, för interaktom. Där kan man välja att fokusera på ett visst funktionellt sammanhang som utveckling, metabolism eller ubiquitinering, filtrera bort irrelevanta delar av data, eller zooma in och ut.
- Det tar tid att lära sig navigera effektivt i nätverket, och svårigheten korrelerar med hur omfattande det biologiska interaktomet är. Att utforska gennätverk i en bläddrare är förmodligen ändå ett tidseffektivt sätt att planera sin forskning.
Eftersom principen bakom Funcoup är att använda tidigare ackumulerad information, är det ingen överraskning att verktyget tenderar att fungera bättre inom välutforskade områden.
- Den bästa bilden av geners funktionalitet verkar man få i cancer-relaterade domäner, säger Andrey Alexeyenko.
- Bara för genen p53 finns over 500 interaktioner beskrivna i litteraturen. Det är förmodligen ingen slump att många av de mest entusiastiska Funcoup-användarna är cancersystembiologer.