Кіріспе
Молекулалық биология саласында гендік экспрессияны профильдеу – бұл жасушалық функциялардың толық картинасын жасау үшін мыңдаған гендердің қызметін (экспрессиясын) бірден өлшеу. Бұл профильдер, мысалы, белсенді бөлінетін жасушаларды ажырата алады немесе жасушалардың белгілі бір емге қалай ден қоятынын көрсетеді. Көптеген осындай тәжірибелер бір уақытта бүкіл геномды, яғни нақты жасушадағы барлық генді өлшеуге мүмкіндік береді. Қажетті деректерді алу үшін бірнеше транскриптомикалық технологияларды қолдануға болады. ДНК микромассивтері бұрын анықталған гендердің салыстырмалы белсенділігін өлшейді. РНК сек сияқты тізбекке негізделген әдістер гендердің тізбектері туралы, экспрессия деңгейінен өзге ақпаратты ұсынады.
Өмірбаян
Экспрессиялық профильдеу геномды секвенирлеуден кейінгі логикалық қадам болып табылады: секвенирлеу клетканың не істей алатынын айтады, ал экспрессиялық профиль нақты уақытта не істеп жатқанын көрсетеді. Гендерде хабаршы РНК (мРНК) жасау жөніндегі нұсқаулар бар, бірақ кез келген сәтте әрбір клетка өзімен бірге алып жүретін гендердің тек бір бөлігінен ғана мРНК жасайды. Егер ген мРНК өндіру үшін қолданылса, ол «қосылған» деп есептеледі, әйтпесе «өшірілген». Геннің қосылуын немесе өшірілуін күннің уақыты, клетканың белсенді бөлінуі, жергілікті ортасы және басқа клеткалардан келетін химиялық сигналдар сияқты көптеген факторлар анықтайды. Мысалы, тері, бауыр және жүйке клеткалары сәл әртүрлі гендерді қосады (экспрессиялайды), және осының нәтижесінде олардың айырмашылықтары пайда болады. Сондықтан экспрессиялық профиль клетканың типін, күйін, ортасын және т.б. анықтауға мүмкіндік береді. Экспрессиялық профильдеу эксперименттері көбінесе екі немесе одан көп эксперименттік жағдайда экспрессияланатын мРНК-ның салыстырмалы мөлшерін өлшеуді қамтиды. Бұл себебі, мРНК тізбегінің өзгеруі мРНК кодтаған ақуызға қажеттіліктің өзгеруін көрсетеді, бұл гомеостаздық жауап немесе патологиялық жағдайды білдіруі мүмкін. Мысалы, алкоголь дегидрогеназасын кодтайтын мРНК деңгейінің жоғарылауы зерттеліп жатқан клеткалар немесе тіндердің қоршаған ортадағы этанол деңгейінің жоғарылауына жауап беретінін көрсетеді. Сол сияқты, егер сүт безі қатерлі ісігінің клеткалары қалыпты клеткаларға қарағанда белгілі бір трансмембраналық рецептормен байланысты мРНК деңгейін жоғары көрсетсе, бұл рецептор сүт безі қатерлі ісігінің дамуында рөл атқаруы мүмкін. Бұл рецепторға араласатын дәрі сүт безі қатерлі ісігін алдын алуға немесе емдеуге көмектеседі. Дәрі құралын әзірлеу кезінде препараттың уыттылығын бағалауға көмектесетін гендік экспрессияны профильдеу эксперименттерін жүргізуге болады, мысалы, дәрі-дәрмектің метаболизміне биомаркер болатын цитохром P450 гендерінің экспрессиясындағы өзгерістерді іздеу арқылы. Гендік экспрессияны профильдеу маңызды диагностикалық тестке айналуы мүмкін.
Протеомикамен салыстыру
Адам геномында шамамен 20 000 ген бар, олар бірлесіп жұмыс істеп, шамамен 1 000 000 түрлі ақуызды өндіреді. Бұл баламалы тігіс (alternative splicing) арқасында мүмкін болады, сондай-ақ жасушалар ақуыздарды алғаш құрастырғаннан кейін посттрансляциялық модификация арқылы маңызды өзгерістер енгізеді, сондықтан бір ген белгілі бір ақуыздың көптеген нұсқаларының негізі болып табылады. Кез келген жағдайда, бір массалық спектрометриялық эксперимент шамамен 2000 ақуызды немесе барлық ақуыздың 0,2% -ын анықтай алады. Жасушаның қандай нақты ақуыздарды өндіретінін білу (протеомика) әр геннен қанша РНК хабаршысы (messenger RNA) жасалатынын білуден гөрі маңыздырақ, бірақ гендік экспрессияны зерттеу бір экспериментте ең толық картинаны береді. Дегенмен, протеомика әдістемесі жақсарып келеді. Мысалы, ашытқы сияқты басқа түрлерде бір сағаттан да аз уақытта 4000-нан астам ақуызды анықтауға болады.
