Predykcja glikanów syntetyzowanych w komórkach poddanych działaniu promieniowania jonizującego
description
Transcript of Predykcja glikanów syntetyzowanych w komórkach poddanych działaniu promieniowania jonizującego
Predykcja glikanów syntetyzowanych w komórkach poddanych działaniu
promieniowania jonizującego
Institute of AutomationSilesian University of TechnologyGliwice, Poland
Reakcje glikotransferazy
Budowa glikanów produkowanych w procesie glikozylacji jest uzależniona od tzw. kodu biosyntetycznego - zestawu różnorodnych biosyntetycznych reakcji katalizowanych przez enzymy – glikotransferazy.
98 genów glikotransferaz (GT)
42 reakcje glikozylacji
Ponad 10,000 różnych struktur glikanówNa podstawie informacji o poziomie ekspresji genów
GT powinno być możliwe określenie zestawu struktur pojawiających się z największym prawdopodobieństwem.
Eksperymentalne określenie koncentracji poszczególnych glikanów
jest aktualnie niezwykle trudnym zadaniem.
Pojawienie się „osobliwych” glikanów na powierzchni komórki jest wykorzystywane w diagnostyce, gdyż stanowią one znacznik (marker) komórek nowotworowych, ich obecność często świadczy o szybkim rozwoju choroby.
Predykcja struktur glikanów
Informacje o budowie znanych glikanów
Informacje o ekspresji genów glikotransferaz
Zestaw struktur glikanów
predykcja
(Kawano et al. 2005)
Struktury glikanów opisane w bazie danych KEGG Glycan rozbito na pojedyncze pary monosacharydów połączonych określonym wiązaniem
Predykcja struktur glikanów
ENTRY G00001 GlycanNAME N-Acetyl-D-glucosaminyldiphosphodolicholCOMPOSITION (GlcNAc)1 (PP-Dol)1MASS 203.2 (PP-Dol)REMARK Same as: C04500REACTION R05969 R05970PATHWAY ko00510 N-Glycan biosynthesis ko01100 Metabolic pathwaysENZYME 2.4.1.141 2.7.8.15NODE 2 1 PP-Dol 3 0 2 GlcNAc -4 0EDGE 1 1 2:a1 1///
Baza danych KEGG Glycan
| GlcNAc a1 PP-Dol | GlcNAc b1-4 GlcNAc | Man b1-4 GlcNAc | ...--------+------------------+--------------------+-----------------+----G00001 | 1 | 0 | 0 |G00002 | 1 | 1 | 0 |G00003 | 1 | 1 | 1 | ....
Macierz reakcji
| GlcNAc a1 PP-Dol | GlcNAc b1-4 GlcNAc | Man b1-4 GlcNAc | ...-------------------+------------------+--------------------+-----------------+----GlcNAc a1 PP-Dol | 1 | 0.456 | 0.364 |GlcNAc b1-4 GlcNAc | 0.456 | 1 | 0.743 |Man b1-4 GlcNAc | 0.364 | 0.743 | 1 | ....
Macierz korelacji
Budowa bazy danych
Dla każdej struktury zliczono ilość wystąpień każdej możliwej pary
Pomiędzy każdymi dwiema parami monosacharydów obliczono miarę podobieństwa (Cosine) określającą jak często dane dwie pary wiązań występują razem w jednym glikanie
Predykcja struktur glikanów
Informacje o budowie znanych glikanów
Informacje o ekspresji genów glikotransferaz
Zestaw struktur glikanów
predykcja
(Kawano et al. 2005)
Predykcja struktur glikanów
EntrezGeneID | K562 0h.1 | K562 0h.2 | K562 24h.1 | ...-------------+-----------+-----------+------------+--- 2523 | 5.98 | 6.01 | 6.31 | 79087 | 5.63 | 5.27 | 5.35 | 2527 | 4.17 | 4.46 | 4.28 | 6482 | 3.63 | 3.60 | 3.60 | ....
| fold change | p-value |EntrezGeneID | K562 0h/C | K562 24h/C | K562 0h/C | K562 24h/C |-------------+------------+------------+-----------+------------+ 2523 | 1.3589 | 1.2610 | 0.0342 | 0.0009 | 10678 | 1.3457 | 1.1593 | 0.0346 | 0.0023 | 56886 | 1.4818 | 1.2026 | 0.0442 | 0.0205 | ....
przetworzone dane ekspresyjne
geny GT o zmienionym
poziomie ekspresjiLFuc a1-3 GlcNAcGlcNAc b1-3 Gal GlcNAc b1-4 ManGal b1-4 Xyl GlcNAc b1-4 Man....
lista reakcji katalizowanych
przez stymulowane geny
surowe dane ekspresji genów
K562 K.1 K562 0h.1 K562 K.2 K562 0h.2K562 24h.1 K562 24h.2
Ekspresja genów glikotransferaz (GT)
Ekspresje genów GT zmierzono za pomocą 6 mikromacierzy oligonukleotydowych dla komórek nowotworowych poddanych działaniu 4Gy promieniowania jonizującego.
