Integration von Bioinformatik-Ansätzen und experimentellen Validierungen, um die Rolle der Notch-Signalisierung bei Eierstockkrebs zu verstehen
Summary
Bioinformatik ist eine nützliche Möglichkeit, große Datensätze zu verarbeiten. Durch die Umsetzung von Bioinformatik-Ansätzen können Forscher schnell, zuverlässig und effizient aufschlussreiche Anwendungen und wissenschaftliche Entdeckungen erhalten. Dieser Artikel zeigt den Einsatz von Bioinformatik in der Eierstockkrebsforschung. Es validiert auch erfolgreich bioinformatische Erkenntnisse durch Experimente.
Abstract
Notch-Signalisierung ist ein hochkonservierter regulatorischer Weg, der an vielen zellulären Prozessen beteiligt ist. Dysregulation dieses Signalwegs führt oft zu Störungen in der richtigen Entwicklung und kann in bestimmten Fällen sogar zur Einleitung oder Progression von Krebs führen. Da dieser Weg komplexen und vielseitigen Funktionen dient, kann er durch viele verschiedene Ansätze ausgiebig untersucht werden. Davon bietet die Bioinformatik eine unbestreitbar kosteneffiziente, ansprechbare und benutzerfreundliche Methode. Bioinformatik ist eine nützliche Möglichkeit, kleinere Informationen aus großen Datensätzen zu extrahieren. Durch die Implementierung verschiedener Bioinformatik-Ansätze können Forscher diese großen Datensätze schnell, zuverlässig und effizient interpretieren und so aufschlussreiche Anwendungen und wissenschaftliche Entdeckungen liefern. Hier wird ein Protokoll zur Integration von bioinformatischen Ansätzen vorgestellt, um die Rolle der Notch-Signalisierung bei Eierstockkrebs zu untersuchen. Darüber hinaus werden bioinfordische Erkenntnisse durch Experimente validiert.
Introduction
Der Notch-Signalweg ist ein hochkonservierter Weg, der für viele Entwicklungsprozesse innerhalb biologischer Organismen wichtig ist. Kerb-Signalisierung hat gezeigt, dass eine bedeutende Rolle bei der Zellproliferation und Selbsterneuerung zu spielen, und Defekte in der Kerb Signalweg kann zu vielen Arten von Krebs1,2,3,4,5,6führen. Unter bestimmten Umständen wurde der Notch-Signalweg sowohl mit Gewebewachstum und Krebs als auch mit Zelltod und Tumorsuppression in Verbindung gebracht7. Multiple Notch-Rezeptoren (NOTCH 1-4) und Co-u2012-Aktivativator Mastermind (MAML 1-3), alle mit unterschiedlichen Funktionen, fügen eine zusätzliche Komplexität hinzu. Während der Notch-Signalweg in Bezug auf Funktionen ausgeklügelt ist, ist sein Kernweg auf molekularer Basis einfach8. Notch-Rezeptoren fungieren als Transmembranproteine, die aus extrazellulären und intrazellulären Regionen bestehen9. Eine Ligandenbindung an die extrazelluläre Region der Notch-Rezeptoren erleichtert die proteolytische Spaltung, wodurch die Kerb-Intrazelluläre Domäne (NICD) in den Zellkern freigesetzt werden kann. NICD bindet dann an co-u2012activator Mastermind, um die nachgeschaltete Genexpression10zu aktivieren.
In den letzten Jahren hat sich gezeigt, dass Notch-Signalisierung eine Vielzahl von Rollen bei der Initiierung und dem Fortschreiten verschiedener Krebsarten bei verschiedenen Arten von Krebs arten6,11spielt. Zum Beispiel wurde Notch-Signalisierung mit Tumorigenese unter Einbeziehung des menschlichen NOTCH1-Gens 12in Verbindung gebracht. Kürzlich wurden die NotCH2, NOTCH3, Delta-like 3 (DLL3), Mastermind-u2012like Protein 1 (MAML1), und eine Disintegrin und Metalloproteinase Domain-u2012enthaltende Protein 17 (ADAM17) Gene gezeigt, stark mit Eierstockkrebs verbunden sein, vor allem mit dem schlechten Gesamtüberleben der Patienten13.
