O nouă metodă matematică cartografiază rolurile genelor în diverse specii
O mare parte din cunoștințele noastre despre biologie provine din studiul modelelor animale, în special al șoarecilor. Totuși, aplicarea acestor informații la oameni nu este întotdeauna simplă.
De exemplu, unele gene esențiale pentru formarea celulelor germinale, care ulterior devin ovule sau spermatozoizi, diferă între șoareci și oameni. Pentru a identifica corespondențele genelor între specii, cercetătorii compară adesea secvențele de ADN. Aceasta ajută la stabilirea relațiilor evolutive între gene, dar nu răspunde întotdeauna la o întrebare mai funcțională: care gene îndeplinesc roluri de reglementare similare în tipuri specifice de celule sau în procesele de specificare a destinației celulare între specii?
O echipă de cercetători de la Institutul pentru Studiul Avansat al Biologiei Umane de la Universitatea Kyoto a analizat modul în care genele sunt exprimate în raport una cu cealaltă. Aceștia au presupus că organizația generală a rețelelor de reglementare ar putea rămâne similară între specii, chiar și atunci când genele implicate sunt diferite. Dacă acest lucru este adevărat, această organizare comună ar putea fi reflectată în geometria expresiei genelor în ansamblu. Astfel, echipa a dezvoltat metoda Species-OT, care compară modelele de expresie genică pentru a identifica genele ce ar putea avea roluri similare între specii.
Species-OT compară datele transcriptomului din tipuri de celule corespunzătoare sau din procese de specificare a destinației celulare între specii. În cadrul fiecărui set de date, vectorii de expresie genică pot fi considerați puncte, plasând genele cu modele de expresie asemănătoare mai aproape unele de altele. Aceste puncte formează o „formă” geometrică care caracterizează setul de date. Apoi, folosind o teorie matematică numită transport optim Gromov-Wasserstein, metoda compară modul în care aceste puncte sunt aranjate în raport una cu cealaltă pentru a identifica posibile corespondențe ale genelor între specii. De asemenea, măsoară cât de mult diferă modelele generale de expresie genică între seturi de date. În acest studiu, comparația s-a concentrat pe genele care codifică factori de transcripție, care se așteaptă să formeze nucleul bine conservat al rețelelor de reglementare a genelor.
Pentru a testa metoda, cercetătorii au analizat expresia genelor în timpul inducției celulelor asemănătoare celulelor germinale primordiale (PGCLC) din celulele stem pluripotente de șoarece și om. Printre cele mai bune predicții ale Species-OT s-au numărat perechi de gene din șoareci și oameni care, conform studiilor anterioare, au demonstrat roluri similare. Analiza a identificat posibile corespondențe între genele care sunt strâns legate evolutiv, precum și între cele mai îndepărtate.
Species-OT compară, de asemenea, modelele generale de expresie genică. În analiza inducției PGCLC, aceste modele au fost relativ similare în oameni și macaque cynomolgus, în timp ce șoarecii s-au dovedit a fi mai distanți față de ambele. Echipa a analizat și datele de secvențiere RNA la nivel de celulă unică din celulele stem pluripotente a șase specii de mamifere (oameni, cimpanzei, gorile, orangutani, macaque cynomolgus și șoareci), care au relevat similarități între primate, în special între oameni și cimpanzei, și între gorile, orangutani și macaque cynomolgus. În această analiză, modelele de expresie ale șoarecilor au diferit semnificativ față de cele ale primatelor. Aceste analize reflectă diferențele în tipurile de celule și condițiile de cultură, care afectează de asemenea expresia genică, precum și diferențele între specii. Relațiile rezultate sunt calculate diferit față de arborii filogenetici convenționali.
Species-OT este o metodă bazată pe date, concepută pentru a deduce corespondențele genelor între specii, astfel încât ceea ce se știe despre rolul unei gene într-o specie să poată fi translatat la omologul său din alta. Aceasta se bazează pe ipoteza că mecanismele de reglementare a genelor comune între specii sunt reflectate în „forma” datelor transcriptomului. Predicțiile sale depind de modul în care sunt preprocesate datele de intrare și de modul în care sunt măsurate diferențele în expresia genică; în acest studiu, evaluarea corespondențelor genelor s-a concentrat în principal pe un set selectat de gene implicate în specificarea celulelor germinale. Aceste descoperiri oferă un punct de plecare pentru comparații mai largi ale reglementării genelor între specii.
Lucrările viitoare vor implica testarea experimentală a corespondențelor genelor prezise și aplicarea Species-OT la alte tipuri de celule și procese de specificare a destinației celulare, ceea ce se așteaptă să avanseze înțelegerea mecanismelor comune între specii și a celor care diferă. Includerea unor informații suplimentare despre reglementarea genelor ar putea extinde metoda și îmbunătăți acuratețea predicțiilor sale. Pe termen lung, Species-OT ar putea ajuta la transpunerea descoperirilor din studiile pe animale într-o mai bună înțelegere a bolilor umane, identificând genele care ar putea juca roluri similare între specii. Acest lucru ar putea contribui la Obiectivul Moonshot 2, care vizează realizarea unei societăți capabile să prezică și să prevină bolile într-un stadiu ultra-timpuriu până în 2050. Dacă metoda poate fi aplicată la date din celule relevante pentru boli, ar putea ajuta la restrângerea genelor umane care corespund modificărilor întâlnite la animale și ar susține studiile care testează care mecanisme sunt comune și care sunt specifice oamenilor. Datele examinate în acest studiu se referă la celulele stem pluripotente și specificarea celulelor germinale, însă valoarea metodei pentru prezicerea și prevenirea bolilor rămâne de testat.
„Sper să folosim modele matematice și știința datelor pentru a înțelege structurile matematice care stau la baza fenomenelor naturale complexe, pentru a controla aceste fenomene și pentru a aborda problemele din lumea reală asociate acestora. Prin compararea structurilor matematice ce stau la baza datelor genomice, epigenomice și de expresie genică între specii, această cercetare ar putea ajuta la înțelegerea locului și modului în care oamenii diferă de alte organisme, dar și a ceea ce avem în comun”, a declarat Yuya Tokuta.