2,000 proteins or 0.2% of the total. While knowledge of the precise proteins a cell makes (proteomics) is more relevant than knowing how much messenger RNA is made from each gene, gene expression profiling provides the most global picture possible in a single experiment. However, proteomics methodology is improving. In other species, such as yeast, it is possible to identify over 4,000 proteins in just over one hour.
Гипотезаларды құру және сынау үшін қолдану
Кейде ғалымның не болып жатқаны туралы болжамы болады, гипотеза, және ол экспрессиялық профильдеу экспериментін жүргізеді, мұндағы мақсаты – осы гипотезаны жоққа шығару мүмкіндігін зерттеу. Басқаша айтқанда, ғалым экспрессия деңгейі туралы нақты болжам жасайды, ол кейін қате болып шығуы мүмкін. Көбінесе экспрессиялық профильдеу гендердің эксперименттік жағдайлармен қалай өзара әрекеттесетіні жеткілікті түрде белгілі болмаған кезде жүргізіледі, сондықтан сынауға болатын гипотеза туындамайды. Гипотеза болмағанда, жоққа шығаруға ештеңе жоқ, бірақ экспрессиялық профильдеу болашақ эксперименттер үшін мүмкін гипотезаны анықтауға көмектеседі. Көптеген алғашқы экспрессиялық профильдеу эксперименттері, сондай-ақ қазіргі көптеген зерттеулер осы формада жүргізіледі, бұл «сыныпты табу» деп аталады. Сыныпты табудың танымал әдісіне ұқсас гендерді немесе үлгілерді топтастыру кіреді, бұл үшін дәстүрлі k-орталықтары, иерархиялық кластерлеу сияқты, немесе жақында пайда болған MCL сияқты көптеген кластерлеу әдістері қолданылады. Кластерлеу алгоритмін таңдаудан басқа, пайдаланушы дерек объектілері арасындағы жақындық өлшемін (қашықтық немесе ұқсастық) таңдауы керек. Жоғарыдағы сурет екі өлшемді кластердің нәтижесін көрсетеді, онда ұқсас үлгілер (жолдар, жоғарыда) және ұқсас гендік зондтар (бағандар) бір-біріне жақын орналасу үшін жинақталған. Сыныпты табудың ең қарапайым түрі – екі эксперименттік жағдай арасында белгілі бір шектен артық өзгерген барлық гендердің тізімін жасау. Сыныпты болжау, сыныпты табуға қарағанда қиынырақ, бірақ ол тікелей клиникалық маңызы бар сұрақтарға жауап беруге мүмкіндік береді, мысалы, осы профиль бойынша, пациенттің осы дәріге жауап беру ықтималдығы қандай? Бұл үшін жауап берген және жауап бермеген профильдердің көптеген мысалдары қажет, сондай-ақ оларды ажырату үшін кросс-валидация техникалары қолданылады.