Da die Menge an experimentellen und patientenassoziierten Daten kontinuierlich zunimmt, steigt auch die Nachfrage nach Deranalyse der verfügbaren Daten. Die verfügbaren Daten sind über Veröffentlichungen verstreut und können zu inkonsistenten oder sogar widersprüchlichen Ergebnissen führen. Mit der Entwicklung neuer Technologien in den letzten Jahrzehnten, wie z. B. der Sequenzierung der nächsten Generation, ist die Menge der verfügbaren Daten exponentiell gewachsen. Obwohl dies einen raschen Fortschritt in der Wissenschaft und Möglichkeiten für eine fortsetzung der biologischen Forschung darstellt, ist die Bewertung der Bedeutung öffentlich verfügbarer Daten zur Lösung von Forschungsfragen eine große Herausforderung14. Wir glauben, dass Bioinformatik eine nützliche Möglichkeit ist, kleinere Informationen aus großen Datensätzen zu extrahieren. Durch die Implementierung verschiedener Bioinformatik-Ansätze können Forscher diese großen Datensätze schnell, zuverlässig und effizient interpretieren und so aufschlussreiche Entdeckungen liefern. Diese Entdeckungen können von der Identifizierung potenzieller neuer drogentherapeutischer Ziele oder Krankheitsbiomarker bis hin zu personalisierten Patientenbehandlungen15,16reichen.
Die Bioinformatik selbst entwickelt sich rasant, und die Ansätze verändern sich ständig, während der technologische Fortschritt die medizinische und biologische Wissenschaft durchzieht. Derzeit umfassen gängige Bioinformatik-Ansätze die Nutzung öffentlich zugänglicher Datenbanken und Softwareprogramme, um DNA- oder Proteinsequenzen zu analysieren, Gene von besonderer Relevanz oder Bedeutung zu identifizieren und die Relevanz von Genen und Genprodukten durch funktionelle Genomik zu bestimmen16. Obwohl der Bereich der Bioinformatik sicherlich nicht auf diese Ansätze beschränkt ist, sind diese für die Unterstützung von Ärzten und Forschern bei der Verwaltung biologischer Daten zum Nutzen der Patienten insgesamt von Bedeutung.
Diese Studie zielt darauf ab, mehrere wichtige Datenbanken und deren Verwendung für die Forschung über den Notch-Signalweg hervorzuheben. ALS Beispiele für die Datenbankstudie wurden NOTCH2, NOTCH3und ihr Co-u2012-Aktivativator MAML1 verwendet. Diese Gene wurden verwendet, weil die Bedeutung des Notch-Signalwegs bei Eierstockkrebs validiert wurde. Systematische Analysen der abgerufenen Daten bestätigten die Bedeutung der Notch-Signalisierung bei Eierstockkrebs. Darüber hinaus, weil Notch Signalisierung ist gut konserviert über Arten, Es wurde bestätigt, dass Überexpression von Drosophila melanogaster NICD und Mastermind zusammen Tumoren in Drosophila Eierstöcke induzieren können, Unterstützung der Datenbank Ergebnisse und die signifikante und konservierte Rolle der Notch Signalisierung bei Eierstockkrebs.
Protocol
Representative Results
Discussion
Da es unzählige Ansätze und Methoden für den Einsatz von Bioinformatik gibt, stehen der breiten Öffentlichkeit zahlreiche Datenbanken online zur Verfügung. Aus jeder dieser Datenbanken kann eine Fülle von Informationen extrahiert werden, aber einige eignen sich am besten für bestimmte Zwecke, wie z. B. die Beurteilung des Überlebens von Patienten auf der Grundlage bestimmter Inputs. Systematische Analysen von abgerufenen Daten aus verschiedenen einzelnen Datenbanken können überzeugende wissenschaftliche Erkennt…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde unterstützt durch Start-Up Funding, College of Science and Mathematics Research Grant, Summer Research Session Award und Research Seed Funding Award der Georgia Southern University.
