Name: jumpn: a streamlined application for protein co-expression clustering and network analysis in proteomics
Uploaded: 2021-10-19T13:30:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about JUMPn: A Streamlined Application for Protein Co-Expression Clustering and Network Analysis in Proteomics at JoVE.com

התמיכה במימון ניתנה על ידי המכונים הלאומיים לבריאות (NIH) (R01AG047928, R01AG053987, RF1AG064909, RF1AG068581 ו-U54NS110435) ו-ALSAC (ארגוני צדקה סוריים לבנוניים אמריקאים). ניתוח הטרשת הנפוצה בוצע במרכז הפרוטאומיקה והמטבולומיקה של בית החולים למחקר לילדים סנט ג'וד, שנתמך בחלקו על ידי מענק תמיכה במרכז הסרטן של NIH (P30CA021765). התוכן הוא באחריותם הבלעדית של המחברים ואינו מייצג בהכרח את הדעות הרשמיות של המכונים הלאומיים לבריאות.

הערה: בפרוטוקול זה, השימוש ב- JUMPn מודגם על ידי שימוש במערך נתונים שפורסם של פרופיל פרוטאום שלם במהלך התמיינות תאי B המכומת על ידי ריאגנט התווית האיזוברית TMT27.
1. הגדרת תוכנת JUMPn
הערה: שתי אפשרויות מסופקות להגדרת תוכנת JUMPn: (i) התקנה במחשב מקומי לשימוש אי...

כאן הצגנו את תוכנת JUMPn שלנו ואת הפרוטוקול שלה, אשר יושמו בפרויקטים מרובים לניתוח מנגנונים מולקולריים באמצעות נתוני פרוטאומיקה כמותית עמוקה 25,26,27,30,64. התוכנה והפרוטוקול של JUMPn עברו אופטימיזציה מלאה, כו...

