Yeastract

Εισαγωγή

Η YEASTRACT βασίζεται σε περισσότερες από 1300 βιβλιογραφικές αναφορές. Περιλαμβάνει την περιγραφή 326 ειδικών θέσεων δέσμευσης DNA που μοιράζονται μεταξύ 113 χαρακτηρισμένων TF. Περαιτέρω πληροφορίες για κάθε γονίδιο ζυμομύκητα έχουν εξαχθεί από τη βάση δεδομένων σακχαρομύκητα ( Saccharomyces Genome Database -SGD) σύμφωνα με την τελευταία έκδοση, έκδοση 7785, από τις 27 Απριλίου 2013. Για κάθε γονίδιο, οι σχετικοί όροι της γονιδιακής οντολογίας ( Gene Ontology -GO) και η ιεραρχία τους στο GO, αποκτήθηκε από την κοινοπραξία GO σύμφωνα με το αρχείο OBO στις 04 Μαΐου 2013. Επί του παρόντος, το YEASTRACT διατηρεί συνολικά 7130 όρους από το GO. Οι νουκλεοτιδικές ακολουθίες του υποκινητή και οι περιοχές κωδικοποίησης για τα γονίδια ζυμομύκητα αποκτήθηκαν από τα εργαλεία ανάλυσης ρυθμιστικών ακολουθιών (Regulatory Sequence Analysis Tools -RSAT). Όλες οι πληροφορίες στο YEASTRACT ενημερώνονται τακτικά ώστε να ταιριάζουν με τα πιο πρόσφατα δεδομένα του SGD, της κοινοπραξίας GO, του RSAT και την πρόσφατη βιβλιογραφία επάνω στα ρυθμιστικά δίκτυα ζυμομύκητα.
Το YEASTRACT περιλαμβάνει το DISCOVERER, ένα σύνολο εργαλείων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον εντοπισμό σύνθετων μοτίβων που βρέθηκαν να υπερ-εκπροσωπούνται στις περιοχές του υποκινητή των συν-ρυθμιζόμενων γονιδίων. Το DISCOVERER βασίζεται στον αλγόριθμο MUSA. Αυτοί οι αλγόριθμοι παίρνουν ως είσοδο έναν κατάλογο γονιδίων και αναγνωρίζουν υπερ-εκπροσωπούμενα μοτίβα, τα οποία στη συνέχεια μπορούν να συγκριθούν με τις θέσεις δέσμευσης μεταγραφικών παραγόντων που περιγράφονται στη βάση δεδομένων YEASTRACT. Παρέχονται επίσης λειτουργίες που επιτρέπουν την εκμετάλλευση των δεδομένων που έχουν συλλεχθεί κατά την επίλυση ορισμένων βιολογικών ζητημάτων, όπως παρουσιάζονται στο εγχειρίδιο. 
Το YEASTRACT επιτρέπει την ταυτοποίηση τεκμηριωμένων ή δυνητικών ρυθμιστών μεταγραφής ενός δεδομένου γονιδίου και τεκμηριωμένων ή δυνητικών ρυθμιστών για κάθε μεταγραφικό παράγοντα. Επίσης καθιστά δυνατή τη σύγκριση μεταξύ μοτίβων DNA και θέσεων δέσμευσης μεταγραφικών παραγόντων που περιγράφονται στη βιβλιογραφία. Το σύστημα παρέχει επίσης έναν χρήσιμο μηχανισμό για την ομαδοποίηση μιας λίστας γονιδίων με βάση τις ρυθμιστικές τους συσχετίσεις με γνωστούς μεταγραφικούς παράγοντες όπως για παράδειγμα ένα σύνολο γονιδίων με παρόμοια προφίλ έκφρασης όπως προκύπτει από την ανάλυση μικροσυστοιχιών. 
Το YEASTRACT παρέχει μια σειρά από ερωτήματα για την αναζήτηση και την ανάκτηση σημαντικής βιολογικής πληροφορίας από τα δεδομένα που έχουν ληφθεί και την πρόβλεψη δικτύων ρυθμιστών μεταγραφής στον ζυμομύκητα από δεδομένα που προκύπτουν από την ανάλυση ‘’γονίδιο - γονίδιο’’ ή από σφαιρικές προσεγγίσεις.

Σημασία και ιδιότητες

Η YEASTRACT έγινε προσβάσιμη στο διαδίκτυο μετά από εκτεταμένες μελέτες των  θέσεων πρόσδεσης των μεταγραφικών παραγόντων. Όλες οι υπερ-συνδέσεις της βάσης περιλαμβάνουν βοήθεια εξαρτώμενη από το περιεχόμενο ενώ διαθέτει και ένα πλαίσιο που περιλαμβάνει παραδείγματα της χρήσης κάθε εργαλείου αναζήτησης. Επίσης διαθέτει ένα πλήρες πρόγραμμα εκμάθησης της χρήσης του συστήματος.

