Целью исследования было выявление и анализ паттернов суточной динамики экспрессии генов, различающихся по форме кривой. Можно ожидать, что сходство паттернов суточной экспрессии генов (формы кривой) является отражением синхронизации экспрессии генов общими внешними и внутренними сигналами или участия в сходных биологических процессах. Разные сигналы, имеющие суточную динамику (свет, активность, питание, стресс, температура и т. д.), могут воздействовать на разные уровни регуляции экспрессии, что может проявляться в различной форме паттернов суточной экспрессии генов. Работа выполнена с использованием экспериментальных данных по экспрессии генов на уровне трансляции (профилирование рибосом) в печени и почках мыши (GSE67305 и GSE81283). Для выявления генов с суточным ритмом экспрессии был использован однофакторный дисперсионный анализ. Предложен подход к выявлению сходных по форме кривых суточной динамики экспрессии генов на основе кластерного анализа. Расстояние между генами рассчитывалось путем выравнивания фаз и поиска максимальной по циклическому сдвигу кросскорреляции между паттернами суточной экспрессии этих генов. Данный подход позволил выявить гены, имеющие не только паттерны экспрессии с одним максимумом (синусоидальные, асимметричные со смещением влево или вправо, импульсные), но и сложные композитные сигналы с несколькими экстремумами. В результате впервые выявлены группы генов, объединенных по сходству формы кривой суточной экспрессии, без учета их фазовых характеристик. Функциональный анализ обогащения терминами генной онтологии групп генов с резко различающимися паттернами суточной экспрессии (синусоидальными и импульсными) в почках и печени мыши показал, что группа генов с синусоидальным паттерном суточной экспрессии в большей мере ассоциирована с регуляцией циркадного ритма и метаболизма. Группа генов с импульсным паттерном суточной экспрессии в значительной степени связана с защитными функциями организма, требующими формирования быстрого ответа. Показана информативность анализа динамических паттернов кривых суточной динамики экспрессии генов для функционального описания генов. Выделенные динамические паттерны суточной экспрессии имеют большое значение для дальнейшего изучения сложной циркадной регуляции, синхронизации и взаимодействия биологических процессов с суточной динамикой в организме млекопитающих.
The purpose of the study is to identify and analyze patterns of the diurnal dynamics of the expression of genes that differ in the shape of the curve. It can be expected that the similarity of the patterns of daily expression (shape of the curve) of genes is a reflection of the synchronization of gene expression by common external and internal signals or participation in similar biological processes. Different signals that have daily dynamics (light, activity, nutrition, stress, temperature, etc.) can affect different levels of expression regulation, which can be manifested in various forms of patterns of daily gene expression. In our research, we used experimental data on gene expression at the level of translation (ribosome profling) in the liver and kidney of a mouse (GSE67305 and GSE81283). To identify genes with a daily rhythm of expression, we used a oneway analysis of variance. To identify similarinshape curves of the daily dynamics of gene expression, we propose an approach based on cluster analysis. The distance between the genes was calculated by aligning the phases and fnding the maximum crosscorrelation between the patterns of the daily expression of these genes by the cyclic shift. This approach allowed us to identify genes that have not only expression patterns with a single maximum (sinusoidal, asymmetrical, shifted to the left or right, pulsed), but also complex composite signals with several extremes. As a result, the groups of genes united by the similarity of the shape of the daily expression curve without regard to their phase characteristics were identifed. GO enrichment analysis of groups of genes with sharply different patterns of daily expression (sinusoidal and pulsed) in the mouse kidneys and liver showed that the group of genes with a sinusoidal pattern was more associated with regulation of circadian rhythm and metabolism. The group of genes with a pulsed pattern is largely associated with the protective functions of the organism, which require the quick response. Thus, our studies have confrmed the effectiveness of the proposed approach to the analysis of the diurnal dynamics of gene expression. The identifed dynamic patterns of diurnal expression are important for the further study of complex circadian regulation, synchronization and interaction of biological processes with diurnal dynamics in mammals.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.