פרוטאומיקה מבוססת ספקטרומטריית מסה של רובה ציד הפכה לגישה המרכזית לניתוח מגוון הפרוטאומים של דגימות מורכבות1. עם ההתקדמות האחרונה במכשור ספקטרומטריית מסות 2,3, כרומטוגרפיה 4,5, זיהוי ניידות יונים6, שיטות רכישה (7 בלתי תלויות בנתונים ורכישה תלוית נתונים8), גישות כימות (שיטת תיוג פפטיד איזוברי רב-plex, למשל, TMT 9,10, וכימות ללא תווית11,12) ואסטרטגיות ניתוח נתונים/ פיתוח תוכנה 13,14,15,16,17,18, כימות של הפרוטאום כולו (למשל, מעל 10,000 חלבונים) הוא כיום שגרתי 19,20,21. עם זאת, כיצד להשיג תובנות מכניסטיות ממערכי נתונים כמותיים כה עמוקים עדיין מאתגר22. ניסיונות ראשוניים לחקור מערכי נתונים אלה הסתמכו בעיקר על ביאור של אלמנטים בודדים של הנתונים, תוך התייחסות לכל רכיב (חלבון) באופן עצמאי. עם זאת, מערכות ביולוגיות והתנהגותן אינן ניתנות להסבר אך ורק על ידי בחינת מרכיבים בודדים23. לכן, גישה מערכתית הממקמת את הביומולקולות הכימותיות בהקשר של רשתות אינטראקציה חיונית להבנת מערכות מורכבות והתהליכים הקשורים אליהן כגון עוברי, תגובה חיסונית ופתוגנזה של מחלות אנושיות24.
ביולוגיה של מערכות מבוססות רשת התפתחה כפרדיגמה רבת עוצמה לניתוח נתוני פרוטאומיקה כמותית בקנה מידה גדול 25,26,27,28,29,30,31,32,33. מבחינה מושגית, מערכות מורכבות כגון תאי יונקים יכולות להיות ממודלות כרשת היררכית34,35, שבה המערכת כולה מיוצגת בשכבות: תחילה על ידי מספר רכיבים גדולים, שכל אחד מהם לאחר מכן ממודל באופן איטרטיבי על ידי תת-מערכות קטנות יותר. מבחינה טכנית, המבנה של דינמיקת פרוטאום יכול להיות מוצג על ידי רשתות מחוברות זו בזו של אשכולות חלבונים המתבטאים במשותף (מכיוון שגנים/חלבונים המתבטאים במשותף חולקים לעתים קרובות פונקציות ביולוגיות דומות או מנגנונים של ויסות36) ומודולי PPI בעלי אינטראקציה פיזית37. כדוגמה אחרונה25, יצרנו פרופילים טמפורליים של פרוטאום שלם ופוספופרוטאום במהלך הפעלת תאי T והשתמשנו ברשתות ביטוי משותפות אינטגרטיביות עם PPIs כדי לזהות מודולים פונקציונליים המתווכים יציאה של תאי T. מספר מודולים הקשורים לביו-אנרגיה הודגשו ואומתו בניסוי (לדוגמה, מודולי המיטוריבוסום וה-IV המורכבים25, ומודול פחמן אחד38). בדוגמה אחרת26, הרחבנו עוד יותר את הגישה שלנו לחקר הפתוגנזה של מחלת אלצהיימר, ותיעדפנו בהצלחה את התקדמות המחלה במודולים ובמולקולות הקשורים להתקדמות המחלה. חשוב לציין שרבות מהתגליות הבלתי משוחדות שלנו אומתו על ידי קבוצות חולים עצמאיות26,29 ו/או מודלים של עכברי מחלה26. דוגמאות אלה המחישו את כוחה של גישת הביולוגיה של המערכות לניתוח מנגנונים מולקולריים באמצעות פרוטאומיקה כמותית ושילובי אומיקה אחרים.
כאן אנו מציגים את JUMPn, תוכנה יעילה החוקרת נתוני פרוטאומיקה כמותית באמצעות גישות ביולוגיות של מערכות מבוססות רשת. JUMPn משמש כמרכיב במורד הזרם של חבילת התוכנה מבוססת JUMP פרוטאומיקה 13,14,39, ומטרתו למלא את הפער מכימות חלבונים בודדים למסלולים בעלי משמעות ביולוגית ומודולי חלבונים באמצעות גישת הביולוגיה של המערכות. על-ידי לקיחת מטריצת הכימות של חלבונים המבוטאים באופן דיפרנציאלי (או המשתנה ביותר) כקלט, JUMPn שואף לארגן את הפרוטאום בהיררכיה שכבתית של צבירי חלבונים המתבטאים יחד על פני דגימות ומודולי PPI המחוברים בצפיפות (למשל, קומפלקסים של חלבונים), אשר מבוארים עוד יותר עם מסדי נתונים של מסלולים ציבוריים על ידי ניתוח ייצוג יתר (או העשרה) (איור 1). JUMPn פותחה עם פלטפורמת R/Shiny40 עבור ממשק ידידותי למשתמש ומשלבת שלושה מודולים פונקציונליים עיקריים: ניתוח אשכולות ביטוי משותף, ניתוח העשרת מסלולים וניתוח רשת PPI (איור 1). לאחר כל ניתוח, התוצאות מוצגות באופן אוטומטי באופן חזותי וניתנות לכוונון באמצעות פונקציות הווידג'ט R/מבריק וניתנות להורדה בקלות כטבלאות פרסום בתבנית Microsoft Excel. בפרוטוקול הבא, אנו משתמשים בנתוני פרוטאום שלמים כמותיים כדוגמה ומתארים את השלבים העיקריים של השימוש ב- JUMPn, כולל התקנת תוכנת JUMPn, ההגדרה של חלבונים המבוטאים באופן דיפרנציאלי או הפרוטאום המווסת (dys), ניתוח רשת ביטוי משותף וניתוח מודול PPI, הדמיה ופרשנות של תוצאות, וירי בעיות. תוכנת JUMPn זמינה באופן חופשי ב-GitHub41.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>MacBook Pro with a 2.3 GHz Quad-Core Processor running OS 10.15.7.</td>
			<td>Apple Inc.</td>
			<td>MacBook Pro 13&#39;&#39;</td>
			<td>Hardware used for software development and testing</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Anoconda</td>
			<td>Anaconda, Inc.</td>
			<td>version 4.9.2</td>
			<td>https://docs.anaconda.com/anaconda/install/</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>miniconda</td>
			<td>Anaconda, Inc.</td>
			<td>version 4.9.2</td>
			<td>https://docs.conda.io/en/latest/miniconda.html</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>RStudio</td>
			<td>RStudio Public-benefit corporation</td>
			<td>version 4.0.3</td>
			<td>https://www.rstudio.com/products/rstudio/download/</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Shiny Server</td>
			<td>RStudio Public-benefit corporation</td>
			<td></td>
			<td>https://shiny.rstudio.com/articles/shinyapps.html</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

