intechnguВестник НГУ. Серия: Информационные технологииVestnik NSU. Series: Information Technologies1818-79002410-0420НГУ10.25205/1818-7900-2018-16-3-22-36intechngu-43Research ArticleБИОИНФОРМАТИКАКОМПЬЮТЕРНЫЙ АНАЛИЗ АЛЬТЕРНАТИВНОГО СПЛАЙСИНГА ГЕНОВ В КУЛЬТУРАХ КЛЕТОК ГЛИОМ ПО ДАННЫМ RNA-SEQCOMPUTER ANALYSIS OF GENE ALTERNATIVE SPLICING IN GLIOMA CELL CULTURES BY RNA-seq DATAКовалевС. С.KovalevS. S.sergey.kovalev.1994@list.ruЛеберфарбЕ. Ю.LieberfarbE. Yu.noemail@neicon.ruГубановаН. В.GubanovaN. V.noemail@neicon.ruБрагинА. О.BraginA. O.noemail@neicon.ruГалиеваА. Г.GalievaA. G.noemail@neicon.ruЦукановА. В.TsukanovA. V.noemail@neicon.ruБабенкоВ. Н.BabenkoV. N.noemail@neicon.ruОрловЮ. Л.OrlovYu. L.orlov@bionet.nsc.ruИнститут цитологии и генетики СО РАН; Новосибирский государственный медицинский университетРоссияNovosibirsk State Medical UniversityRussian FederationИнститут цитологии и генетики СО РАНРоссияНовосибирский государственный университетРоссияInstitute of Cytology and Genetics SB RAS; Novosibirsk State UniversityRussian FederationИнститут цитологии и генетики СО РАН; Новосибирский государственный университетРоссияNovosibirsk State UniversityRussian Federation2018301020201632236Copyright © Ковалев С.С., Леберфарб Е.Ю., Губанова Н.В., Брагин А.О., Галиева А.Г., Цуканов А.В., Бабенко В.Н., Орлов Ю.Л., 20202020Ковалев С.С., Леберфарб Е.Ю., Губанова Н.В., Брагин А.О., Галиева А.Г., Цуканов А.В., Бабенко В.Н., Орлов Ю.Л.Kovalev S.S., Lieberfarb E.Y., Gubanova N.V., Bragin A.O., Galieva A.G., Tsukanov A.V., Babenko V.N., Orlov Y.L.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://intechngu.elpub.ru/jour/article/view/43

Современные постгеномные методы изучения экспрессии генов с помощью транскриптомного профилирования имеют большое значение для фундаментальных биомедицинских исследований в онкологии, поиска новых маркеров развития опухолей на культурах клеток глиом. Такие эксперименты требуют разработки новых компьютерных инструментов анализа объемных данных секвенирования. Цель представленного исследования - компьютерный поиск генов и их изоформ, нарушение экспрессии которых связано с развитием глиобластом, с помощью современных высокопроизводительных технологий секвенирования транскриптом и международных биомедицинских банков данных. Поиск генов - кандидатов для терапевтического воздействия в опухолях, в том числе отдельных изоформ генов, актуален в здравоохранении и современной высокотехнологичной медицине. В данной работе представлены задачи биоинформатики, связанные с разработкой компьютерных конвейеров обработки транскриптомных данных, определения дифференциально экспрессирующихся генов, анализа альтернативного сплайсинга, описания категорий генных онтологий для найденных групп генов. Рассмотрены задачи автоматического поиска и описания функций генов в связи с раковыми заболеваниями, визуализации результатов и разработки биомедицинских баз данных. Представлен прототип базы данных дифференциального альтернативного сплайсинга генов - «Дифференциальный альтернативный сплайсинг генов человека при вторичной глиобластоме (ДАСГГ)», с возможностью работы через веб-сайт, поиска уровней экспрессии отдельных изоформ в глиальной опухоли.

