NG-Circos: seuraavan sukupolven Circos datan visualisointiin ja tulkintaan

Abstract

Circos-plotteja käytetään laajalti moniulotteisen seuraavan sukupolven genomitiedon esittämiseen, mutta nykyiset Circos-toteutukset eivät ole vuorovaikutteisia, ja ne tukevat vain rajoitetusti eri tietotyyppejä. Tässä kehitimme seuraavan sukupolven Circosin (NG-Circos), joustavan JavaScript-pohjaisen ympyränmuotoisen genomin visualisointityökalun, jolla voidaan suunnitella erittäin interaktiivisia Circos-plotteja käyttäen 21 toiminnallista moduulia eri tietotyypeillä. Tietojemme mukaan NG-Circos on tehokkain ohjelmisto interaktiivisten Circos-kuvioiden rakentamiseen. Tukemalla erilaisia tietotyyppejä dynaamisessa selainkäyttöliittymässä NG-Circos nopeuttaa seuraavan sukupolven datan visualisointia ja tulkintaa ja edistää siten toistettavissa olevaa tutkimusta biolääketieteen alalla ja sen ulkopuolella. NG-Circos on saatavilla osoitteissa https://wlcb.oit.uci.edu/NG-Circos ja https://github.com/YaCui/NG-Circos.

YHTEENVETO

Tulevan sukupolven biologisen datan kasvavien määrien visualisointi on ratkaisevan tärkeää tällaisen datan tulkinnan kannalta. Circos-plotit ovat pyöreitä kaksiulotteisia visuaalisia esityksiä, jotka tarjoavat kattavan ratkaisun moniulotteisen genomitiedon esittämiseen ja tulkintaan. Circos-ohjelmistoa (1), joka on pääasiallinen työkalu Circos-plottien tekemiseen, on käytetty monissa tutkimuksissa villisti monimutkaisten biologisten tietojen visualisointiin. Circosin tuotokset eivät kuitenkaan ole interaktiivisia. Muut Circos-työkalut, kuten Circoletto (2), CIRCUS (3), J-Circos (4), shinyCircos (5), Rcircos (6), Circleator (7), OmicCircos (8) ja ggbio (9), eivät joko pysty tuottamaan vuorovaikutteisia Circos-plotteja selaimessa tai ne on rajattu tiettyihin tietotyyppeihin. Aiemmin kehittämämme työkalu, BioCircos.js (10), näyttää olevan ainoa julkaistu ohjelmisto, joka pystyy tuottamaan interaktiivisia Circos-kuvioita, ja siitä on tullut alan uusin työkalu (11-12). BioCircos.js (10) toteuttaa kuitenkin vain yhdeksän toiminnallista moduulia, mikä rajoittaa sen mahdollisuuksia suorittaa muita analyyttisiä tehtäviä.

Tämän heikkouden korjaamiseksi kehitimme tässä seuraavan sukupolven Circos-ohjelman (NG-Circos), joka on JavaScript-pohjainen ympyränmuotoisen genomin visualisointityökalu, joka ulottuu BioCircos.js:n (10) kehystä pidemmälle integroimaan ja tulkitsemaan genomitietotyyppejä vuorovaikutteisten Circos-plottien avulla. NG-Circos sisältää tällä hetkellä 21 moduulia, jotka mahdollistavat erilaisia toimintoja, jotka puuttuivat muista työkaluista (mukaan lukien BioCircos.js (10)). Tukemalla erilaisia genomitietotyyppejä interaktiivisessa selainkäyttöliittymässä NG-Circos nopeuttaa seuraavan sukupolven datan visualisointia ja tulkintaa ja edistää siten toistettavissa olevaa tutkimusta biolääketieteissä ja muualla.

MATERIAALIT JA MENETELMÄT

NG-Circosin toteuttaminen

NG-Circos on kirjoitettu JavaScriptillä ja se tuottaa vuorovaikutteista grafiikkaa SVG-elementin avulla perustuen D3.js:iin (datavetoinen dokumenttipohjainen dokumenttipohja) ja jQuery.js:ään. Koska NG-Circos perustuu JavaScriptiin, sitä voidaan käyttää ilman lisäpakettien asentamista. Kun NG-Circos on ladattu, käyttäjät voivat toistaa lähes kaikki Circosin piirtämät ympyränmuotoiset piirrokset verkkoselaimella. Huomaa, että NG-Circos itsessään ei ole web-sovellus, vaan kirjasto interaktiivisten Circos-plottien rakentamiseen web-sovelluksissa.