Шектеулер
Жалпы, экспрессиялық профильдеу зерттеулері өзгертілген тәжірибелік жағдайларда статистикалық тұрғыдан маңызды айырмашылықтарды көрсеткен гендерді тіркеп алады. Бұл геномның шағын бөлігін құрайды, себебі бірнеше фактор бар. Біріншіден, әртүрлі жасушалар мен тіндер жасушалық дифференциацияның тікелей салдары ретінде гендердің белгілі бір жиынтығын экспресс етеді, сондықтан көптеген гендер өшіріледі. Екіншіден, көптеген гендер тіршілік үшін қажетті ақуыздарды кодтайды, сондықтан көптеген гендер өзгеріссіз қалады. Үшіншіден, жасушалар мРНК мөлшерін өзгертуден басқа, ақуыздарды реттеу үшін көптеген басқа да механизмдерді пайдаланады, сондықтан бұл гендер ақуыз концентрациясы өзгеріп жатқанда да тұрақты экспрессияланып отыруы мүмкін. Төртіншіден, қаржылық шектеулер экспрессиялық профильдеу эксперименттерін бірдей жағдайлардағы бір геннің шектеулі мөлшерде байқалуына бейімдейді, бұл эксперименттің статистикалық күшін азайтады және маңызды, бірақ айқын емес өзгерістерді анықтауды қиындатады. Соңында, әр реттелген геннің биологиялық маңыздылығын талқылауға көп күш жұмсалады, сондықтан ғалымдар көбінесе талқылауды шектеулі топқа дейін тарылтады. Жаңа микроаррей талдау техникалары экспрессиялық профильдеу нәтижелеріне биологиялық мағына берудің кейбір аспектілерін автоматтандырады, бірақ бұл мәселе әлі де қиын болып қала береді. Экспрессиялық профильдеу эксперименттерінен жарияланған гендер тізімдерінің салыстырмалы түрде қысқа болуы әртүрлі зертханаларда жүргізілген эксперименттердің сәйкестік деңгейін шектейді. Экспрессиялық профильдеу нәтижелерін қолжетімді микроаррей деректер базасына енгізу зерттеушілерге жарияланған нәтижелерден асып, экспрессия үлгілерін бағалауға және мүмкін өз жұмыстарымен ұқсастықтарды анықтауға мүмкіндік береді.
Жоғары өткізу қабілеті өлшеулерін растау
ДНҚ микромассивтері де, сандық ПТР да толықтыратын нуклеин қышқылы тізбектерінің артықшылықты байланысуын немесе "негіз жұптасуын" пайдаланады, және екеуі де гендік экспрессия профильдеу үшін қолданылады, көбінесе сериялық түрде. Жоғары өнімді ДНҚ микромассивтері qPCR-дың сандық дәлдігімен салыстырылғанда кемшіліктері болғанымен, qPCR арқылы бірнеше ондаған геннің гендік экспрессиясын өлшеуге, ДНҚ микромассивтері арқылы бүкіл геномды өлшеуге кеткен уақыт шамамен бірдей. Сондықтан, кандидат гендерді анықтау үшін жартылай сандық ДНҚ микромассивтік талдау жүргізіп, содан кейін микромассивтердің нәтижелерін растау үшін ең қызықты кандидат гендерге qPCR жасау жиі орынды. Дифференциалды экспрессияланатын гендердің кейбір ақуыз өнімдерін зерттеуге арналған, мысалы, Вестерн блот сияқты басқа эксперименттер, экспрессия профиліне негізделген қорытындыларды сенімдірек етеді, себебі мРНК деңгейлері, экспрессияланатын ақуыз мөлшерімен міндетті түрде сәйкес келе бермейді.
Статистикалық талдау
Микромассивтердегі деректерді талдау қарқынды зерттеу саласына айналды. Көптеген гендердің кем дегенде екі есеге реттелгенін айту, бұрынғы кең таралған тәжірибе, берік статистикалық негізге ие емес. Әрбір топта бес немесе одан аз қайталамамен, микромассивтерге тән, жалғыз ерекше байқау екі еседен артық айырмашылықты көрсетуі мүмкін. Сонымен қатар, екі еселік шекті белгілеу биологиялық тұрғыдан негізделмеген, себебі ол маңызды биологиялық мәні бар көптеген гендерді қарастырудан шығарып тастайды. Айырмашылығы бар экспрессияланатын гендерді бүктеу өзгерісі арқылы анықтаудың орнына, ANOVA сияқты әртүрлі статистикалық тесттерді немесе қосымша тесттерді қолдануға болады, олардың барлығы p-мәнін есептеу үшін бүктеу өзгерісі мен өзгергіштікті ескереді, бұл деректерді тек кездейсоқ жағдайда қаншалықты жиі байқайтынымызды бағалауға мүмкіндік береді. Микромассивтерге p-мәндерін қолдану көптеген салыстырулардың (гендердің) санымен