jumpn: a streamlined application for protein co-expression clustering and network analysis in proteomics

עם ההתקדמות האחרונה בטכנולוגיות פרוטאומיקה מבוססות ספקטרומטריית מסות, פרופיל עמוק של מאות פרוטאומים הפך אפשרי יותר ויותר. עם זאת, הפקת תובנות ביולוגיות ממערכי נתונים כה חשובים היא מאתגרת. כאן אנו מציגים תוכנה מבוססת ביולוגיה של מערכות JUMPn, ואת הפרוטוקול הקשור אליה כדי לארגן את הפרוטאום לאשכולות ביטוי משותף של חלבונים על פני דגימות ורשתות אינטראקציה בין חלבונים לחלבונים (PPI) המחוברות באמצעות מודולים (למשל, קומפלקסים של חלבונים). באמצעות פלטפורמת R/Shiny, תוכנת JUMPn מייעלת את הניתוח של אשכולות ביטויים משותפים, העשרת מסלולים וזיהוי מודול PPI, עם הדמיית נתונים משולבת וממשק ידידותי למשתמש. השלבים העיקריים של הפרוטוקול כוללים התקנה של תוכנת JUMPn, הגדרת חלבונים המבוטאים באופן דיפרנציאלי או פרוטאום מווסת (dys), קביעת אשכולות ביטוי משותף משמעותיים ומודולי PPI, והדמיית תוצאות. בעוד שהפרוטוקול מודגם באמצעות פרופיל פרוטאום מבוסס תוויות איזובריות, JUMPn ישים בדרך כלל למגוון רחב של מערכי נתונים כמותיים (למשל, פרוטאומיקה ללא תוויות). התוכנה והפרוטוקול של JUMPn מספקים אפוא כלי רב עוצמה כדי להקל על פרשנות ביולוגית בפרוטאומיקה כמותית.

השתמשנו בערכות הנתונים של פרוטאומיקה עמוקה שפורסמו עלידינו 25,26,27,30 (איורים 5 ואיור 6) וכן בסימולציות נתונים57 (טבלה 1) כדי לייעל ולהעריך את ביצועי JUMPn. לצורך ניתוח אשכו...

Watch this Scientific Journal Video about JUMPn: A Streamlined Application for Protein Co-Expression Clustering and Network Analysis in Proteomics at JoVE.com

JUMPn: A Streamlined Application for Protein Co-Expression Clustering and Network Analysis in Proteomics

אנו מציגים כלי לביולוגיה של מערכות JUMPn כדי לבצע ולהמחיש ניתוח רשת עבור נתוני פרוטאומיקה כמותית, עם פרוטוקול מפורט הכולל עיבוד נתונים מראש, אשכולות ביטוי משותף, העשרת מסלולים וניתוח רשת אינטראקציות חלבון-חלבון.

JUMPn: יישום יעיל עבור אשכולות ביטוי משותף של חלבונים וניתוח רשת בפרוטאומיקה

With recent advances in mass spectrometry-based proteomics technologies, deep profiling of hundreds of proteomes has become increasingly feasible. ...