Kuvanlataustoiminnon toteuttaminen NG-Circosissa

NG-Circosin lataustoiminto on rakennettu käyttäen The New York Timesin svg-crowbar.js:ää (https://nytimes.github.io/svg-crowbar/). NG-Circos tukee nyt SVG- ja PNG-formaatteja. SVG-kuvamuodon avulla käyttäjät voivat poimia korkealaatuisia kuvia, joita voidaan hyödyntää edelleen Adobe Illustratorissa.

Syöttötietojen käsittely NG-Circosissa

Tarjoamme tietojenkäsittelyskriptin (joka on kirjoitettu pythonilla ja shellillä) raakadatan käsittelyyn, jonka avulla käyttäjät voivat helposti muuntaa tietonsa JSON-muotoon, jossa on oletusarvoiset parametrit vastaavalle moduulille. Erityisesti NG-Circosin syöttötiedot voidaan tuottaa joko tukevilla python-skripteillä tai suoraan hyvin dokumentoitujen JSON-tietoformaattien kautta. Käyttäjät voivat integroida NG-Circosin olemassa olevaan JavaScript-pohjaiseen verkkosovellukseen, jolla on omat sisäiset JSON-tietorakenteensa. Annamme jokaisesta moduulista esimerkin, joka havainnollistaa syöttötietorakennetta ja kaikkia vaiheita, joita tarvitaan esimerkin luomiseen uudelleen (https://wlcb.oit.uci.edu/modules/).

GWAS-datan käsittely LocusZoom-plotissa

Kuvassa 1F käytimme PLINK:ia (13) laskeaksemme tiettyjen populaatioiden r-neliöarvon ja poimiaksemme rekombinaatiomäärän Hapmap3-datasta (14) määritellyille SNP:ille.

NG-Circosin tukemat verkkoselaimet

NG-Circosin ajonopeus riippuu selainten ja laitteiston laskentatehosta. NG-Circos on läpäissyt virheenkorjauksen ja tarkastuksen kaikissa tärkeimmissä internet-selaimissa, mukaan lukien Google Chrome, Internet Explorer/Edge, Mozilla Firefox, Safari ja Opera.

TULOKSET

NG-Circosin työnkulku

NG-Circosilla on erittäin käyttäjäystävällinen työnkulku. Siinä on kolme päävaihetta interaktiivisen Circos-piirroksen piirtämiseen: Vaihe 1 sisältää kromosomien (tai muiden segmenttien) piirtämisen koordinaattiakseleiksi. Vaiheeseen 2 kuuluu erilaisten tietoratojen lisääminen käyttämällä asiaankuuluvia moduuleja, jotka ovat hyvin joustavia moduulivalinnoissa (tällä hetkellä on toteutettu 21 moduulia, lisätaulukko S1). NG-Circosin syöttötiedot voidaan tuottaa joko tukevilla python-skripteillä tai suoraan hyvin dokumentoitujen JSON-dataformaattien avulla. Jokaisesta moduulista annetaan yksi esimerkki, joka sisältää syöttötietotiedostot ja kaikki vaiheet kyseisen esimerkin luomiseen (https://wlcb.oit.uci.edu/modules/). Lopuksi vaihe 3 sisältää vuorovaikutteisia animaatioita, hiiritapahtumia (lisätaulukko S2) ja graafisten elementtien työkalulaatikoiden suunnittelua. NG-Circos on hyvin muokattavissa, joten käyttäjät voivat säätää henkilökohtaisia asetuksia. Tarjoamme myös joukon huolellisesti arvioituja oletusasetuksia kullekin moduulille ja monia demoja, jotta NG-Circos olisi helppokäyttöinen. Lisäksi NG-Circosin valmiuksia voidaan yksinkertaisesti laajentaa sisällyttämällä siihen lisää toiminnallisia moduuleja vaiheessa 2.

