Fenotypová microarray - Phenotype microarray

The fenotyp microarray přístup je technologie pro vysoce výkonné fenotypování buněk. Systém fenotypové microarray umožňuje sledovat současně fenotypová reakce buněk na výzvy prostředí nebo exogenní sloučeniny vysoce výkonným způsobem. Fenotypové reakce se zaznamenávají buď jako měření koncového bodu, nebo jako kinetika dýchání podobná růstové křivky.

Použití

Vysoce výkonné fenotypové testování je stále důležitější pro zkoumání biologie bakterie, houby, droždí a živočišné buněčné linie, jako jsou lidské rakovinné buňky. Stejně jako DNA mikročipy a proteomický technologie umožnily analyzovat hladinu tisíců genů nebo proteinů najednou, fenotypové mikročipy (PM) umožňují kvantitativně měřit tisíce buněčných fenotypů najednou.[1] Tento přístup také nabízí potenciál pro testování funkce genů a zlepšení anotace genomu.[2] Na rozdíl od dosud dostupných technologií s vysokou propustností molekul se fenotypové testování zpracovává na živých buňkách, což poskytuje komplexní informace o výkonu celých buněk. Hlavní aplikace technologie PM jsou v oblastech biologie systémů, mikrobiální fyziologie buněk a taxonomie,[3] a savčí fyziologie buněk včetně klinického výzkumu, jako je autismus.[4] Výhodou PM oproti standardním růstovým křivkám je to buněčné dýchání lze měřit v podmínkách prostředí, kde nemusí být možná buněčná replikace (růst),[5] a že respirační reakce jsou obvykle detekovány mnohem dříve než buněčný růst.[6]

Technologie

Jediný zdroj uhlíku, který lze transportovat do buňky a metabolizovat na produkci NADH plodí a redoxní potenciál a tok elektronů ke snížení a tetrazolium barvivo,[7] jako tetrazolium fialová, čímž vytváří fialovou barvu. Čím rychlejší je tento metabolický tok, tím rychleji se tvoří fialová barva. Tvorba fialové barvy je pozitivní reakcí. interpretován tak, že jediný zdroj uhlíku je použit jako zdroj energie. Čtečka mikrodestiček a inkubační zařízení je zapotřebí jako hardwarové zařízení k zajištění vhodných inkubačních podmínek a také automaticky čte intenzitu tvorby barvy během redukce tetrazolia v intervalech, například 15 minut.

Hlavní myšlenka získávání informací o schopnostech organismu a jeho zvláštních způsobech působení při využívání určitých zdrojů energie může být rovnocenně aplikována na další makroživiny, jako jsou dusík, síra nebo fosfor a jejich sloučeniny a deriváty. Jako rozšíření dopad auxotrofní doplňky nebo antibiotika, těžké kovy nebo jiné inhibiční sloučeniny na respirační chování buněk.

Datová struktura

V případě pozitivních reakcí se očekává, že se podélná kinetika bude jevit jako sigmoidální křivky analogicky k typickým bakteriálním růstové křivky. Srovnatelné s bakteriálními růstovými křivkami mohou kinetické křivky dýchání poskytovat cenné informace kódované v délce zpožďovací fáze λ, rychlosti dýchání μ (odpovídající strmosti svahu), maximálním respiraci buněk A (odpovídající maximální zaznamenané hodnotě ) a oblast pod křivkou (AUC). Na rozdíl od bakteriální růstové křivky, v PM obvykle není fáze smrti, protože redukované tetrazoliové barvivo je nerozpustné.

Software

K dispozici je proprietární a komerčně dostupný software, který poskytuje řešení pro ukládání, vyhledávání a analýzu dat fenotypu s vysokou propustností. Mocný bezplatný open source software je balíček "opm" založený na R.[8][9] „opm“ obsahuje nástroje pro analýzu dat PM, včetně správy, vizualizace a statistické analýzy dat PM, zahrnující odhad parametrů křivky, vyhrazené a přizpůsobitelné grafy, metadata management, statistické srovnání s genom a cesta anotace, automatické generování taxonomické zprávy, data diskretizace pro fylogenetické software a export do YAML značkovací jazyk. Ve spojení s dalšími balíčky R byl použit k použití posílení znovu analyzovat data autistického PM a detekovat více určujících faktorů.[10] Balíček "opm" byl vyvinut a je udržován na Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen. Další bezplatný open source software vyvinutý k analýze fenotypových dat microarray je „DuctApe“, a Unix nástroj příkazového řádku, který také koreluje genomický data.[11] Další softwarové nástroje jsou PheMaDB,[12] který poskytuje řešení pro ukládání, vyhledávání a analýzu dat s vysokou propustností fenotypu a software PMViewer[13] který se zaměřuje na grafické zobrazení, ale neumožňuje další statistickou analýzu. Ten není veřejně dostupný.

