Une nouvelle étude publiée sur medRxiv* le serveur de préimpression applique MAGICAL pour identifier les circuits de régulation de réponse modulée de l’hôte en réponse à Staphylococcus aureus. S. aureus est une bactérie majoritairement résistante aux antibiotiques traditionnels ; par conséquent, l’infection par ce pathogène est souvent grave et associée à des taux de mortalité élevés. En tant qu’approche bayésienne hiérarchique, MAGICAL cartographie les facteurs de transcription associés à la maladie, les sites de chromatine et les gènes en tant que circuits de régulation basés sur des données appariées d’ARN-seq et d’ATAC-seq.
L’équipe de chercheurs de partout aux États-Unis visait également à différencier les réponses du circuit aux substances sensibles à la méthicilline (MSSA) et résistantes à la méthicilline. S. aureus (SARM).
Étude: Cartographier les circuits de régulation des maladies à une résolution de type cellulaire à partir de données multiomiques unicellulaires. Crédit d’image : Chasseur de pixels / Shutterstock.com
Sommaire
C’est quoi MAGIQUE ?
Les circuits de régulation peuvent être formés par des gènes cibles en aval, des facteurs de transcription et des domaines de régulation de la chromatine. La dérégulation de ces circuits se produit dans des types de cellules spécifiques au cours d’états pathologiques.
L’impact de la maladie sur les circuits de régulation peut être déterminé en cartographiant les domaines de régulation avec des changements d’accessibilité de la chromatine à l’expression génique altérée concernant la résolution du type cellulaire et le bouclage génomique.
L’identification des gènes exprimés de manière différentielle et des sites de chromatine différentiels dans les types de cellules individuelles s’est améliorée à l’aide de données unicellulaires qui caractérisent les états pathologiques. Cependant, les approches actuelles ne peuvent pas résoudre les changements de régulation à haute résolution dans les types de cellules individuelles, empêchant ainsi de déterminer les circuits de régulation affectés par la maladie ou différents états pathologiques.
Pour surmonter ces limitations, Multiome Accessibility Gene Integration Calling And Looping (MAGICAL) a été développé pour modéliser la variation de l’expression génique et l’accessibilité de la chromatine afin d’identifier les circuits qui diffèrent entre les conditions.
MAGICAL introduit des variables cachées pour modéliser le bruit et signaler les données scATAC-seq et scRNA-seq. De plus, MAGICAL reconstruit les circuits de régulation à la résolution du type cellulaire, car ils sont spécifiques au type cellulaire.
À propos de l’étude
L’étude actuelle a inclus 21 patients avec une culture confirmée S. aureus infection du sang, dont 11 étaient des SASM et 10 étaient des SARM. Vingt-trois témoins sains du même groupe d’âge que les patients ont également été inclus.
Les cellules mononucléaires du sang périphérique (PBMC) obtenues à partir des échantillons de sang des participants ont été décongelées, suivies d’un isolement des noyaux. Après ça, S. aureus La génération de données scRNA-seq et scATAC-seq, l’intégration des données et l’annotation du type de cellule ont été réalisées.
La sélection des sites de chromatine différentiellement accessibles (DAS) et des gènes différentiellement exprimés (DEG) a été réalisée dans des conditions de contraste. MAGICAL a construit des circuits de régulation en recherchant 870 motifs humains.
Par la suite, MAGICAL a été appliqué à un ensemble de données multiome unicellulaire PBMC 10X et à un ensemble de données SHARE-seq de lignée cellulaire GM12878 pour l’analyse comparative. MAGICAL a également été appliqué à un ensemble de données multi-omiques unicellulaire public sur la maladie à coronavirus PBMC 2019 (COVID-19) pour analyser les gènes de circuit et les sites de chromatine associés à la maladie.
La validation des sites de chromatine associés au COVID-19 léger était basée sur les données PBMC scATAC-seq d’une étude de cohorte COVID-19 distincte. En outre, des informations sur les interactions HiC de capture du promoteur détectées dans les lymphocytes B, les lymphocytes T CD8, les lymphocytes T CD4 et les monocytes CD14, ainsi que les interactions HiCHIP, ont été obtenues.
Cela a été suivi d’une évaluation de l’enrichissement des études d’association à l’échelle du génome (GWAS) des loci des maladies inflammatoires, qui sont situés au niveau des sites de chromatine du circuit dans chaque type de cellule. Enfin, des gènes de circuit ont été sélectionnés pour prédire S. aureus Infection et sensibilité aux antibiotiques.
Résultats de l’étude
Les liaisons induites par MAGICAL entre les gènes et les sites de chromatine correspondent fortement aux interactions expérimentales de la chromatine 3D. Les gènes du circuit ont également déterminé avec précision différents états pathologiques.
MAGICAL a surpassé à la fois TRIPOD sur l’application à un ensemble de données unicellulaire multiome 10X et FigR sur l’application à un ensemble de données GM12878 SHARE-seq. De plus, l’élimination des domaines topologiquement associés (TAD) n’a pas eu d’impact sur les performances de MAGICAL.
MAGICAL était également capable de déterminer séparément les circuits de régulation des groupes COVID-19 sévères et légers. De plus, MAGICAL a déterminé avec précision les sites de chromatine et les gènes modulés par le COVID-19 sévère et léger.
Cette approche a sélectionné des circuits de régulation à haute confiance dans chaque type de cellule pour trois contrastes, qui comprenaient le SARM contre le MSSA, le MSSA contre le contrôle et le SARM contre le contrôle. De plus, les monocytes CD14, connus pour jouer un rôle essentiel en réponse à S. aureus, avait le plus grand nombre de circuits de régulation dans MAGICAL.
MAGICAL a identifié les protéines du complexe activating protein 1 (AP-1) comme les régulateurs les plus importants dans les monocytes CD14. Les résultats de l’analyse d’enrichissement ont également indiqué que la signalisation des cytokines était médiée par les facteurs AP-1, ainsi que les réponses inflammatoires dans les macrophages les plus enrichis.
MAGICAL a modélisé les effets régulateurs des régions distales et proximales sur les gènes de circuit et enrichi les gènes de circuit avec des épi-gènes. MAGICAL a également identifié les processus réglementaires cruciaux pour la réponse de l’hôte à S. aureus septicémie et déterminé les différences de régulation dans la réponse immunitaire de l’hôte qui étaient étroitement liées aux infections à SASM et à SARM.
conclusion
L’étude actuelle démontre que MAGICAL est un important outil d’analyse de données multi-omiques unicellulaires. Cette méthode peut effectuer une analyse de condition de contraste et de condition unique, fournissant ainsi une approche à haute résolution pour étudier systématiquement les mécanismes de contrôle réglementaire de différentes conditions pathologiques.
*Avis important
medRxiv publie des rapports scientifiques préliminaires qui ne sont pas évalués par des pairs et, par conséquent, ne doivent pas être considérés comme concluants, guider la pratique clinique/les comportements liés à la santé, ou traités comme des informations établies.