Dane poddano niestandardowemu przetwarzaniu dzięki któremu określono grupę genów GT których ekspresja zmienia się w sposób znamienny statystycznie na skutek promieniowania.Na podstawie informacji z literatury określono jakie wiązania katalizowane są przez glikotransferazy będące produktem wybranych genów
Predykcja struktur glikanów
Informacje o budowie znanych glikanów
Informacje o ekspresji genów glikotransferaz
Zestaw struktur glikanów
predykcja
(Kawano et al. 2005)
Predykcja struktur glikanów
Dla każdej struktury w oparciu o macierz podobieństwa miedzy parami glikotransferaz obliczany jest współczynnik predykcji
Współczynnik predykcji
LFuc a1-3 GlcNAcGlcNAc b1-3 Gal GlcNAc b1-4 ManGal b1-4 Xyl GlcNAc b1-4 Man...
| GlcNAc a1 PP-Dol | GlcNAc b1-4 GlcNAc | ...------------------+------------------+--------------------+GlcNAc a1 PP-Dol | 1 | 0.456 |GlcNAc b1-4 GlcNAc | 0.456 | 1 |Man b1-4 GlcNAc | 0.364 | 0.743 | ...
…
Predykcja struktur glikanówWspółczynnik predykcji
))(
)(),((1
,0,1
)(
))(),((1
1
1
1
1 1
n
in
iig
igji
m
jCE
i
ii
n
iiji
m
jCE
qE
qEbqS
mS
absentqpresentq
qh
qhbqSm
S
• SC (qi,bj)–współczynnik korelacji pomiedzy wiązaniami katalizowanymi przez glikotransferaze qi oraz element badanej struktury bj
• Eg(qi) – poziom ekspresji genu qi• n – liczba genów GT analizowanych za pomocą mikromacierzy• m – liczba wiązań w aktualnie analizowanej strukturze
1
2
0
50
100
150
200
250
300
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1112 13 14 15 16 1718 1920 2122 2324 2526 27 28 2930 31 32 3334 35 36 3738 39
0
100
200
300
400
500
1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112 1314 1516 17 18 192021 22 2324 2526 272829 3031 3233 343536 37 383940
Exp
ress
ion
leve
l
GT gene
Predykcja struktur glikanówZmiany ekspresji genów GT – K562
Predykcja struktur glikanów
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10040
50
60
70
80
90
Rank
Per
cent
age
procent struktur jakie zostały zidentyfikowane na określonym miejscu 4036 elementów listy predykcyjnej lub ponad nim
Weryfikacja metodą leave-one-out
Specyficzności algorytmu zweryfikowano metodą leave-one-out tworząc macierz podobieństwa dla wszystkich struktur poza jedną która użyta została jako wzorzec reakcji w miejsce reakcji katalizowanych przez zbiór genów glikotransferaz.
Wyniki predykcji
1st rank
Structure: G04183
Score: 2,404
2nd rank
Structure: G04804
Score: 2,389
3rd rank
Structure: G05226
Score: 2,389
3 struktury o największym współczynniku predykcji tj. o największym prawdopodobieństwie pojawiania się na powierzchni badanych komórek w wyniku działania promieniowania jonizującego wg. zastosowanej metody
Weryfikacja wyników
Do charakterystyki glikanów na powierzchni komórki użyto lektyn znakowanych barwnikiem fluoroscencyjnym oraz czytnika mikropłytek mierzącego poziom fluorescencji.
Lektyna Specyficzność FC 24hGSL-I α-D-GalNAc 0,64WGA (dGlcNAc)2NeuNAc 1,23UEA-I Fucose 1,34
Badanie wykonano 24 godziny po poddaniu komórek działaniu promieniowania jonizującego.
Zmiany na poziomie glikanów określone za pomocą znakowanych lektyn nie odzwierciedlają bezpośrednio zmian na poziomie transkryptów genów glikotransferaz z uwagi na długi czas potrzebny na ich zsyntetyzowanie.
DNA mRNA Białka (GT) Glikany
transportglikozylacjatranslacjatranskrypcja
~ 24 godziny
Podsumowanie
W wielu sytuacjach zestaw glikanów może nie odzwierciedlać teraźniejszego bądź przeszłego stanu transkryptomu z powodu skomplikowanych mechanizmów regulacyjnych pojawiających się na wielu etapach procesu powstawania i transportu glikanów.
Planowane udoskonalenia metody: Opracowanie lepszych metod weryfikacji w oparciu o dane
uzyskane za pomocą znakowanych lektyn Możliwość definiowania zestawu aktywnych reakcji na podstawie
danych innego typu niż mikomacierzowe (np. real-time PCR) Uwzględnienie kinetyki reakcji glikozylacji podczas wyznaczania
współczynnika predykcji
Dziękuje za uwagę
Predykcja struktur glikanówZmiany ekspresji genów GT
0
200
400
600
800
1000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112 131415 16 17 18 1920 21 2223 24 2526 2728 293031 32 33 3435 36 37 38 3940GT gene
expr
essi
on le
vel
0
100
200
300
400
500
600
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1112 13 14 1516 17 181920 2122 23 24 2526 27 2829 30 31 32 33 3435 36 37 38 39GT gene
expr
essi
on le
vel
Wyniki predykcji
K562 Próba Glc Man Gal GlcNAc GalNAc Xyl Neu5Ac Glca LFuc 3
rozgałęzienia4
rozgałęzienia5
rozgałęzień
Zliczenie podjednostek dla
strukturw rankingu:
1:10
K 0 31 21 45 0 0 2 0 14 26 2 0
0h 0 31 21 45 0 0 2 0 14 26 2 0
24h 0 34 15 36 0 0 7 0 4 15 0 0
36h 0 34 15 36 0 0 7 0 4 15 0 0
Zmiana [%] 0 9,7 -28,6 -20,0 0,0 0,0 250,0 0,0 -71,4 -42,3 -100,0 0