NG-Circos: następna generacja Circos do wizualizacji i interpretacji danych

Abstract

Plany Circos są szeroko stosowane do wyświetlania wielowymiarowych danych genomowych następnej generacji, ale istniejące implementacje Circos nie są interaktywne z ograniczoną obsługą typów danych. Tutaj opracowaliśmy Next-generation Circos (NG-Circos), elastyczne, oparte na JavaScript narzędzie do wizualizacji genomu kołowego, służące do projektowania wysoce interaktywnych działek Circos przy użyciu 21 modułów funkcjonalnych z różnymi typami danych. Według naszej wiedzy, NG-Circos jest najpotężniejszym oprogramowaniem do konstruowania interaktywnych działek Circos. Poprzez obsługę różnych typów danych w dynamicznym interfejsie przeglądarki, NG-Circos przyspieszy wizualizację i interpretację danych nowej generacji, promując w ten sposób powtarzalne badania w naukach biomedycznych i nie tylko. NG-Circos jest dostępny pod adresami https://wlcb.oit.uci.edu/NG-Circos i https://github.com/YaCui/NG-Circos.

INTRODUCTION

Wizualizowanie rosnących ilości danych biologicznych nowej generacji jest krytyczne dla ich interpretacji. Plany Circos są okrągłymi, dwuwymiarowymi reprezentacjami wizualnymi, które stanowią kompleksowe rozwiązanie do prezentacji i interpretacji wielowymiarowych danych genomowych. Circos (1), dominujące narzędzie do tworzenia działek Circos, jest powszechnie stosowany do wizualizacji złożonych danych biologicznych w wielu badaniach. Jednakże, wyniki Circosa nie są interaktywne. Inne narzędzia pochodne Circos, takie jak Circoletto (2), CIRCUS (3), J-Circos (4), shinyCircos (5), Rcircos (6), Circleator (7), OmicCircos (8), ggbio (9) nie są w stanie tworzyć interaktywnych wykresów Circos w przeglądarce internetowej lub są ograniczone do określonych typów danych. Nasze poprzednie narzędzie, BioCircos.js (10), wydaje się być jedynym opublikowanym oprogramowaniem zdolnym do tworzenia interaktywnych wykresów Circos i stało się najnowocześniejszym narzędziem w tej dziedzinie (11-12). Niemniej jednak, BioCircos.js (10) implementuje tylko dziewięć funkcjonalnych modułów, ograniczając swój zakres do wykonywania dodatkowych zadań analitycznych.

Aby zaradzić tej słabości, opracowaliśmy tutaj Next-generation Circos (NG-Circos), oparte na JavaScript narzędzie do wizualizacji genomu kołowego, które wykracza poza ramy BioCircos.js (10), aby zintegrować i zinterpretować typy danych genomowych poprzez interaktywne wykresy Circos. NG-Circos zawiera obecnie 21 modułów, umożliwiających różne funkcje, które były nieobecne w innych narzędziach (w tym BioCircos.js (10)). Obsługując różne typy danych genomowych w interaktywnym interfejsie przeglądarki, NG-Circos przyspieszy wizualizację i interpretację danych następnej generacji, promując w ten sposób powtarzalne badania w naukach biomedycznych i nie tylko.

MATERIAŁY I METODY

Implementacja NG-Circos

NG-Circos jest napisany w JavaScript i generuje interaktywną grafikę z elementem SVG w oparciu o D3.js (dokumenty oparte na danych) i jQuery.js. Oparty na JavaScript, NG-Circos może być używany bez konieczności instalowania dodatkowych pakietów. Po pobraniu NG-Circos, użytkownicy mogą odtworzyć prawie wszystkie wykresy kołowe rysowane przez Circos za pomocą przeglądarki internetowej. Zauważ, że NG-Circos sam w sobie nie jest aplikacją internetową, ale jest biblioteką do budowania interaktywnych działek Circos w aplikacjach internetowych.