күрделі. Мысалы, 0,05 p-мәні әдетте маңыздылықты көрсетеді деп есептеледі, өйткені ол деректерді кездейсоқ байқаудың 5% ықтималдығын бағалайды. Бірақ микромассивтегі 10 000 генмен, егер эксперименттік топтар арасында ешқандай айырмашылық болмаса да, p < 0,05 мәнінде 500 ген маңызды деп танылады. Осы мәселенің айқын шешімі – p-мәніне қатаң критерий қойған гендерді ғана маңызды деп санау, мысалы, Бонферрони түзетуін қолдану немесе p-мәндерін параллель тесттердің санына пропорционалды түрде түзету үшін жалған ашу деңгейін есептеу. Алайда, бұл тәсілдер шындығында айырмашылығы бар экспрессияланатын гендер болғанда да, маңызды гендердің санын нөлге дейін азайтуы мүмкін. Қазіргі статистикалық әдістер, мысалы, Ранг өнімдері, кездейсоқ өзгерістерге байланысты гендердің жалған анықталуы мен айырмашылығы бар экспрессияланатын гендердің анықталмауы арасындағы тепе-теңдікті табуға бағытталған. Көбінесе келтірілетін әдістерге Микромассивтердің маңыздылығын талдау (SAM) және Bioconductor-дан көптеген әдістер, сондай-ақ биоинформатикалық компаниялардан талдау пакеттері кіреді. Басқа тестті таңдау әдетте маңызды гендердің басқа тізімін анықтайды, өйткені әр тест белгілі бір болжамдар жиынтығы бойынша жұмыс істейді және деректердің нақты ерекшеліктеріне әртүрлі мән береді. Көптеген тесттер деректерде қалыпты таралуды болжаудан басталады, себебі бұл ақылға қонымды бастапқы нүкте болып көрінеді және көбінесе маңызды нәтижелер береді. Кейбір тесттер өлшемдердің жалпы өзгергіштігін бағалау үшін барлық гендік байқаулардың бірлескен таралуын қарастырады, ал басқалары әрбір генді жеке қарастырады. Көптеген қазіргі микромассивтік талдау әдістері бутстрапты (статистика), машиналық оқытуды немесе Монте-Карло әдістерін қамтиды. Микромассивтік экспериментте қайталама өлшемдердің саны артқан сайын, әртүрлі статистикалық тәсілдер көбінесе ұқсас нәтижелер береді, бірақ әртүрлі статистикалық әдістер арасындағы келіспеушілік массивтік нәтижелерді сенімсіз етеді. MAQC жобасы зерттеушілерге стандартты әдістерді таңдау бойынша ұсыныстар береді (мысалы, айырмашылығы бар экспрессияланатын гендерді таңдау үшін p-мәні мен бүктеу өзгерісін бірге пайдалану), осылайша әртүрлі зертханаларда жүргізілген эксперименттер жақсы келіседі. Жеке гендердің айырмашылығы бар экспрессиясын талдаудан өзгеше, талдаудың басқа түрі алдын ала анықталған гендер жиынтығының айырмашылығы бар экспрессиясына немесе өзгерісіне бағытталған және гендер жиынтығын талдау деп аталады. Гендер жиынтығы – қазіргі білімге сәйкес функционалдық жағынан байланысты гендердің тобы. Сондықтан гендер жиынтығын талдау білімге негізделген талдау тәсілі болып саналады. Бұл мәселе маңызды болып қалады.
Регуляцияланған гендерді жіктеу
Регуляцияланған гендердің белгілі бір жиынтығын анықтағаннан кейін, экспрессиялық профильдеудің келесі қадамы реттелетін жиынтықтағы үлгілерді іздеу болып табылады. Осы гендерден синтезделген ақуыздар ұқсас функцияларды атқара ма? Олардың химиялық құрамы ұқсас па? Олар жасушаның бірдей бөліктерінде орналасқан ба? Гендік онтологиялық талдау осы қатынастарды анықтаудың стандартты жолын ұсынады. Гендік онтологиялар өте жалпы санаттардан басталады, мысалы, "метаболизм процесі", және оларды кішірек санаттарға, мысалы, "көмірсулар метаболизмі процесі", ал содан кейін "инозитол және туындыларының фосфорилирленуі" сияқты нақтырақ санаттарға бөледі. Гендер биологиялық функцияларымен, химиялық қасиеттерімен және жасушалық орналасуымен қатар басқа да атрибуттарға ие. Гендерді басқа гендерге жақындығы, аурумен байланысы, сондай-ақ дәрі-дәрмектермен немесе уыттармен байланысы бойынша жиынтықтарға біріктіруге болады. Молекулалық сигнатуралар базасы және Салыстырмалы токсикогеномика базасы – гендерді түрлі жолдармен жіктеуге арналған ресурстардың мысалдары.