Τοπολογία των γενετικών ρυθμιστικών δικτύων στον ζυμομύκητα

Η βάση δεδομένων YEASTRACT περιλαμβάνει πληροφορίες για τα δίκτυα ρύθμισης των γονιδίων στους ζυμομύκητες. Η δομή της βάσης οργανώνετε γύρω από τις έννοιες των γονιδίων, των πρωτεϊνών (μεταγραφικοί παράγοντες) και των  θέσεων πρόσδεσής τους πάνω στα γονίδια. Οι παραπάνω αλληλεπιδράσεις μεταξύ των μεταγραφικών παραγόντων και των γονιδίων στόχων τους μπορεί απεικονισθούν ως κατευθυνόμενα γραφήματα, τα οποία περιγράφουν πιθανά «μονοπάτια» που πραγματοποιούνται μέσα στα κύτταρα του ζυμομύκητα.  Σε αυτά οι ρυθμιστές και τα γονίδια στόχοι εκπροσωπούν τους κόμβους και οι ρυθμιστικές αλληλεπιδράσεις τις ακμές. Το δίκτυο που προκύπτει είναι ένα πολύπλοκο σύστημα που μπορεί να εξεταστεί σε τέσσερα επίπεδα.

Δομή των δικτύων

Στο πιο βασικό επίπεδο, τα δίκτυο αποτελείται από ένα σύνολο από μεταγραφικών παραγόντων και γονιδίων στόχων που βρίσκονται κάτω από τις θέσεις δέσμευσης των παραγόντων κατά μήκος της DNA αλυσίδας (downstream target genes) καθώς και τις θέσεις δέσμευσης τους στο DNA. Στο επόμενο επίπεδο, αυτές οι βασικές μονάδες οργανώνονται σε επαναλαμβανόμενα μοτίβα διασυνδέσεων των κόμβων και λέγονται μοτίβα δικτύων (network motifs) και τα οποία εμφανίζονται συχνά σε ολόκληρο το δίκτυο. Σε τρίτο επίπεδο τα μοτίβα ομαδοποιούνται σε «ημι-ανεξάρτητες» μεταγραφικές μονάδες που ονομάζονται modules. Στο τελευταίο επίπεδο δόμησης κατά το οποίο οικοδομείται όλο το ρυθμιστικό δίκτυο και αποτελείται από αλληλεπιδράσεις μεταξύ των modules.
Τα λειτουργικά μοτίβα που περιγράφονται παρακάτω αποτελούν μοντέλα μηχανισμών για την ρύθμιση γονιδίων του ζυμομύκητα, τα οποία έχουν επίσης ελεγχθεί με πειραματικά δεδομένα:

Μοτίβο αυτορρύθμισης (auto-regulation motif)

Αποτελείται από ένα ρυθμιστή που προσδένεται στην περιοχή του υποκινητή του γονιδίου. Το συγκεκριμένο μοτίβο έχει παρουσιαστεί στο 10% των ρυθμιστών της έκφρασης γονιδίων του ζυμομύκητα . Η αυτορρύθμιση πιστεύεται ότι παρέχει αρκετά πλεονεκτήματα στην επιλεκτική ανάπτυξη, περιλαμβανομένου τον μειωμένο χρόνο απόκριση σε περιβαλλοντικά ερεθίσματα, μειωμένο κόστος στην ρύθμιση της βιοσύνθεσης και στην αυξημένη σταθερότητα της γονιδιακής έκφρασης.

Μοτίβο πολυσύνδετου βρόχου (multicomponent loop motif)

Αποτελείται από ένα ρυθμιστικό κύκλωμα του οποίου το κλείσιμο περιλαμβάνει δυο ή περισσότερους παράγοντες. Η δομή του κλειστού βρόχου παρέχει την ικανότητα ελέγχου ανατροφοδότησης και την δυνατότητα δημιουργίας δυναμικών συστημάτων που μεταβάλλονται μεταξύ των εναλλακτικών τους καταστάσεων.

Μοτίβα μοναδιαίων εισερχόμενων δεδομένων (single-input motifs)

Aποτελούνται από ένα μοναδιαίο ρυθμιστή που δεσμεύει μια ομάδα γονιδίων κάτω από συγκεκριμένες περιβαλλοντικές συνθήκες. Τα μοτίβα αυτά είναι χρήσιμα για τον συντονισμό διακριτών μονάδων βιολογικής λειτουργίας, όπως ομάδες γονιδίων που κωδικοποιούν υπομονάδες ενός βιοσυνθετικού μηχανισμού ή ενός ενζύμου ή ενός μεταβολικού μονοπατιού.

Μοτίβα αλυσιδωτής ρύθμισης (Regulator chain motifs)

Aποτελούνται από τρεις ή περισσότερους ρυθμιστές όπου ο πρώτος ρυθμιστής προσδένεται στον υποκινητή του δεύτερου ρυθμιστή, ο δεύτερος ρυθμιστής στον υποκινητή του τρίτου κ.ο.κ. . Η αλυσίδα αντιπροσωπεύει το απλούστερο λογικό κύκλωμα για την τοποθέτηση των μεταγραφικών παραγόντων σε μια χρονική ακολουθία.