Materials
| DAPI (4',6-Diamidino-2-Phenylindole, Dihydrochloride) | Invitrogen | D1306 | 1:1000 Dilution |
| PBS, Phosphate Buffered Saline, 10X Powder, pH 7.4 | ThermoFisher | FLBP6651 | Dissolved with ddH2O to make 1X PBS |
| Goat serum | Gibco | 16210064 | Serum |
| Embryo dish | Electron Microscopy Sciences | 70543-45 | Dissection Dish |
| Nutating mixers | Fisherbrand | 88861041 | Nutator |
| tj-Gal4, Gal80ts/ CyO; UAS-NICD-GFP/ TM6B | Dr. Wu-Min Deng at Florida State University | N/A | Fly stock |
| w*; UAS-mam.A | Bloomington Drosophila Stock Center | #27743 | Fly stock |
| w[1118] | Bloomington Drosophila Stock Center | #5905 | Fly stock |
| The PRECOG portal | Stanford University | precog.stanford.edu | Publicly accessible database of cancer expression datasets |
| CSIOVDB | Cancer Science Institute of Singapore | csibio.nus.edu.sg/CSIOVDB/CSIOVDB.html | Microarray database used to study ovarian cancer |
| The Gene Expression across Normal and Tumor tissue (GENT) Portal | Korea Research Institute of Bioscience and Biotechnology (KRIBB) | medical–genome.kribb.re.kr/GENT | Publicly accessible database of gene expression data across diverse tissues, divided into tumor and normal tissues. |
| Broad Institute Cancer Cell Line Encyclopedia (CCLE) | Broad Institute and The Novartis Institutes for BioMedical Research | portals.broadinstitute.org/ccle | Provides genomic profiles and mutations of human cancer cell lines |
| cBioPortal | Memorial Sloan Kettering Cancer Center (MSK) | cioportal.org | Portal that allows researchers to search for genetic alterations and signaling networks |
| Zeiss 710 Inverted confocal microscope | Carl Zeiss | ID #M 210491 | Examination and image collection of fluorescently labeled specimens |
References
- Bocchicchio, S., Tesone, M., Irusta, G. Convergence of Wnt and Notch signaling controls ovarian cancer cell survival. Journal of Cellular Physiology. , (2019).
- Hibdon, E. S., et al. Notch and mTOR Signaling Pathways Promote Human Gastric Cancer Cell Proliferation. Neoplasia. 21 (7), 702-712 (2019).
- Kucukkose, C., Yalcin Ozuysal, O. Effects of Notch signalling on the expression of SEMA3C, HMGA2, CXCL14, CXCR7, and CCL20 in breast cancer. Turkish Journal of Biology. 43 (1), 70-76 (2019).
- Lan, G., et al. Notch pathway is involved in the suppression of colorectal cancer by embryonic stem cell microenvironment. OncoTargets and Therapy. 12, 2869-2878 (2019).
- Lian, H., et al. Notch signaling promotes serrated neoplasia pathway in colorectal cancer through epigenetic modification of EPHB2 and EPHB4. Cancer Management and Research. 10, 6129-6141 (2018).
- Salazar, J. L., Yamamoto, S. Integration of Drosophila and Human Genetics to Understand Notch Signaling Related Diseases. Advances in Experimental Medicine and Biology. 1066, 141-185 (2018).
- Bray, S. J. Notch signalling in context. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 17 (11), 722-735 (2016).
- Andersson, E. R., Sandberg, R., Lendahl, U. Notch signaling: simplicity in design, versatility in function. Development. 138 (17), 3593-3612 (2011).
- Brou, C., et al. A novel proteolytic cleavage involved in Notch signaling: the role of the disintegrin-metalloprotease TACE. Molecular Cell. 5 (2), 207-216 (2000).