Регуляцияланған гендер арасында үлгілерді табу
Регуляцияланатын гендер олардың қандай екендігіне және не істейтініне қарай жіктеледі, соның нәтижесінде гендер арасындағы маңызды байланыстар пайда болуы мүмкін. Мысалы, белгілі бір геннің ақуыз жасап, фермент құрайтынын анықтауымыз мүмкін. Бұл фермент басқа ақуызды белсендіріп, тізіміміздегі екінші генді қосады. Бұл екінші ген тізіміміздегі тағы бір генді реттейтін транскрипциялық фактор болуы мүмкін. Осы байланыстарды байқағанда, олардың нәтижелердегі жай ғана кездейсоқ байланыстар емес, тізіміміздегі барлық гендердің жатқан негізгі биологиялық процеске байланысты екендігіне күдіктене бастауымыз мүмкін. Егер гендерді кездейсоқ таңдасақ, олардың арасында ортақ белгілері бар көптеген гендерді табуымыз мүмкін. Осы себепті, пайда болатын биологиялық үрдістердің маңыздылығын тексеру үшін қатаң статистикалық әдістер қажет. Бұл холестеринмен байланысы бар гендердегі гендік жиын талдауында көрінеді. Эксперименттік ем холестеринді реттейді деген гипотезаны қоюға болады, себебі емдеу холестеринмен байланысты гендерді таңдамалы түрде реттейтін сияқты көрінеді. Бұл рас болса да, байлыққа негізделген бұл тұжырымға секірудің негізсіз екенін көрсететін бірнеше себеп бар. Бұрын айтылған мәселенің бірі – гендік реттеудің ақуыздық реттеуге тікелей әсер етпеуі мүмкін. Тіпті осы гендер кодтайтын ақуыздар холестерин жасаудан басқа ештеңе жасамаса да, олардың мРНҚ өзгергенін көрсету ақуыз деңгейінде не болып жатқанын тікелей білдірмейді. Холестеринмен байланысты ақуыздардың мөлшері эксперименттік жағдайларда өзгермей қалуы мүмкін. Екіншіден, тіпті ақуыз деңгейі өзгерсе де, олардың саны холестеринді мүмкіндігінше жылдам жасауға жеткілікті болуы мүмкін, яғни біздің тізімімізде жоқ басқа ақуыз холестерин жасау процесінің шешуші кезеңі болуы мүмкін. Соңында, ақуыздар әдетте көптеген рөлдерді атқарады, сондықтан бұл гендер холестерин жасаумен байланысты болғандықтан емес, толыққандай тәуелсіз процесте ортақ рөл атқарғандықтан реттелуі мүмкін. Жоғарыда айтылған ескертулерді ескере отырып, гендік профильдер өздері емдеу мен биологиялық әсерлер арасындағы себеп-салдарлық байланысты дәлелдемейді, бірақ олар басқа жолдармен алуға қиын болатын бірегей биологиялық түсініктерді ұсынады.
Қорытындылар
Экспрессиялық профильдеу гендердің түрлі жағдайларда не істейтіні туралы жаңа мәліметтер береді. Жалпы алғанда, микромассивтік технология сенімді экспрессиялық профильдерді қамтамасыз етеді. Осы мәліметтердің негізінде биология туралы жаңа гипотезалар тудыруға немесе қолданыстағы гипотезаларды тексеруге болады. Дегенмен, осы эксперименттердің ауқымы мен күрделілігі көбінесе түрлі интерпретацияларға алып келеді. Көп жағдайда экспрессиялық профильдеу нәтижелерін талдау бастапқы эксперименттерді жүргізуден гөрі әлдеқайда көп еңбек талап етеді. Көптеген зерттеушілер экспрессиялық профильдеу нәтижелерін жариялау алдында бірнеше статистикалық әдістер мен ашуға бағытталған деректерді талдауды қолданады, сондай-ақ биоинформатиктермен немесе ДНҚ микромассивтері саласындағы басқа да сарапшылармен бірлесіп жұмыс істейді. Эксперименттің дұрыс жоспарлануы, жеткілікті биологиялық қайталау және қосымша зерттеулер экспрессиялық профильдеу эксперименттерінің сәтті болуында маңызды рөл атқарады.