Fundamental biomedical research in oncology, the search for new markers of tumor development, modern post-genomic studies of gene expression on cell cultures need glioma transcriptome profiling and analysis of individual gene isoforms. Such experiments, in turn, require development of new computer tools and database for analysis of bulk sequencing data. The aim of our study is a computer search for genes and gene isoforms, the difference of their expression is associated with the development of glioblastoma. The work is based on modern high-throughput sequencing technologies and international biomedical data banks analysis. The search for candidate genes in tumors for therapeutic treatment, including individual gene isoforms, is very relevant in healthcare and modern high-tech medicine. This work presents the bioinformatics problems related to the development of computer pipelines for the processing of transcriptomic data, the revealing of the differentially expressed genes, the analysis of alternative splicing, and the description of the gene ontologies categories for the genes sets found. The tasks of automatic search and description of gene functions in connection with cancer diseases, visualization of results and development of biomedical databases are considered. A prototype database of differential alternative splicing of genes is presented, «Differential Alternative Splicing of Human Genes in Secondary Glioblastoma (DASGG)», with the ability to work through a website, to search for expression levels of individual isoforms in tumor cells.

биоинформатикатранскриптомикабиомедицинская информатикаглиобластомаальтернативный сплайсингбазы данныхbioinformaticstranscriptomicsbiomedical informaticsglioblastomaalternative splicingdatabasesReferencesBabenko V. N., Gubanova N. V., Bragin A. O., Chadaeva I. V., Vasiliev G. V., Medvedeva I. V., Gaytan A. S., Krivoshapkin A. L., Orlov Yu. L. Computer Analysis of Glioma Transcriptome Profiling: Alternative Splicing Events // J. Integr. Bioinform. 2017. Vol. 14. No. 3. PII: /j/jib.2017.14.issue-3/jib-2017-0022/jib-2017-0022.xml. DOI: 10.1515/jib-2017-0022.Babenko V. N., Gubanova N. V., Bragin A. O., Chadaeva I. V., Vasiliev G. V., Medvedeva I. V., Gaytan A. S., Krivoshapkin A. L., Orlov Yu. L. Computer Analysis of Glioma Transcriptome Profiling: Alternative Splicing Events // J. Integr. Bioinform. 2017. Vol. 14. No. 3. PII: /j/jib.2017.14.issue-3/jib-2017-0022/jib-2017-0022.xml. DOI: 10.1515/jib-2017-0022.Ohgaki H., Kleihues P. Genetic Pathways to Primary and Secondary Glioblastoma // Am. J. Pathol. 2007. Vol. 170. No. 5. P. 1445-1453.Ohgaki H., Kleihues P. Genetic Pathways to Primary and Secondary Glioblastoma // Am. J. Pathol. 2007. Vol. 170. No. 5. P. 1445-1453.Ferrarese R., Harsh G. R. 4th, Yadav A. K., Bug E., Maticzka D., Reichardt W., Dombrowski S. M., Miller T. E., Masilamani A. P., Dai F., Kim H., Hadler M., Scholtens D. M., Yu I. L., Beck J., Srinivasasainagendra V., Costa F., Baxan N., Pfeifer D., von Elverfeldt D., Backofen R., Weyerbrock A., Duarte C. W., He X., Prinz M., Chandler J. P., Vogel H., Chakravarti A., Rich J. N., Carro M. S., Bredel M. Lineage-specific splicing of a brain-enriched alternative exon promotes glioblastoma progression // J. Clin. Invest. 