Implementing image-download function in NG-Circos

Funkcja pobierania w NG-Circos jest zbudowana przy użyciu svg-crowbar.js (https://nytimes.github.io/svg-crowbar/) z The New York Times. NG-Circos obsługuje teraz formaty SVG i PNG. Format obrazu SVG pozwala użytkownikom na wyodrębnienie wysokiej jakości obrazów, które mogą być dalej wykorzystywane w Adobe Illustrator.

Przetwarzanie danych wejściowych w NG-Circos

Dostarczamy skrypt przetwarzania danych (napisany w pythonie i powłoce) do przetwarzania surowych danych, umożliwiając użytkownikom łatwe przekształcenie ich danych do formatu JSON z domyślnymi parametrami dla odpowiedniego modułu. Dane wejściowe NG-Circos mogą być generowane przez skrypty Pythona lub bezpośrednio przez dobrze udokumentowane formaty danych JSON. Użytkownicy mogą zintegrować NG-Circos z istniejącą aplikacją internetową opartą na JavaScript, która posiada swoje własne wewnętrzne struktury danych JSON. Dostarczamy przykład dla każdego modułu, aby zilustrować strukturę danych wejściowych i wszystkie kroki potrzebne do odtworzenia tego przykładu (https://wlcb.oit.uci.edu/modules/).

Przetwarzanie danych GWAS w LocusZoom plot

Na rysunku 1F użyliśmy PLINK (13) do obliczenia wartości r-kwadrat dla określonych populacji i do wyodrębnienia współczynnika rekombinacji z danych Hapmap3 (14) dla określonych SNPs.

Przeglądarki internetowe obsługiwane przez NG-Circos

Szybkość działania NG-Circos zależy od mocy obliczeniowej przeglądarek i sprzętu. NG-Circos przeszedł debugowanie i badanie we wszystkich głównych przeglądarkach internetowych, w tym Google Chrome, Internet Explorer/Edge, Mozilla Firefox, Safari i Opera.

WYNIKI

Przebieg pracy NG-Circos

NG-Circos ma bardzo przyjazny dla użytkownika przebieg pracy. Składa się z trzech głównych kroków do narysowania interaktywnego wykresu Circos: Krok 1 obejmuje rysowanie chromosomów (lub innych segmentów) jako osi współrzędnych. Krok 2 polega na dodaniu różnych ścieżek danych przy użyciu odpowiednich modułów z dużą elastycznością w ich wyborze (obecnie zaimplementowanych jest 21 modułów, Supplementary Table S1). Dane wejściowe dla NG-Circos mogą być generowane przez skrypty Pythona lub bezpośrednio przez dobrze udokumentowane formaty danych JSON. Dla każdego modułu podajemy jeden przykład, który zawiera pliki danych wejściowych i wszystkie kroki potrzebne do odtworzenia tego przykładu (https://wlcb.oit.uci.edu/modules/). Wreszcie, krok 3 zawiera interaktywne animacje, zdarzenia myszy (Supplementary Table S2) i projektowanie narzędzi dla elementów graficznych. NG-Circos jest wysoce konfigurowalny, pozwalając użytkownikom na dostosowanie osobistych ustawień. Dostarczamy również zestaw starannie ocenionych ustawień domyślnych dla każdego modułu oraz wiele wersji demonstracyjnych, aby ułatwić korzystanie z NG-Circos. Dodatkowo, możliwości NG-Circos mogą być w prosty sposób rozszerzone poprzez włączenie kolejnych funkcjonalnych modułów w kroku 2.

