Выявление и анализ динамических паттернов суточной экспрессии генов млекопитающих

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 кросс-корреляции 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.