הפרוטוקול של תוכנת JUMPn נועד להקל על פרשנות ביולוגית של נתוני פרוטאומיקה כמותית. התוכנה מסוגלת לארגן את החלבון השלם בהיררכיית שכבות של אשכולות ביטוי משותף ומודולי האינטראקציה של חלבונים. יש לציין כי תוכנת JUMPn מייעלת את הניתוח של אשכולות ביטויים משותפים, העשרת מסלולים וזיהוי מודול PPI.הוא מספק ממשק ידידותי למשתמש והדמיה אינטראקטיבית של הנתונים והרשתות. בעוד שהדגמנו בהצלחה את היישום של JUMPn בניתוח נתוני פרוטאום שלם, השיטה ניתנת להרחבה בקלות לסוגי נתונים אחרים, כולל ניתוח פוספופרוטאומיקה ונתונים אינטראקטיביים מספקטרומטריית מסת טיהור זיקה. כדי להגדיר את תוכנת JUMPn, הורד את קוד המקור מאתר האינטרנט והתקן את התוכנה במסוף שורת הפקודה.כדי להפעיל את תוכנת JUMPn, שנה את הספריה הנוכחית לתיקיית הביצוע על-ידי הקלדת ביצוע תקליטורים במסוף, ולאחר מכן הזן את הטקסט במסוף כדי להפעיל את ה- JUMPn בדפדפן האינטרנט. בדף הבית של JUMPn, לחץ על כפתור ניתוח תחילת העבודה כדי להתחיל את ניתוח JUMPn, ולאחר מכן בפינה השמאלית התחתונה של דף ניתוח תחילת העבודה, לחץ על לחצן העלה הדגמה B-Cell Proteomic Data כדי להציג הודעה על הצלחת העלאת הנתונים. בפינה השמאלית התחתונה של הדף, לחץ על הלחצן שלח ניתוח JUMPn כדי ליזום את הפעלת ההדגמה באמצעות פרמטרים המוגדרים כברירת מחדל.סרגל התקדמות יציין את מהלך הניתוח. המתן עד למילוי סרגל ההתקדמות. לאחר סיום הפעלת ההדגמה, תופיע תיבת דו-שיח עם הודעת הרצת ההצלחה והנתיב המוחלט לתיקיית התוצאות, ולאחר מכן לחץ על המשך לכרטיסייה 'המשך לתוצאות'.כאשר דף האינטרנט מכוון לתוצאות אשכול הביטויים המשותפים על-ידי אלגוריתם WGCNA, לחץ על הצג תוצאות בחלון הדיאלוג כדי להמשיך. בצד שמאל של דף התוצאות 1 דף פלט WGCNA, מצא את תבניות הביטוי המשותף של החלבון והשתמש בתבנית בחר את הביטוי כדי לנווט בין שתי תבניות איור. דמות Boxplot תיבחר כברירת מחדל.בחר מגמות"tab כדי להציג את תרשים המגמות, כאשר כל שורה מייצגת את שפע החלבון הבודד בין הדגימות. הצבע של כל שורה מייצג עד כמה תבנית הביטוי קרובה לקונצנזוס של אשכול הביטויים המשותפים. בצד ימין של דף הפלט של WGCNA, ניתן לראות את מפת החום של העשרת המסלולים האונטולוגיים.במפת חום, המסלולים המועשרים ביותר עבור כל אשכול יוצגו יחד. לאחר מכן, גלול מטה בדף האינטרנט כדי להציג את תבנית הביטוי עבור חלבונים בודדים. השתמש בתיבה הנפתחת, בחר את אשכול הביטויים המשותפים כדי לבחון חלבונים מכל אשכול, ולאחר מכן בחר חלבון מסוים בטבלה שעליה תעודכן באופן אוטומטי תרשים הבר שמתחת לטבלה כדי לשקף את שפע החלבונים שלו.עבור שמות חלבונים ספציפיים, השתמש בתיבת החיפוש בצד ימין של הטבלה. מאוחר יותר, התבונן בתוצאות האינטראקציה בין חלבון לחלבון או על PPI על-ידי לחיצה על פלט PPI של עמוד התוצאות 2 בחלק העליון. כדי לקבל את התוצאות עבור אשכול ביטויים משותף ספציפי, לחץ על בחר את הכרטיסיה בחר את אשכול הביטויים המשותפים".