RNA is a polymeric molecule implicated in various biological processes, such as the coding, decoding, regulation, and expression of genes. Numerous studies have examined RNA features using whole transcriptome sequencing (RNA-seq) approaches. RNA-seq is a powerful technique for characterizing and quantifying the transcriptome and accelerates the development of bioinformatics software. In this review, we introduce routine RNA-seq workflow together with related software, focusing particularly on transcriptome reconstruction and expression quantification.
단일세포 RNA-Seq 은 개별 세포의 유전자 발현을 제공하므로 세포마다 차등적인 고해상도 정보를 준다. 단일세포 RNA-Seq 자료에 대하여 군집화는 세포의 유형과 고수준의 생물 과정을 이해하기 위하여 수행된다. 매우 고차원이고 대용량인 단일세포 RNA-Seq을 효과적으로 처리하기 위하여, 본 논문은 변이 자동인코더를 사용하여 고차원의 자료공간을 저차원의 잠재공간으로 변환하여, 보다 정확한 군집화를 수행할 수 있는 특징공간을 만든다. 차원이 축소된 잠재공간에 다양한 군집화 방법을 적용하는 접근을 다양한 전통적인 단일세포 RNA-Seq 군집화 방법과 성능을 비교하였다. 군집화 실험을 통하여, 제안한 방법은 기존 방법들보다 다양한 군집화 성능기준에서 성능이 개선되었다.
The global spread of flaviviruses has triggered major outbreaks worldwide, significantly impacting public health, society, and economies. This has intensified research efforts to understand how flaviviruses interact with their hosts and manipulate the immune system, underscoring the need for advanced research tools. RNA-sequencing (RNA-seq) technologies have revolutionized our understanding of flavivirus infections by offering transcriptome analysis to dissect the intricate dynamics of virus-host interactions. Bulk RNA-seq provides a macroscopic overview of gene expression changes in virus-infected cells, offering insights into infection mechanisms and host responses at the molecular level. Single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) provides unprecedented resolution by analyzing individual infected cells, revealing remarkable cellular heterogeneity within the host response. A particularly innovative advancement, virus-inclusive single-cell RNA sequencing (viscRNA-seq), addresses the challenges posed by non-polyadenylated flavivirus genomes, unveiling intricate details of virus-host interactions. In this review, we discuss the contributions of bulk RNA-seq, scRNA-seq, and viscRNA-seq to the field, exploring their implications in cell line experiments and studies on patients infected with various flavivirus species. Comprehensive transcriptome analyses from RNA-seq technologies are pivotal in accelerating the development of effective diagnostics and therapeutics, paving the way for innovative treatments and enhancing our preparedness for future outbreaks.
Journal of Korea Artificial Intelligence Association
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제2권1호
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pp.7-14
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2024
In this paper, we explore the application of RNA-sequencing data and ensemble machine learning to predict lung cancer and treatment strategies for lung cancer, a leading cause of cancer mortality worldwide. The research utilizes Random Forest, XGBoost, and LightGBM models to analyze gene expression profiles from extensive datasets, aiming to enhance predictive accuracy for lung cancer prognosis. The methodology focuses on preprocessing RNA-seq data to standardize expression levels across samples and applying ensemble algorithms to maximize prediction stability and reduce model overfitting. Key findings indicate that ensemble models, especially XGBoost, substantially outperform traditional predictive models. Significant genetic markers such as ADGRF5 is identified as crucial for predicting lung cancer outcomes. In conclusion, ensemble learning using RNA-seq data proves highly effective in predicting lung cancer, suggesting a potential shift towards more precise and personalized treatment approaches. The results advocate for further integration of molecular and clinical data to refine diagnostic models and improve clinical outcomes, underscoring the critical role of advanced molecular diagnostics in enhancing patient survival rates and quality of life. This study lays the groundwork for future research in the application of RNA-sequencing data and ensemble machine learning techniques in clinical settings.
Next generation sequencing (NGS), a high-throughput DNA sequencing technology, is widely used for molecular biological studies. In NGS, RNA-sequencing (RNA-Seq), which is a short-read massively parallel sequencing, is a major quantitative transcriptome tool for different transcriptome studies. To utilize the RNA-Seq data, various quantification and analysis methods have been developed to solve specific research goals, including identification of differentially expressed genes and detection of novel transcripts. Because of the accumulation of RNA-Seq data in the public databases, there is a demand for integrative analysis. However, the available RNA-Seq data are stored in different formats such as read count, transcripts per million, and fragments per kilobase million. This hinders the integrative analysis of the RNA-Seq data. To solve this problem, we have developed a web-based application using Shiny, COEX-seq (Convert a Variety of Measurements of Gene Expression in RNA-Seq) that easily converts data in a variety of measurement formats of gene expression used in most bioinformatic tools for RNA-Seq. It provides a workflow that includes loading data set, selecting measurement formats of gene expression, and identifying gene names. COEX-seq is freely available for academic purposes and can be run on Windows, Mac OS, and Linux operating systems. Source code, sample data sets, and supplementary documentation are available as well.
