In silico approach to study and functionally analyze interferon regulated genes

Abstract

Finding genes which have biologically meaningful ISRE (interferon-stimulated response element) is important for better understanding of the Jak-STAT activated cellular IFN response. We used transcription factor binding site (TFBS) search with gene orthology filtering to find putative ISREs in the promoters of protein-coding genes of Rattus norvegicus, and used Gene Ontology (GO) analysis to check the validity of ISRE search results in terms of biological meaning. A total of 23286 promoters of rat genes were analyzed. ISRE search with 80 % threshold produced 5214 sites in 4571 promoters. 850 ISREs in 768 promoters passed orthology filtering. Distribution of ISREs along the promoter in 768-gene set reveals 3 regions of ISRE localization: 0 to –250, –250 to –550, and above –550 relative to TSS (transcription start site). It is not yet known whether ISRE localization has any functional implications. Using BayGO, a total of 84 GO terms were found to be enriched at P < 0.05 in the 768-gene set. Among these categories some are directly related to known IFN actions (positive regulation of B cell differentiation, humoral immune response, response to virus, cell differentiation etc.). 768 gene set was compared to the 4571 gene set using GO Tree Machine. Such categories as cell differentiation, cell cycle, regulation of cell cycle, viral life cycle and some others were found to be enriched, and belong to the well-known domains of interferon actions. Their relative enrichment is an indirect indication that the applied orthology filtering does increase the quality of results. Gene orthology-based filtering of the initial TFBS search results was shown to produce viable and expected results. Genes identified in this research as containing ISRE in promoters will be used to seed the construction of the IFN-a-induced gene regulatory network.

Пошук генів, які містять у промоторі біологічно значущий сайт ISRE (interferon-stimulated response element), необхідний для вдосконалення сучасних уявлень про опосередковану Jak-STAT стимуляцію клітин інтерфероном. Для виявлення імовірних ISRE у промоторах кодуючих білок генів Rattus norvegicus використано метод пошуку сайтів зв’язування із додатковим відбором результатів за наявнiстю сайта в промоторах мишачих генів-ортологів. Придатність методу пошуку ISRE з точки зору біологічної значущості перевіряли за допомогою функціонального аналізу виявлених генів з використанням GO (Gene Ontology). Проаналізовано 23286 промоторів генів щура. Пошук ISRE з порогом подібності 80 % виявив 5214 сайтів у 4571 промоторі. Після відбору за ортологією отримано 850 елементів ISRE у 768 промоторах. У розташуванні знайдених ISRE можна виділити три основні ділянки: від 0 до –250, від –250 до –550 та вище за –550-ту позицію відносно точки початку транскрипції. Поки незрозуміло, чи пов’язані між собою розташування ISRE та його функції. Використовуючи BayGO, у групі із 768 генів виявлено 84 відносно збагачені категорії GO з Р < 0,05. Деякі з цих категорій належать до відомих ефектів інтерферону (позитивна регуляція диференціації B-клітин, гуморальна імунна відповідь, відповідь на вірус, клітинна диференціація тощо). За допомогою GO Tree Machine порівняно функціональні категорії в групах із 768 та 4571 гена. Такі функціональні категорії, як клітинна диференціація, клітинний цикл, регуляція клітинного циклу, вірусний життєвий цикл та деякі інші, належать до відомих мішеней інтерферону. Їхнє відносне збагачення після відбору за ортологією є непрямим доказом того, що застосування зазначеного підходу дає змогу підвищити якість результатів. У цілому пошук сайта зв’язування із наступним відбором за ортологією дозволив отримати значущі та очікувані результати. Гени, у промоторах яких знайдено ділянку ISRE, стануть підгрунтям для створення мережі генної регуляції, стимульованої інтерфероном.

Поиск генов, содержащих в промоторе биологически значимый сайт ISRE (interferon-stimulated response element), является важной частью дальнейшего изучения опосредованной Jak-STAT стимуляции клеток интерфероном. Для определения вероятных ISRE в промоторах кодирующих белок генов Rattus norvegicus мы использовали метод поиска сайтов связывания с дополнительным отбором результатов по признаку наличия сайта в промоторе мышиных генов-ортологов. Пригодность метода поиска ISRE с точки зрения биологического значения проверяли с помощью функционального анализа найденных генов с использованием онтологии генов (GO, Gene Ontology). При анализе 23286 промоторов генов крысы с порогом сходства с матрицей ISRE 80 % выявлены 5214 сайтов в 4571 промоторе. Отбор по ортологии прошли 850 ISRE в 768 промоторах. В расположении обнаруженных элементов ISRE можно выделить три основных участка: от 0 до –250, от –250 до –550 и выше –550 относительно точки начала транскрипции. Пока не понятно, есть ли связь между расположением ISRE и его функцией. Используя BayGO, в группе из 768 генов вычислены 84 обогащенные категории GO при Р < 0,05. Некоторые из этих категорий непосредственно связаны с известными эффектами интерферона (позитивная регуляция дифференциации B-клеток, гуморальный иммунный ответ, ответ на вирус, клеточная дифференциация и др.). При помощи GO Tree Machine мы сравнили функциональные категории в группах из 768 и 4571 гена. Такие функциональные категории, как клеточная дифференциация, клеточный цикл, регуляция клеточного цикла, жизненный цикл вирусов и некоторые другие, принадлежат к известным мишеням интерферона. Их относительное обогащение после отбора по признаку ортологии является косвенным доказательством того, что применение отбора по ортологии позволяет улучшить качество полученных результатов. В целом поиск сайта связывания с последующим отбором по признаку ортологии позволил получить значимые и ожидаемые результаты. Гены, в промоторах которых найден сайт ISRE, будут использованы для для создания сети генной регуляции, стимулируемой интерфероном.