信號通路“理線”神器

信號通路（Signal pathway）是指能將細胞外的分子信號經(jīng)細胞膜傳入細胞內(nèi)發(fā)揮效應的一系列酶促反應通路。分析信號通路對于理解生物過程背后的復雜機制至關重要，從文獻中捕獲有關信號通路的信息對于許多生物學研究的實驗設計和分析必不可少。

盡管目前信號通路的資源很豐富，但現(xiàn)有碎片化的數(shù)據(jù)庫及其在聚焦點上的差異嚴重阻礙了合理、全面的信號通路數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建。2016年TüREI等人[1]對人類信號通路的公共資源進行系統(tǒng)分析創(chuàng)建了OmniPath數(shù)據(jù)庫（http://omnipathdb.org/ ）。

OmniPath數(shù)據(jù)庫提供了對61個(不斷增長中)資源的集成訪問，包括12189個蛋白質(zhì)和復合物之間的120000個相互作用、18722個轉(zhuǎn)錄和3068個轉(zhuǎn)錄后調(diào)控關系。

然而，如何通過圖形用戶界面訪問OmniPath數(shù)據(jù)庫？如何實現(xiàn)該圖形用戶界面中將OmniPath與分析工具相連接？

Cytoscape是生物網(wǎng)絡分析和可視化的常用軟件。2019年12月30日Ceccarelli等人[2]在Bioinformatics（影響因子7.307）上發(fā)表了一個Cytoscape的插件——OmniPath。OmniPath插件可以直接查詢OmniPath Web服務器來實現(xiàn)信號通路數(shù)據(jù)的定制導入，從而使用戶從處理URL查詢中解脫出來，并允許直接連接到其他應用程序進行進一步分析。今天半夏就給大家分享一個Cytoscape中的信號通路分析神器——OmniPath 插件！

1、OmniPath插件簡介

OmniPath對人類信號通路包括：信號網(wǎng)絡、激酶-底物相互作用、miRNA-mRNA相互作用與轉(zhuǎn)錄因子(TF)-靶相互作用。此外，OmniPath還提供了通過基因同源性翻譯到小鼠或大鼠的網(wǎng)絡和調(diào)節(jié)子。

OmniPath應用程序基本工作流程如下：

用戶從預定義選項中選擇數(shù)據(jù)庫→OmniPath App根據(jù)輸入構(gòu)造查詢，并請求訪問OmniPath服務器→服務器返回交互，網(wǎng)絡在Cytoscape中可視化→導入網(wǎng)絡后，可使用其他應用程序選擇性地將數(shù)據(jù)導入Cytoscape并執(zhí)行網(wǎng)絡分析。

2、Cytoscape及OmniPath插件安裝

OmniPath源代碼鏈接：https://github.com/saezlab/Omnipath_Cytoscape 。OmniPath插件鏈接：http://apps.cytoscape.org/apps/omnipath 。

Cytoscape是一款免費圖形化顯示網(wǎng)絡并進行分析和編輯的軟件，下載地址為：https://cytoscape.org/，其最新版本為Cytoscape3.7.2：

OmniPath插件安裝：打開Cytoscape軟件，點擊Apps，進入App manager：

在App manager中搜索OmniPath，點擊Install進行安裝：

3、OmniPath插件使用實操

1.?OmniPath插件基本操作<1>打開Cytoscape軟件，進入OmniPath插件，有Human、Mouse、Rat三種物種可供選擇：

<2>有前文提及的四個數(shù)據(jù)集可供選擇，包括Signaling networks、Enzyme-substrate interactions、miRNA-mRNA與IF-target interactions：

<3>如果用戶選擇導入TF-target interactions數(shù)據(jù)，則可選擇不同置信度級別，其余三種無此選項：

<4>完成上述選擇后，“Select Dataset”將自動填充給定選擇的可用資源，用戶可以選擇任意資源組合，如選擇ARN：

通過勾選控制面板上相應的框來指定顯示Directed interactions only或Signed interactions only：

<5>點擊Launch query開始查詢：

得到查詢結(jié)果，即source蛋白與target蛋白存在相互作用，數(shù)據(jù)庫來源及參考文獻的PMID也被列出：

點擊OK可得到查詢網(wǎng)絡布局:

<6>點擊Query annotation查詢注釋：

可對得到的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)進行注釋，例如選擇CancerSEA/sate，選擇特征如下，點擊Annotate network進行注釋：

注釋完成后點擊網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)下方Node Table可以顯示查詢結(jié)果，例如顯示TP73、TP63、KAT5與E2F1參與DNA damage（注釋結(jié)果為True），點擊右上方導出按鈕可導出Node Table，可以同樣的方法導出Edge Table與Network Table：

導出Node如下表：

導出Edge Table可顯示兩相互作用蛋白的參考文獻：

<7>OmniPath允許自動檢索PubMed記錄。選擇連接兩個節(jié)點的連線，然后從Cytoscape工具欄下Omnipath -> PubMed references，顯示支持兩蛋白相互作用的文獻，點擊鏈接可自動跳轉(zhuǎn)至對應文獻。

2.?使用實例——STAT3調(diào)節(jié)子的富集實際應用中用戶經(jīng)常使用Cytoscape在相鄰網(wǎng)絡的中尋找感興趣的蛋白質(zhì)的功能注釋，現(xiàn)以對STAT3調(diào)節(jié)子的富集為大家演示使用方法!

步驟：<1>選擇IF-target interactions數(shù)據(jù)集下ARACNe-GTEx數(shù)據(jù)庫，置信度過濾器選擇ALL以顯示相互作用的完整列表：

<2>Launch query得到對應的互作網(wǎng)絡：

搜索Stat3，在眾多節(jié)點中快速找到STAT3節(jié)點：

<3>選中STAT3節(jié)點（變?yōu)辄S色）后，點擊菜單欄Select>Nodes>First Neighbours of Selected Node>Undirected選擇與STAT3連接的節(jié)點的子網(wǎng)絡。

Select>Hide unselected nodes and Edges隱藏未選擇的節(jié)點和邊來創(chuàng)建子網(wǎng)絡，其中心點為STAT3：

進行美化后實現(xiàn)了STAT3調(diào)節(jié)子的富集，這對我們研究STAT3具有重要的提示作用：

<4>選擇子網(wǎng)中的所有節(jié)點后，我們可以通過以下方式創(chuàng)建新網(wǎng)絡：File -> New -> Network -> From selected nodes, all edges。此時得到的是僅與STAT3有相互作用的蛋白：

根據(jù)前述方法導出結(jié)果:

<5>對子網(wǎng)絡進行后續(xù)分析在僅與STAT3有相互作用的網(wǎng)絡基礎上可使用cytoHubba插件預測和探索給定網(wǎng)絡中的關鍵節(jié)點和子網(wǎng)絡。cytoHubba的安裝與OmniPath插件安裝方法相同。

cytoHubba提供了11中拓撲分析方法，包括Degree, Edge Percolated Component (EPC), Maximum Neighborhood Component (MNC), Density of Maximum Neighborhood Component (DMNC), Maximal Clique Centrality (MCC) 等。一般而言具有高degree的蛋白更傾向于是關鍵蛋白，MCC在酵母互作網(wǎng)絡中對關鍵蛋白的預測有更好的表現(xiàn)。

得到蛋白節(jié)點的重要性排序，顏色越深蛋白在互作網(wǎng)絡中越重要：

此外還可以使用BiNGO app（安裝與OmniPath插件安裝方法相同）對僅與STAT3有相互作用的網(wǎng)絡進行富集分析：

今天給大家分享Cytoscape中的信號通路分析神器——OmniPath插件就到此為止了，希望對大家有所幫助！

信號通路是基礎科研的精粹所在，而掌握通路浩瀚數(shù)據(jù)的鑰匙就是KEGG（Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes）。KEGG——京都基因與基因組百科全書，是日本京都Kanehisa Laboratories根據(jù)文獻證據(jù)手工整理的一個龐大數(shù)據(jù)庫（包括信號通路、基因、疾病、藥物等等）。

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