Reference

  1. ^ Bochner, B.R. (2009), „Globální fenotypová charakterizace bakterií“, Recenze mikrobiologie FEMS, 33 (1): 191–205, doi:10.1111 / j.1574-6976.2008.00149.x, PMC  2704929, PMID  19054113
  2. ^ Bochner, B.R .; Gadzinski, P .; Panomitros, E. (2001), „Fenotypové mikročipy pro vysoce výkonné fenotypové testování a stanovení genové funkce“, Výzkum genomu, 11 (7): 1246–1255, doi:10,1101 / gr.186501, PMC  311101, PMID  11435407
  3. ^ Montero-Calasanz, M.C .; Göker, M .; Pötter, G .; Rohde, M .; Spröer, C .; Schumann, P .; Klenk, A.A .; Gorbushina, H.-P. (2013), "Geodermatophilus telluris sp. nov., nová aktinomycete izolovaná ze saharského pouštního písku v Čadu ", International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology, 13 (Pt 6): 2254–2 259, doi:10.1099 / ijs.0.046888-0, hdl:10033/299082, PMID  23159748
  4. ^ Boccuto, L .; Chen, C.-F .; Pittman, A.R .; Skinner, C.D .; McCartney, H.J .; Jones, K .; Bochner, B.R .; Stevenson, R.E .; Schwartz, C.E. (2013), „Snížený metabolismus tryptofanu u pacientů s poruchami autistického spektra“, Molekulární autismus, 4 (16): 16, doi:10.1186/2040-2392-4-16, PMC  3680090, PMID  23731516
  5. ^ Omsland, A .; Cockrell, D.C .; Howe, D .; Fischer, E.R .; Virtaneva, K .; Sturdevant, D.E .; Porcella, S.F .; Heinzen, R.A. (2009), „Hostitelský bezbuněčný růst bakterie Q fever Coxiella burnetii", Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických, 106 (11): 4430–4434, Bibcode:2009PNAS..106,4430O, doi:10.1073 / pnas.0812074106, PMC  2657411, PMID  19246385
  6. ^ Vaas, L.A.I .; Marheine, M .; Sikorski, J .; Göker, M .; Schumacher, M. (2013), „Dopady nadměrné exprese pr-10a na molekulární a fenotypové úrovni“, International Journal of Molecular Sciences, 14 (7): 15141–15166, doi:10,3390 / ijms140715141, PMC  3742292, PMID  23880863
  7. ^ Bochner, B.R .; Savageau, M.A. (1977), „Zobecněná indikátorová deska pro genetické, metabolické a taxonomické studie s mikroorganismy“, Aplikovaná a environmentální mikrobiologie, 33 (2): 434–444, doi:10.1128 / AEM.33.2.434-444.1977, PMC  170700, PMID  322611
  8. ^ Vaas, L.A.I .; Sikorski, J .; Michael, V .; Göker, M .; Klenk, H.-P. (2012), „Vizualizace a strategie odhadu parametrů křivky pro efektivní zkoumání kinetiky fenotypu MicroArray“, PLOS ONE, 7 (4): e34846, Bibcode:2012PLoSO ... 734846V, doi:10.1371 / journal.pone.0034846, PMC  3334903, PMID  22536335
  9. ^ Vaas, L.A.I .; Sikorski, J .; Hofner, B .; Fiebig, A .; Buddruhs, N .; Klenk, H.-P .; Göker, M. (2013), „opm: Balíček R pro analýzu fenotypových dat OmniLog® MicroArray“, Bioinformatika, 29 (14): 1823–4, doi:10.1093 / bioinformatika / btt291, PMID  23740744
  10. ^ Hofner, B .; Boccuto, L .; Göker, M. (2015), „Řízení falešných objevů ve vysoce dimenzionálních situacích: podpora výběru stability“, BMC bioinformatika, 16: 144, doi:10.1186 / s12859-015-0575-3, PMC  4464883, PMID  25943565
  11. ^ Galardini, M .; Mengoni, A .; Biondi, E.G .; Semeraro, R .; Florio, A .; Bazzicalupo, M .; Benedetti, A .; Mocali, S. (2013), „DuctApe: Sada pro analýzu a korelaci genomových a OmniLog ™ fenotypových microarray dat“, Genomika, 103 (1): 1–10, doi:10.1016 / j.ygeno.2013.11.005, PMID  24316132
  12. ^ Chang, W .; Sarver, K .; Higgs, B .; Přečtěte si, T .; Nolan, N .; Chapman, C .; Bishop-Lilly, K .; Sozhamannan, S. (2011), „PheMaDB: Řešení pro ukládání, vyhledávání a analýzu dat s vysokou propustností fenotypu“, BMC bioinformatika, 12: 109, doi:10.1186/1471-2105-12-109, PMC  3097161, PMID  21507258
  13. ^ Borglin, S .; Joyner, D .; Jacobsen, J .; Mukhopadhyay, A .; Hazen, T.C. (2009), „Překonání anaerobní překážky ve fenotypových mikročipech: Generování a vizualizace dat růstové křivky pro Desulfovibrio vulgaris Hildenborough " (PDF), Časopis mikrobiologických metod, 76 (2): 159–168, doi:10.1016 / j.mimet.2008.10.003, PMID  18996155

externí odkazy