Tim znanstvenika s Instituta Ruđer Bošković razvio je SatXplor, inovativni bioinformatički alat koji po prvi puta omogućuje detaljnu analizu satDNA u genomima „pročitanim“ sekvenciranjem treće generacije koji osiguravaju pokrivenost ovih sekvenci. Novi pristup pruža važne uvide u organizaciju, varijabilnost i evoluciju satDNA čija je efikasnost potvrđena na mnogim genomskim sklopovima uključujući i ljudski. Alat je objavljen u prestižnom časopisu Briefings in Bioinformatics, koji je među najviše rangiranim u području Računalne biologije.

Izazovi u analizi satDNA

Iako satDNA čine veliki dio genoma i poznato je da imaju ulogu u organizaciji kromosoma, njihova biološka funkcija i evolucijska dinamika još uvijek su slabo istražene na genomskoj razini jer su ove sekvence teško dostupne analizama zbog svoje strukture. SatDNA se sastoji od ponavljajućih sekvenci organiziranih u dugačke nizove koji mogu dosezati milijune parova baza. Njihova složena struktura i brza evolucija otežavaju analizu tradicionalnim metodama sekvenciranja kratkih fragmenata (poput Illumina tehnologije). Zbog navedenih satDNA karakteristika, mnogi genomski sklopovi često pate od nedovoljne pokrivenosti i preciznosti satelitnih regija te nerjetko one nedostaju u potpunosti. Međutim, tehnologije dugih očitanja poput PacBio i Oxford Nanopore Technologies (ONT) omogućile su učinkovito slaganje i premošćivanje ovih regija, stvarajući priliku za novu generaciju satDNA analiza.

SatXplor: nova generacija bioinformatičkih alata

Iako postoji niz dostupnih bioinformatičkih alata za detekciju ponavljajućih sekvenci, za temeljitu analizu ovih sekvenci pa tako i strukture genoma općenito, bio je potreban razvoj univerzalnog algoritamskog protokola. Takav algoritam bi omogućio sveobuhvatnu anotaciju i analizu satDNA na razini cijelog genoma, te u konačnici dopustio istraživanje satDNA organizacije, evolucije i moguć utjecaj na gene.

Kako bi premostili ove izazove, znanstvenici iz Laboratorija za nekodirajuću DNA IRB-a pod voditeljstvom dr.sc. Nevenke Meštrović, predvođeni mladim znanstevenicima dokotrandom Marinom Volarićem i dopisnom autoricom poslijedoktorandicom dr.sc. Evelin Despot-Slade razvili su SatXplor, integrirani alat optimiziran za detaljno istraživanje satDNA regija na razini cijelog genoma. „Ovaj alat precizno identificira, anotira i analizira satDNA nizove, uključujući njihove rubne regije, otkrivajući pritom važne mehanizme širenja“, navode autori.

Tijekom validacije, SatXplor je testiran na različitim modelnim organizmima, uključujući vinsku mušicu (Drosophilu melanogaster), kukca brašnara (Tribolium castaneum), skakavca Locustu migratoriu, modelnu vrstu Arabidopsis thalianu, čovjeka (Homo sapiens) i miša (Mus musculus). Analize su pokazale iznimnu preciznost u otkrivanju specifičnih kromosomskih varijanti satDNA, kao i u proučavanju konzerviranih regija povezanih s ovim ponavljajućim sekvencama što je do sada bilo vrlo teško ili čak nemoguće.

Otkrivanje novih zakonitosti u genomima

SatXplor integrira različite računalne tehnike, uključujući analizu sekvenci, istraživanje homologa, napredne metode klasteriranja i grafičke pristupe, pružajući svestran i sveobuhvatan pristup za razumijevanje složenosti satDNA organizacije. Njegova sposobnost da se kombinira s bilo kojim alatom za otkrivanje satDNA omogućuje prilagodbu različitim vrstama i složenostima genoma. Posebna snaga SatXplor-a leži u prilagođenosti za analizu eukromatinskih satDNA nizova, koji su smješteni unutar genski bogatih regija. U tu svrhu, autori su razvili poseban algoritam za identifikaciju rubnih regija satDNA i vizualizaciju njihovih evolucijskih obrazaca. "Ovaj alat postavlja novi standard u istraživanju repetitivne DNA, omogućujući nam da konačno sagledamo strukturu i funkciju satDNA na razini cijelog genoma," istaknuli su autori studije. SatXplor je u potpunosti otvorenog koda i dostupan znanstvenoj zajednici na platformi GitHub.