- Oswald, F., et al. p300 acts as a transcriptional coactivator for mammalian Notch-1. Molecular and Cellular Biology. 21 (22), 7761-7774 (2001).
- Xiu, M. X., Liu, Y. M. The role of oncogenic Notch2 signaling in cancer: a novel therapeutic target. American Journal of Cancer Research. 9 (5), 837-854 (2019).
- Allenspach, E. J., Maillard, I., Aster, J. C., Pear, W. S. Notch signaling in cancer. Cancer Biololgy & Therapy. 1 (5), 466-476 (2002).
- Jia, D., Underwood, J., Xu, Q., Xie, Q. NOTCH2/NOTCH3/DLL3/MAML1/ADAM17 signaling network is associated with ovarian cancer. Oncology Letters. 17 (6), 4914-4920 (2019).
- Weng, J. T., et al. Novel bioinformatics approaches for analysis of high-throughput biological data. Biomed Research International. 2014, 814092 (2014).
- Readhead, B., Dudley, J. Translational Bioinformatics Approaches to Drug Development. Advances in Wound Care (New Rochelle). 2 (9), 470-489 (2013).
- Bayat, A. Science, medicine, and the future: Bioinformatics. BMJ. 324 (7344), 1018-1022 (2002).
- Gentles, A. J., et al. The prognostic landscape of genes and infiltrating immune cells across human cancers. Nature Medicine. 21 (8), 938-945 (2015).
- Tan, T. Z., et al. CSIOVDB: a microarray gene expression database of epithelial ovarian cancer subtype. Oncotarget. 6 (41), 43843-43852 (2015).
- Shin, G., et al. GENT: gene expression database of normal and tumor tissues. Cancer Informatics. 10, 149-157 (2011).
- Barretina, J., et al. The Cancer Cell Line Encyclopedia enables predictive modelling of anticancer drug sensitivity. Nature. 483 (7391), 603-607 (2012).
- Gao, J. J., et al. Integrative Analysis of Complex Cancer Genomics and Clinical Profiles Using the cBioPortal. Science Signaling. 6 (269), (2013).
- Cerami, E., et al. The cBio Cancer Genomics Portal: An Open Platform for Exploring Multidimensional Cancer Genomics Data. Cancer Discovery. 2 (5), 401-404 (2012).
- McGuire, S. E., Mao, Z., Davis, R. L. Spatiotemporal gene expression targeting with the TARGET and gene-switch systems in Drosophila. Science’s STKE. 2004 (220), 6 (2004).
- Jia, D., Huang, Y. C., Deng, W. M. Analysis of Cell Cycle Switches in Drosophila Oogenesis. Methods in Molecular Biology. 1328, 207-216 (2015).
- Lo, P. K., Huang, Y. C., Corcoran, D., Jiao, R., Deng, W. M. Inhibition of Notch signaling by the p105 and p180 subunits of Drosophila chromatin assembly factor 1 is required for follicle cell proliferation. Journal of Cell Science. 132 (2), (2019).
- Keller Larkin, M., et al. Role of Notch pathway in terminal follicle cell differentiation during Drosophila oogenesis. Development Genes and Evolution. 209 (5), 301-311 (1999).
- Sun, J., Deng, W. M. Notch-dependent downregulation of the homeodomain gene cut is required for the mitotic cycle/endocycle switch and cell differentiation in Drosophila follicle cells. Development. 132 (19), 4299-4308 (2005).
- Jia, D., et al. A large-scale in vivo RNAi screen to identify genes involved in Notch-mediated follicle cell differentiation and cell cycle switches. Scientific Reports. 5, 12328 (2015).
- Shcherbata, H. R., Althauser, C., Findley, S. D., Ruohola-Baker, H. The mitotic-to-endocycle switch in Drosophila follicle cells is executed by Notch-dependent regulation of G1/S, G2/M and M/G1 cell-cycle transitions. Development. 131 (13), 3169-3181 (2004).