התצוגות של כל לוחות האיור יעודכנו עבור האשכול החדש שנבחר. בחלונית האיור השמאלית, הצג את רשתות ה- PPI עבור אשכול הביטויים המשותפים שנבחר באמצעות התיבה הנפתחת 'בחר לפי קבוצה' ולסמן מודולי PPI בודדים בתוך הרשת, ולאחר מכן עבור על התיבה שנבחרה בתבנית פריסת הרשת כדי לשנות את פריסת הרשת. שימוש בעכבר ובמשטח המגע, הגדל את התצוגה או הקטן את התצוגה של רשת PPI כדי להציג את שמות הגנים של כל צומת ברשת.כאשר מגדילים את התצוגה, בחרו ולחצו על חלבון מסוים כדי להדגיש את החלבון ואת שכניו ברשת. ברשת, גרור צומת מסוים כדי לשנות את מיקומו בפריסה וארגן מחדש את פריסת הרשת. בחלונית הימנית של דף התוצאות של PPI, חקור את המידע ברמת האשכול של הביטוי המשותף המסייע בפרשנות של תוצאות PPI.ניתן להציג את תבנית הביטוי המשותף באשכול שנבחר כ- boxplot כברירת מחדל. בחר מגמות"כדי להציג מגמות המתארות את תבנית הביטוי המשותף ולאחר מכן בחר בעלילת סרגל מסלול כדי להציג מסלולים מועשרים באופן משמעותי עבור אשכול הביטוי המשותף עם תרשים מעגל המסלול, הצג מסלולים מועשרים באופן משמעותי עבור אשכול הביטויים המשותפים בתבנית העלילה המעגלית. כדי להציג תוצאות ברמת מודול PPI בודדת, גלול מטה בדף התוצאה לדף האינטרנט של פלט PPI והרחב את התיבה הנפתחת בחר את המודול כדי לבחור מודול PPI ספציפי לתצוגה.הצג את מודול ה- PPI בחלונית השמאלית, תפעל את תצוגת הרשת כפי שהוסבר קודם לכן. בחלונית הימנית, הצג את תוצאות ההעשרה האונטולוגית של המסלול, ולאחר מכן השתמש בתיבה הנפתחת בחר את התיבה הנפתחת 'בחר את סגנון ההערה של המסלול' ובכרטיסיה 'סמן ברפלוט' כדי להציג מידע נוסף ולהציג מסלולים מועשרים באופן משמעותי עבור מודול ה-PPI שנבחר. תרשים מעגל טיק כדי להציג מסלולים מועשרים באופן משמעותי עבור מודול ה- PPI שנבחר בתבנית של חלקת מעגל ולהשתמש במפת חום כדי להציג מסלולים מועשרים באופן משמעותי ושמות הגנים הקשורים.לכו על Tab Table כדי להציג את תוצאות העשרת המסלולים המפורטות, כולל שם המסלולים, מונחי אונטולוגיה, שמות גנים וערך P על ידי הבדיקה המדויקת של פישר. עקוב אחר הנתיב המוחלט המודפס בראש עמודי התוצאות ומצא את טבלת הגיליון האלקטרוני של הפרסום. JUMPn פותחה עם פלטפורמת R מבריקה לממשק ידידותי למשתמש ומשלבת שלושה מודולים פונקציונליים עיקריים.ניתוח אשכולות של ביטויים משותפים, ניתוח העשרת מסלולים וניתוח רשת PPI. לאחר כל ניתוח התוצאות מוצגות באופן אוטומטי בהתאמה שלנו באמצעות פונקציות הווידג'ט המבריקות R וניתנות להורדה בקלות כטבלאות פרסום ופורמט Microsoft Excel. לצורך ניתוח רשת PPI, רשת PPI מורכבת נערכה על ידי שילוב של STRING, BioPlex ובמסדי נתונים של הודעות מיידיות באינטרנט.רשת PPI הממוזגת הסופית מכסה יותר מ -20, 000 גנים אנושיים עם 1, 100, 000 קצוות. אינטראקציה מקיפה זו כלולה ומתפרסמת בחבילה עם תוכנת JUMPn לניתוח PPI רגיש. גישות מבוססות רשת הממנפות הן רשתות ביטוי משותף והן רשתות אינטראקציה של חלבונים יכולות לשמש כשיטה נוספת להסקת פעילות בגורמי שעתוק וקינאזות.

