JUMPn: Uma aplicação simplificada para agrupamento de co-expressão de proteínas e análise de rede em proteômica

A proteômica de espingarda baseada em espectrometria em massa tornou-se a abordagem chave para analisar a diversidade de proteomes de amostras complexas¹. Com os recentes avanços na instrumentação de espectrometria de massa ^2,3, cromatografia ^4,5, detecção de mobilidade de íons⁶, métodos de aquisição (independente de dados⁷ e aquisição dependente de dados⁸), abordagens de quantificação (método de rotulagem de peptídeo isobárico multi-plex, por exemplo, TMT ^9,10 e quantificação sem rótulo ^11,12) e método de estratégia de análise de dados/ desenvolvimento de software 13,14,15,16,17,18, quantificação de todo o proteome (por exemplo, mais de 10.000 proteínas) é agora rotina 19,20,21. No entanto, como obter insights mecanicistas a partir de conjuntos de dados quantitativos tão profundos ainda é desafiador²². As tentativas iniciais de investigação desses conjuntos de dados dependiam predominantemente da anotação de elementos individuais dos dados, tratando cada componente (proteína) de forma independente. No entanto, os sistemas biológicos e seu comportamento não podem ser explicados unicamente examinando componentes individuais²³. Portanto, uma abordagem de sistemas que coloca as biomoléculas quantificadas no contexto das redes de interação é essencial para a compreensão de sistemas complexos e dos processos associados, como embriogênese, resposta imune e patogênese das doenças humanas²⁴.

A biologia de sistemas baseados em rede emergiu como um poderoso paradigma para a análise de dados quantitativos de proteômica em larga escala 25,26,27,28,29,30,31,32,33. Conceitualmente, sistemas complexos como células mamíferas poderiam ser modelados como uma rede hierárquica^34,35, na qual todo o sistema é representado em níveis: primeiro por um número de componentes grandes, cada um dos quais então iterativamente modelado por subsistemas menores. Tecnicamente, a estrutura da dinâmica proteome pode ser apresentada por redes interconectadas de aglomerados proteicos co-expressos (porque genes/proteínas co-expressos geralmente compartilham funções biológicas ou mecanismos de regulação³⁶) e módulos PPI interagindo fisicamente³⁷. Como exemplo recente²⁵, geramos perfis temporais de proteome e fosfomésomo durante a ativação de células T e usamos redes integrativas de co-expressão com PPIs para identificar módulos funcionais que mediam a saída de quiescência de células T. Múltiplos módulos relacionados ao bioenergetic foram destacados e validados experimentalmente (por exemplo, os módulos IV mitoribosome e^{complexos 25} e o módulo de um carbono³⁸). Em outro exemplo²⁶, ampliamos ainda mais nossa abordagem para estudar a patogênese da doença de Alzheimer, e priorizamos com sucesso a progressão da doença, módulos e moléculas associadas à progressão da doença. É importante ressaltar que muitas de nossas descobertas imparcial foram validadas por coortes independentes de pacientes^26,29 e/ou modelos de camundongos²⁶. Esses exemplos ilustraram o poder da abordagem da biologia dos sistemas para dissecar mecanismos moleculares com proteômica quantitativa e outras integrações omicais.

Aqui introduzimos o JUMPn, um software simplificado que explora dados quantitativos de proteômica usando abordagens de biologia de sistemas baseados em rede. A JUMPn serve como o componente a jusante do conjunto de software de proteômica JUMP^estabelecido 13,14,39, e tem como objetivo preencher a lacuna desde quantificações proteicas individuais até caminhos biologicamente significativos e módulos proteicos usando a abordagem biológica dos sistemas. Ao tomar a matriz de quantificação de proteínas de PPI expressos diferencialmente (ou a mais variável) como entrada, a JUMPn pretende organizar o proteome em uma hierarquia hierárquica de aglomerados proteicos co-expressos entre amostras e módulos PPI densamente conectados (por exemplo, complexos proteicos), que são ainda mais anotados com bancos de dados de vias públicas por análise de super-representação (ou enriquecimento) (Figura 1). O JUMPn é desenvolvido com a plataforma R/Shiny⁴⁰ para uma interface fácil de usar e integra três módulos funcionais principais: análise de clustering de co-expressão, análise de enriquecimento de caminhos e análise de rede PPI (Figura 1). Após cada análise, os resultados são visualizados automaticamente e são ajustáveis através das funções de widget R/shiny e prontamente para download como tabelas de publicação no formato Microsoft Excel. No protocolo a seguir, utilizamos dados de proteome completo quantitativo como exemplo e descrevemos os principais passos do uso do JUMPn, incluindo a instalação do software JUMPn, a definição de proteínas expressas diferencialmente ou o proteome (dis)regulado, análise de rede de co-expressão e análise de módulos PPI, visualização e interpretação de resultados e soluções de problemas. O software JUMPn está disponível gratuitamente no GitHub⁴¹.