Μοτίβα ανατροφοδοτούμενων βρόχων (Feedforward loop motifs)

Aποτελούνται από ένα ρυθμιστή που ελέγχει τον δεύτερο ρυθμιστή ενώ και οι δύο διαθέτουν επιπλέον χαρακτηριστικά για δέσμευση σε κοινό γονίδιο στόχο. Φαίνεται πως κατά την εξέλιξη των μεταγραφικών ρυθμιστικών δικτύων (Gene Regulatory Network -GNR) στo ζυμομύκητα, παρουσιάστηκε μια υψηλή προτίμηση στην αρχιτεκτονική των μοτίβων feedforward loop.

Μοτίβα πολλαπλών εισερχόμενων δεδομένων (multi-input motifs)

Aποτελούνται από μια ομάδα ρυθμιστών που προσδένονται μαζί σε μια ομάδα γονιδίων. Προσφέρει την δυνατότητα συντονισμού γονιδιακής έκφρασης μέσα σε μια ευρεία ποικιλία αναπτυξιακών συνθηκών.

Μελλοντικές εξελίξεις

Όλα τα προηγούμενα και ανανεωμένα ρυθμιστικά δεδομένα σχετικά με το YEASTRACT συνεχίζουν να παρέχονται από ένα σύνολο πόρων διαδικτυακών υπηρεσιών που είναι προσβάσιμοι μέσω ενός API RESTful Application Programming Interface. Αυτό το API παρέχει στους χρήστες τη δυνατότητα να έχουν πρόσβαση στο YEASTRACT ανάλογα με τις συγκεκριμένες ανάγκες τους, αναπτύσσοντας έναν κώδικα από την πλευρά του πελάτη για την αναζήτηση, διερεύνηση και ανάκτηση των επιμελημένων δεδομένων. Παρόλο που ο κανονισμός των υπηρεσιών ιστού είναι σε θέση να ανακτήσει όλα τα ανανεωμένα δεδομένα, δεν παρέχει πληροφόρηση σχετικά με τις περιβαλλοντικές συνθήκες και τον τύπο σύνδεσης, καθώς τα πεδία αποτελεσμάτων API δεν υπέστησαν καμία αλλαγή.
Η ομάδα YEASTRACT δεσμεύεται να συνεχίσει να προσφέρει ανανεωμένη, έγκυρη και πλήρη πληροφόρηση σχετικά με τον τομέα της μεταγραφικής ρύθμισης στο ζυμομύκητα στην διεθνή κοινότητα της ζύμης και τους βιολόγους συστημάτων.
Επιπλέον, οι συνεχείς βελτιώσεις των παρεχόμενων εργαλείων θα διατεθούν, απαντώντας στα αιτήματα και τις ανάγκες των χρηστών του. Ιδιαίτερη εστίαση θα δοθεί στο μέλλον στην επέκταση της βάσης δεδομένων στο S. cerevisiae “παν-γονιδιώματος” ( pan-genome) και σε άλλες ζυμομύκητες του βιοιατρικού και βιοτεχνολογικού ενδιαφέροντος, σε μια συγκριτική γονιδιωματική προσέγγιση. 
Ακολουθώντας τη δομή που χρησιμοποιήθηκε στην βάση δεδομένων YEASTRACT έχει παρουσιαστεί το PathoYeastract (Pathogenic Yeast Search for Transcriptional Regulators And Consensus Tracking) που αποτελεί ένα εργαλείο για την ανάλυση και την πρόβλεψη συνδέσμων μεταγραφικής ρύθμισης στα γονιδιακά και γονιδιωματικα επίπεδα στoυς παθογόνους ζυμομύκητες Candida albicans και C. glabrata.
Μετά την ανάκτηση δεδομένων από εκατοντάδες δημοσιεύσεις η βάση δεδομένων περιλαμβάνει σήμερα 28.000 μοναδικές τεκμηριωμένες ρυθμιστικές συσχετίσεις μεταξύ των μεταγραφικών παραγόντων (TF) και των γονιδίων- στόχων και 107 θέσεις δέσμευσης DNA, λαμβάνοντας υπόψιν 134 μεταγραφικών παραγόντων και από τα δύο είδη.
Σύμφωνα με τη δομή που χρησιμοποιείται στη βάση δεδομένων YEASTRACT, στο PathoYeastract διατίθονται εργαλεία βιοπληροφορικής που επιτρέπουν στο χρήστη να εκμεταλλευτεί τις υπάρχουσες πληροφορίες για την πρόβλεψη των μεταγραφικών παραγόντων που εμπλέκονται στη ρύθμιση μιας γονιδιακής ή γονιδιωματικής μεταγραφικής απόκρισης, καθώς ταξινομούν αυτούς τους μεταγραφικούς παράγοντες ανάλογα με τη σχετική σημασία τους.

Σύνδεσμοι

yeastract