In addition to mutations and copy number alterations, gene fusions are commonly identified in cancers. In thyroid cancer, fusions of important cancer-related genes have been commonly reported; however, extant panels do not cover all clinically important gene fusions. In this study, we aimed to develop a custom RNA-based sequencing panel to identify the key fusions in thyroid cancer. Our ThyChase panel was designed to detect 87 types of gene fusion. As quality control of RNA sequencing, five housekeeping genes were included in this panel. When we applied this panel for the analysis of fusions containing reference RNA (HD796), three expected fusions (EML4-ALK, CCDC6-RET, and TPM3-NTRK1) were successfully identified. We confirmed the fusion breakpoint sequences of the three fusions from HD796 by Sanger sequencing. Regarding the limit of detection, this panel could detect the target fusions from a tumor sample containing a 1% fusion-positive tumor cellular fraction. Taken together, our ThyChase panel would be useful to identify gene fusions in the clinical field.
Senescent cells that gradually accumulate during aging are one of the leading causes of aging. While senolytics can improve aging in humans as well as mice by specifically eliminating senescent cells, the effect of the senolytics varies in different cell types, suggesting variations in senescence. Various factors can induce cellular senescence, and the rate of accumulation of senescent cells differ depending on the organ. In addition, since the heterogeneity is due to the spatiotemporal context of senescent cells, in vivo studies are needed to increase the understanding of senescent cells. Since current methods are often unable to distinguish senescent cells from other cells, efforts are being made to find markers commonly expressed in senescent cells using bulk RNA-sequencing. Moreover, single-cell RNA (scRNA) sequencing, which analyzes the transcripts of each cell, has been utilized to understand the in vivo characteristics of the rare senescent cells. Recently, transcriptomic cell atlases for each organ using this technology have been published in various species. Novel senescent cells that do not express previously established marker genes have been discovered in some organs. However, there is still insufficient information on senescent cells due to the limited throughput of the scRNA sequencing technology. Therefore, it is necessary to improve the throughput of the scRNA sequencing technology or develop a way to enrich the rare senescent cells. The in vivo senescent cell atlas that is established using rapidly developing single-cell technologies will contribute to the precise rejuvenation by specifically removing senescent cells in each tissue and individual.
Generally, the direct sequencing through PCR is faster, easier, cheaper, and more practical than clone sequencing. Frequently, standard PCR amplification is usually interpreted by mispriming internal or external regions of the target template. Normally, DNA fragments were eluted from the gel using Gel extraction kit and subjected to direct sequencing or cloning sequencing. Cloning sequencing has often troublesome and needs more time to analyze for many samples. Since touchdown (TD) PCR can generate sufficient and highly specific amplification, it reduces unwanted amplicon generation. Accordingly, TD PCR is a good method for direct sequencing due to amplifying wanted fragment. In plants the 5S-rRNA gene is separated by simple spacers. The 5S-rRNA gene sequence is very well-conserved between plant species while the spacer is species-specific. Therefore, the sequence has been used for phylogenetic studies and species identification. But frequent occurrences of spurious bands caused by complex genomes are encountered in the product spectrum of standard PCR amplification. In conclusion, the TD PCR method can be applied easily to amplify main 5S-rRNA and direct sequencing of panax ginseng cultivars.
Cancers of the lung and liver are the top 10 leading causes of cancer death worldwide. Thus, it is essential to identify the genes specifically expressed in these two cancer types to develop new therapeutics. Although many messenger RNA (mRNA) sequencing data related to these cancer cells are available due to the advancement of next-generation sequencing (NGS) technologies, optimized data processing methods need to be developed to identify the novel cancer-specific genes. Here, we conducted an analytical comparison between Bowtie2, a Burrows-Wheeler transform-based alignment tool, and Kallisto, which adopts pseudo alignment based on a transcriptome de Bruijn graph using mRNA sequencing data on normal cells and lung/liver cancer tissues. Before using cancer data, simulated mRNA sequencing reads were generated, and the high Transcripts Per Million (TPM) values were compared. mRNA sequencing reads data on lung/liver cancer cells were also extracted and quantified. While Kallisto could directly give the output in TPM values, Bowtie2 provided the counts. Thus, TPM values were calculated by processing the Sequence Alignment Map (SAM) file in R using package Rsubread and subsequently in python. The analysis of the simulated sequencing data revealed that Kallisto could detect more transcripts and had a higher overlap over Bowtie2. The evaluation of these two data processing methods using the known lung cancer biomarkers concludes that in standard settings without any dedicated quality control, Kallisto is more effective at producing faster and more accurate results than Bowtie2. Such conclusions were also drawn and confirmed with the known biomarkers specific to liver cancer.
단세포 RNA 시퀀싱 데이터(single-cell RNA-sequencing data, 이하 단세포 RNA 데이터)는 세포 조직으로부터 추출한 각 단세포 별 유전자의 신호를 기록한 데이터로, 세포 간의 이질성을 파악하는 것을 주요 목적으로 한다. 그러나 단세포 RNA 데이터는 샘플링 및 기술적인 한계로 인해 결측비율이 높고, 노이즈가 크다. 이러한 이유 때문에 기존의 군집화 방법을 적용하는 데에 한계가 존재한다. 본 논문에서는 단세포 RNA 데이터 분석에서 모티브를 얻어 스펙트럼 군집화(spectral clustering) 기반의 방법을 제안한다. 특히 유사도 행렬(similarity matrix) 계산에서 유전자 별로 가중치를 부여하여 기존의 단세포 데이터 분석 방법과 차별화하였다. 제안하는 군집화 방법은 유전자별 가중치를 부여함과 동시에 세포를 군집화한다. 군집화는 반복 알고리즘을 통해 제안하는 비볼록식(non-convex optimization)을 풀어 진행한다. 또한 실데이터 적용과 시뮬레이션을 통해 제안하는 군집화 방법이 기존의 방법보다 군집을 잘 구분하는 것을 보인다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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