NG-Circos zapewnia elastyczny wybór modułów dla zróżnicowanych działek Circos

Aktualna wersja NG-Circos składa się z 21 modułów (Tabela uzupełniająca S1). Kombinacja modułów w NG-Circos pozwala użytkownikom na konstruowanie różnych typów działek Circos. Na przykład, NG-Circos może odtworzyć złożone, opublikowane wykresy Circos (15) poprzez połączenie modułów ARC, GENE, HEATMAP, LINK i WIG (Rysunek 1A). NG-Circos nie tylko potrafi odtworzyć złożone, opublikowane powierzchnie Circos, ale także udostępnia dodatkowe funkcje, takie jak popularne interaktywne dema powierzchni Circos (np. powierzchnie Lollipop, Wig i LocusZoom (16)) pokazane na Rysunku 1B-F (15) (17) (18) (19), które nie są widoczne w innych narzędziach. Co więcej, oferujemy więcej demo na stronie internetowej (https://wlcb.oit.uci.edu/NG-Circos), aby pokazać moc tego narzędzia: użytkownicy mogą łatwo zastąpić dane demo swoimi danymi, aby stworzyć własne działki. Wszystkie figury można pobrać w formacie SVG i PNG, przy czym format SVG zapewnia użytkownikom wysokiej jakości obrazy, które mogą być dalej wykorzystywane przez inne aplikacje, takie jak Adobe Illustrator. Ogólnie rzecz biorąc, NG-Circos oferuje użytkownikom dużą elastyczność w wyborze modułów i typów wykresów Circos.

Studium przypadku dla interaktywnej eksploracji danych przy użyciu NG-Circos

Przedstawiamy tutaj studium przypadku, aby jeszcze bardziej zilustrować możliwości interaktywnej eksploracji danych przy użyciu NG-Circos. W tym przypadku, użytkownicy mogą interaktywnie badać polimorfizmy pojedynczych nukleotydów (SNP), fuzje genów i ich wpływ na strukturę białek w raku płuc (Rysunek 2). Na przykład, najechanie myszką na zdarzenia pokazuje częstotliwość SNP w raku płuc z bazy danych Catalogue of Somatic Mutations in Cancer (COSMIC) (Figura 2B) (20) i trójwymiarową (3D) strukturę białka fuzji genu EML4-ALK (Figura 2C) (21). Co ciekawe, NG-Circos może również przekierowywać elementy (takie jak SNP lub fuzje genów) do zewnętrznych zasobów. Na przykład, kliknięcie na SNP, taki jak wariant EGFR T790M, otwiera nową stronę bazy danych Protein Data Bank (PDB), wyświetlającą strukturę 3D EGFR dotkniętą wariantem T790M (Rysunek 2D; kod PDB: 2JIT) (22). Podsumowując, NG-Circos służy jako doskonałe narzędzie do interaktywnej eksploracji danych genomowych, dzięki czemu użytkownicy mogą wydobywać dodatkowe informacje poprzez najeżdżanie myszą i klikanie na działki.

DISCUSSION

Interaktywna eksploracja danych w różnych typach danych z pewnością będzie promować wizualizację i interpretację danych następnej generacji, z kilkoma udanymi przykładami, takimi jak cBioPortal (23), widocznymi w badaniach nad rakiem. Plany Circos są szeroko stosowane do wyświetlania obszernych danych genomicznych następnej generacji, ale istniejące implementacje Circos nie generują interaktywnych danych wyjściowych, co ogranicza ich użyteczność. Aby rozwiązać ten problem, NG-Circos dostarcza elastycznych modułów do interaktywnej eksploracji danych i różnych typów działek Circos. Ponieważ w przyszłości generowane będą dodatkowe typy danych genomowych, będziemy aktualizować dodatkowe moduły funkcjonalne, aby rozszerzyć możliwości NG-Circos. Będziemy również aktywnie utrzymywać NG-Circos i odpowiadać na zapytania użytkowników. Poprzez obsługę różnych typów danych genomowych w interaktywnym interfejsie internetowym, NG-Circos, jak sądzimy, usprawni badania genomiczne w dziedzinie biomedycyny w przyszłości.

DANE UZUPEŁNIAJĄCE

Dane uzupełniające są dostępne w NARGAB Online.

ACKNOWLEDGEMENTS

We acknowledge Tianyi Zang, Yadong Wang and members of the Li lab for constructive discussions and support.

FUNDING

No external funding.

Conflict of interest statement. None declared.

Uwagi autorów

.