2014. Vol. 124. No. 7. P. 2861-2876.Ferrarese R., Harsh G. R. 4th, Yadav A. K., Bug E., Maticzka D., Reichardt W., Dombrowski S. M., Miller T. E., Masilamani A. P., Dai F., Kim H., Hadler M., Scholtens D. M., Yu I. L., Beck J., Srinivasasainagendra V., Costa F., Baxan N., Pfeifer D., von Elverfeldt D., Backofen R., Weyerbrock A., Duarte C. W., He X., Prinz M., Chandler J. P., Vogel H., Chakravarti A., Rich J. N., Carro M. S., Bredel M. Lineage-specific splicing of a brain-enriched alternative exon promotes glioblastoma progression // J. Clin. Invest. 2014. Vol. 124. No. 7. P. 2861-2876.Correa B. R., de Araujo P. R., Qiao M., Burns S. C., Chen C., Schlegel R., Agarwal S., Galante P. A., Penalva L. O. Functional genomics analyses of RNA-binding proteins reveal the splicing regulator SNRPB as an oncogenic candidate in glioblastoma // Genome Biol. 2016. Vol. 17. No. 1. P. 125.Correa B. R., de Araujo P. R., Qiao M., Burns S. C., Chen C., Schlegel R., Agarwal S., Galante P. A., Penalva L. O. Functional genomics analyses of RNA-binding proteins reveal the splicing regulator SNRPB as an oncogenic candidate in glioblastoma // Genome Biol. 2016. Vol. 17. No. 1. P. 125.Thorsen F., Tysnes B. B. Brain tumor cell invasion, anatomical and biological considerations // Anticancer Res. 1997. Vol. 17. No. 6B. P. 4121-4126.Thorsen F., Tysnes B. B. Brain tumor cell invasion, anatomical and biological considerations // Anticancer Res. 1997. Vol. 17. No. 6B. P. 4121-4126.Marcelino Meliso F., Hubert C. G., Favoretto Galante P. A., Penalva L. O. RNA processing as an alternative route to attack glioblastoma // Hum. Genet. 2017. Vol. 136. No. 9. P. 1129-1141.Marcelino Meliso F., Hubert C. G., Favoretto Galante P. A., Penalva L. O. RNA processing as an alternative route to attack glioblastoma // Hum. Genet. 2017. Vol. 136. No. 9. P. 1129-1141.Kim N. K., Jayatillake R. V., Spouge J. L. NEXT-peak: A normal-exponential two-peak model for peak-calling in ChIP-seq data // BMC Genomics. 2013. Vol. 14. No. 1. P. 349.Kim N. K., Jayatillake R. V., Spouge J. L. NEXT-peak: A normal-exponential two-peak model for peak-calling in ChIP-seq data // BMC Genomics. 2013. Vol. 14. No. 1. P. 349.Trapnell C., Roberts A., Goff L., Pertea G., Kim D., Kelley D. R., Pimentel H., Salzberg S. L., Rinn J. L., Pachter L. Differential gene and transcript expression analysis of RNA-seq experiments with TopHat and Cufflinks // Nat. Protoc. 2012. Vol. 7. No. 3. P. 562-578.Trapnell C., Roberts A., Goff L., Pertea G., Kim D., Kelley D. R., Pimentel H., Salzberg S. L., Rinn J. L., Pachter L. Differential gene and transcript expression analysis of RNA-seq experiments with TopHat and Cufflinks // Nat. Protoc. 2012. Vol. 7. No. 3. P. 562-578.Shen S., Park J. W., Lu Z. X., Lin L., Henry M. D., Wu Y. N., Zhou Q., Xing Y. rMATS: Robust and flexible detection of differential alternative splicing from replicate RNA-Seq data // Proc. Natl. Acad. Sci. 2014. Vol. 111. No. 51. P. E5593-E5601.Shen S., Park J. W., Lu Z. X., Lin L., Henry M. D., Wu Y. N., Zhou Q., Xing Y. rMATS: Robust and flexible detection of differential alternative splicing from replicate RNA-Seq data // Proc. Natl. Acad. Sci. 2014. Vol. 111. No. 51. P. E5593-E5601.Li H., Handsaker B., Wysoker A., Fennell T., Ruan J., Homer N., Marth G., Abecasis G., Durbin R. 1000 Genome Project Data Processing Subgroup. The Sequence Alignment / Map format and SAMtools // Bioinformatics. 