Research

JoVE Journal

Biochemistry

Method for Identifying Small Molecule Inhibitors of the Protein-protein Interaction Between HCN1 and TRIP8b

שיטה לזיהוי מולקולה קטנה מעכבים של האינטראקציה בין החלבונים בין HCN1 ו TRIP8b

Hyperpolarization-activated cyclic nucleotide-gated (HCN) channels are expressed ubiquitously throughout the brain, where they function to regulate the ...

Lipid Droplet Isolation for Quantitative Mass Spectrometry Analysis

בידוד אגל ליפידים על ניתוח כמותי ספקטרומטריית מסה

Lipid droplets are vital to the replication of a variety of different pathogens, most prominently the Hepatitis C Virus (HCV), as the putative site of ...

Extracellular Protein Microarray Technology for High Throughput Detection of Low Affinity Receptor-Ligand Interactions

חלבון חוץ-תאית הטכנולוגיה Microarray לגילוי תפוקה גבוהה של אינטראקציות קולטן-ליגנד זיקה נמוכה

Secreted factors, membrane-tethered receptors, and their interacting partners are main regulators of cellular communication and initiation of signaling ...

Preparation of Chloroplast Sub-compartments from Arabidopsis for the Analysis of Protein Localization by Immunoblotting or Proteomics

הכנת כלורופלסט תאי המשנה של תודרנית לניתוח של חלבון לוקליזציה Immunoblotting או פרוטאומיקס

Chloroplasts are major components of plant cells. Such plastids fulfill many crucial functions, such as assimilation of carbon, sulfur and nitrogen as ...

Analysis of Protein Folding, Transport, and Degradation in Living Cells by Radioactive Pulse Chase

ניתוח של קיפול חלבונים, תחבורה, והשפלה בתאים חיים על ידי הדופק רדיואקטיבי צ'ייס

Radioactive pulse-chase labeling is a powerful tool for studying the conformational maturation, the transport to their functional cellular location, and ...

Detection of Protein Ubiquitination Sites by Peptide Enrichment and Mass Spectrometry

איתור מקומות לגילוי החלבון על ידי העשרה מפפטיד וספקטרומטר מסה

The posttranslational modification of proteins by the small protein ubiquitin is involved in many cellular events. After tryptic digestion of ...

Application of Biolayer Interferometry (BLI) for Studying Protein-Protein Interactions in Transcription

Application of Biolayer Interferometry BLI for Studying Protein-Protein Interactions in Transcription

יישום של ביואולייר אינטרפרומטריה (בלי) ללימוד אינטראקציות חלבונים-חלבונים בתמלול

A transcription factor&#160;(TF) is a protein that regulates gene expression by interacting with the RNA polymerase, another TF, and/or template DNA. GrgA ...

Quantification of Protein Interaction Network Dynamics using Multiplexed Co-Immunoprecipitation

קוונפיקציה של אינטראקציה חלבון ברשת דינמיקה באמצעות ריבוב ושות-Immunoprecipitation

Dynamic protein-protein interactions control cellular behavior, from motility to DNA replication to signal transduction. However, monitoring dynamic ...

PeptiQuick, a One-Step Incorporation of Membrane Proteins into Biotinylated Peptidiscs for Streamlined Protein Binding Assays

PeptiQuick, שילוב של צעד אחד של חלבונים ממברנות לתוך ביוטילדיסקי Peptiquick עבור כריכת חלבון מפושטת

Membrane proteins, including transporters, channels, and receptors, constitute nearly one-fourth of the cellular proteome and over half of current drug ...

TMT Sample Preparation for Proteomics Facility Submission and Subsequent Data Analysis

הכנה לדוגמא להגשת מתקנים פרוטאומניקס וניתוח נתונים שלאחר מכן

Proteomic technologies are powerful methodologies that can aid our understanding of mechanisms of action in biological systems by providing a global view ...