NG-Circos tarjoaa joustavia moduulivalintoja monipuolisille Circos-ploteille

NG-Circosin nykyinen versio koostuu 21 moduulista (lisätaulukko S1). NG-Circosin moduulien yhdistäminen antaa käyttäjille mahdollisuuden rakentaa erityyppisiä Circos-plotteja. NG-Circos voi esimerkiksi jäljentää monimutkaisia julkaistuja Circos-plotteja (15) yhdistämällä ARC-, GENE-, HEATMAP-, LINK- ja WIG-moduulit (kuva 1A). NG-Circos ei ainoastaan pysty toistamaan monimutkaisia julkaistuja Circos-plotteja, vaan se voi myös tehdä lisätoimintoja, kuten tarjota suosittuja interaktiivisia Circos-plotteja (esim. Lollipop-, Wig- ja LocusZoom-plotit (16)), jotka on esitetty kuvissa 1B-F (15) (17) (18) (19) ja joita ei ole nähty muissa työkaluissa. Lisäksi tarjoamme lisää demoja online-sivustolla (https://wlcb.oit.uci.edu/NG-Circos) osoittaaksemme tämän työkalun tehon: käyttäjät voivat helposti korvata demodatan omilla tiedoillaan tuottaakseen omia plottejaan. Kaikki luvut ovat ladattavissa SVG- ja PNG-muodossa, jossa SVG-muoto antaa käyttäjille korkealaatuisia kuvia, joita voidaan hyödyntää edelleen muissa sovelluksissa, kuten Adobe Illustratorissa. Kaiken kaikkiaan NG-Circos tarjoaa käyttäjille suurta joustavuutta moduulivalinnoissa ja Circos-plottityypeissä.

Tapaustutkimus vuorovaikutteisesta datan tutkimisesta NG-Circosin avulla

Tässä esittelemme tapaustutkimuksen, joka havainnollistaa edelleen vuorovaikutteisen datan tutkimisen tehoa NG-Circosin avulla. Tässä tapauksessa käyttäjät voivat vuorovaikutteisesti tutkia kuljettajien yhden nukleotidin polymorfismeja (SNP), geenifuusioita ja niiden vaikutusta proteiinien rakenteeseen keuhkosyövässä (kuva 2). Esimerkiksi hiirellä tapahtumat näyttävät keuhkosyövän SNP-taajuudet COSMIC-tietokannasta (Catalogue of Somatic Mutations in Cancer) (kuva 2B) (20) ja EML4-ALK-geenifuusion kolmiulotteisen (3D) proteiinirakenteen (kuva 2C) (21). Huomionarvoista on, että NG-Circos voi myös ohjata elementtejä (kuten SNP:tä tai geenifuusioita) ulkoisiin resursseihin. Esimerkiksi klikkaamalla SNP:tä, kuten EGFR:n T790M-muunnosta, avautuu uusi Protein Data Bank (PDB) -tietokannan verkkosivu, jossa näytetään T790M-muunnoksen aiheuttama EGFR:n 3D-rakenne (kuva 2D; PDB-koodi: 2JIT) (22). Yhteenvetona voidaan todeta, että NG-Circos toimii loistavana työkaluna genomitiedon interaktiiviseen tutkimiseen siten, että käyttäjät voivat poimia lisätietoa hiiren liikuttelemalla ja klikkaamalla piirroksia.

KESKUSTELU

Interaktiivinen datan tutkiminen eri tietotyypeissä edistää varmasti seuraavan sukupolven datan visualisointia ja tulkintaa, ja syöpätutkimuksessa on nähty joitakin onnistuneita esimerkkejä, kuten cBioPortal (23). Circos-plotteja käytetään laajalti mittavien seuraavan sukupolven genomitietojen esittämiseen, mutta nykyiset Circos-toteutukset eivät tuota interaktiivisia tuotoksia, mikä haittaa sen käytettävyyttä. Tämän ongelman ratkaisemiseksi NG-Circos tarjoaa joustavia moduulivaihtoehtoja interaktiiviseen datan tutkimiseen ja erilaisia Circos-plotteja. Kun tulevaisuudessa tuotetaan uusia genomitietotyyppejä, päivitämme jatkuvasti uusia toiminnallisia moduuleja NG-Circosin tehon laajentamiseksi. Ylläpidämme myös aktiivisesti NG-Circosia ja vastaamme käyttäjien tiedusteluihin. Tukemalla erilaisia genomitietotyyppejä vuorovaikutteisessa web-käyttöliittymässä NG-Circos tulee uskoaksemme tulevaisuudessa tehostamaan genomitutkimusta biolääketieteen alalla.

LISÄTIETOJA

Lisätiedot ovat saatavilla osoitteessa NARGAB Online.

LÄHTEET

Kiitämme Tianyi Zangia, Yadong Wangia ja Li-laboratorion jäseniä rakentavista keskusteluista ja tuesta.

RAHOITUS

Ei ulkopuolista rahoitusta.

Esintressiristiriitojen selvitys. None declared.

.