2009. Vol. 25. No. 16. P. 2078-2079.Li H., Handsaker B., Wysoker A., Fennell T., Ruan J., Homer N., Marth G., Abecasis G., Durbin R. 1000 Genome Project Data Processing Subgroup. The Sequence Alignment / Map format and SAMtools // Bioinformatics. 2009. Vol. 25. No. 16. P. 2078-2079.Danecek P., Auton A., Abecasis G., Albers C. A., Banks E., DePristo M. A., Handsaker R. E., Lunter G., Marth G. T., Sherry S. T., McVean G., Durbin R. 1000 Genomes Project Analysis Group. The variant call format and VCFtools // Bioinformatics. 2011. Vol. 27. No. 15. P. 2156-2158.Danecek P., Auton A., Abecasis G., Albers C. A., Banks E., DePristo M. A., Handsaker R. E., Lunter G., Marth G. T., Sherry S. T., McVean G., Durbin R. 1000 Genomes Project Analysis Group. The variant call format and VCFtools // Bioinformatics. 2011. Vol. 27. No. 15. P. 2156-2158.Chen C. M., Lu Y. L., Sio C. P., Wu G. C., Tzou W. S., Pai T. W. Gene Ontology based housekeeping gene selection for RNA-seq normalization // Methods. 2014. Vol. 67. No. 3. P. 354-363.Chen C. M., Lu Y. L., Sio C. P., Wu G. C., Tzou W. S., Pai T. W. Gene Ontology based housekeeping gene selection for RNA-seq normalization // Methods. 2014. Vol. 67. No. 3. P. 354-363.Bamford S., Dawson E., Forbes S., Clements J., Pettett R., Dogan A., Flanagan A., Teague J., Futreal P. A., Stratton M. R., Wooster R. The COSMIC (Catalogue of Somatic Mutations in Cancer) database and website // Br. J. Cancer. 2004. Vol. 91. No. 2. P. 355-358.Bamford S., Dawson E., Forbes S., Clements J., Pettett R., Dogan A., Flanagan A., Teague J., Futreal P. A., Stratton M. R., Wooster R. The COSMIC (Catalogue of Somatic Mutations in Cancer) database and website // Br. J. Cancer. 2004. Vol. 91. No. 2. P. 355-358.Inoue K., Fry E. A. Aberrant splicing of estrogen receptor, HER2, and CD44 genes in breast cancer // Genet. Epigenetics. 2015. Vol. 1. No. 7. P. 19-32.Inoue K., Fry E. A. Aberrant splicing of estrogen receptor, HER2, and CD44 genes in breast cancer // Genet. Epigenetics. 2015. Vol. 1. No. 7. P. 19-32.Oh J. J., Grosshans D. R., Wong S. G., Slamon D. J. Identification of differentially expressed genes associated with HER-2/neu overexpression in human breast cancer cells // Nucleic Acids Res. 1999. Vol. 27. No. 20. P. 4008-4017.Oh J. J., Grosshans D. R., Wong S. G., Slamon D. J. Identification of differentially expressed genes associated with HER-2/neu overexpression in human breast cancer cells // Nucleic Acids Res. 1999. Vol. 27. No. 20. P. 4008-4017.Van Meir E. G., Hadjipanayis C. G., Norden A. D., Shu H. K., Wen P. Y., Olson J. J. Exciting new advances in neuro-oncology: the avenue to a cure for malignant glioma // CA. Cancer J. Clin. 2010. Vol. 60. No. 3. P. 166-193.Van Meir E. G., Hadjipanayis C. G., Norden A. D., Shu H. K., Wen P. Y., Olson J. J. Exciting new advances in neuro-oncology: the avenue to a cure for malignant glioma // CA. Cancer J. Clin. 2010. Vol. 60. No. 3. P. 166-193.Kita D., Yonekawa Y., Weller M., Ohgaki H. PIK3CA alterations in primary (de novo) and secondary glioblastomas // Acta Neuropathol. 2007. Vol. 113. No. 3. P. 295-302.Kita D., Yonekawa Y., Weller M., Ohgaki H. PIK3CA alterations in primary (de novo) and secondary glioblastomas // Acta Neuropathol. 2007. Vol. 113. No. 3. P. 295-302.Ekstrand A. J., Sugawa N., James C. D., Collins V. P. Amplified and rearranged epidermal growth factor receptor genes in human glioblastomas reveal deletions of sequences encoding portions of the N- and/or C-terminal tails // Proc. Natl. Acad. Sci. 1992. Vol. 89. No. 10. P. 4309-4313.Ekstrand A. J., Sugawa N., James C. D., Collins V. P. Amplified and rearranged epidermal growth factor receptor genes in human glioblastomas reveal deletions of sequences encoding portions of the N- and/or C-terminal tails // Proc. Natl. Acad. Sci. 1992. Vol. 89. No. 10. P. 4309-4313.Hulleman E., Helin K. Molecular mechanisms in gliomagenesis // Adv. Cancer Res. 2005. Vol. 94. No. 1 (Suppl). P. 1-27.Hulleman E., Helin K. Molecular mechanisms in gliomagenesis // Adv. Cancer Res. 2005. Vol. 94. No. 1 (Suppl). P. 1-27.Gubanova N. V., Orlov Yu. L., Bragin A. O., Vasiliev G. V., Babenko V. N., Kovalev S. S., Gaytan A. S. Transcriptome profiling of primary glioma cell cultures // Proc. of MCCMB-2017, Moscow. ISBN 978-5-901158-30-2.Gubanova N. V., Orlov Yu. L., Bragin A. O., Vasiliev G. V., Babenko V. N., Kovalev S. S., Gaytan A. S. Transcriptome profiling of primary glioma cell cultures // Proc. of MCCMB-2017, Moscow. ISBN 978-5-901158-30-2.Брагин А. О., Губанова Н. В., Ковалев С. С., Бабенко В. Н., Орлов Ю. Л. Анализ альтернативного сплайсинга в глиомах с помощью секвенирования транскриптом // II Междунар. науч.-практ. конф. «NGS в медицинской генетике 2017»: Тез. докл. Суздаль, 2017. С. 25.Брагин А. О., Губанова Н. В., Ковалев С. С., Бабенко В. Н., Орлов Ю. Л. Анализ альтернативного сплайсинга в глиомах с помощью секвенирования транскриптом // II Междунар. науч.-практ. конф. «NGS в медицинской генетике 2017»: Тез. докл. Суздаль, 2017. С. 25.Gubanova N. V., Bragin A. O., Kovalev S. S., Medvedeva I. V., Babenko V. N., Gaytan A. S., Krivoshapkin A. L., Orlov Yu. L. Analysis of nuclear pore complex genes in glioblastoma by transcriptome profiling // Abstracts of Symposium «Cognitive Sciences, Genomics and Bioinformatics (CSGB-2016)» / Scientific Research Institute of Physiology and Basic Medicine. Novosibirsk, 2016. P. 21. ISBN 978-5-91291-029-6.Gubanova N. V., Bragin A. O., Kovalev S. S., Medvedeva I. V., Babenko V. N., Gaytan A. S., Krivoshapkin A. L., Orlov Yu. L. Analysis of nuclear pore complex genes in glioblastoma by transcriptome profiling // Abstracts of Symposium «Cognitive Sciences, Genomics and Bioinformatics (CSGB-2016)» / Scientific Research Institute of Physiology and Basic Medicine. Novosibirsk, 2016. P. 21. ISBN 978-5-91291-029-6.Ковалев С. С., Орлов Ю. Л., Леберфарб Е. Ю. Дифференциальная экспрессия и альтернативный сплайсинг в культурах клеток глиом по данным RNA-seq // Авиценна-2018: Сб. тез. докл. Новосибирск: Изд-во НГМУ, 2018.Ковалев С. С., Орлов Ю. Л., Леберфарб Е. Ю. Дифференциальная экспрессия и альтернативный сплайсинг в культурах клеток глиом по данным RNA-seq // Авиценна-2018: Сб. тез. докл. Новосибирск: Изд-во НГМУ, 2018.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.