Apollo 3: Multi-Species Genome Curation

Elk levend wezen draagt een biologische instructiehandleiding bij zich, geschreven in een code van vier chemische letters. Deze code, het genoom, bepaalt hoe een organisme zichzelf opbouwt, van de vorm van een blad tot de manier waarop een cel zich deelt. Het vinden van de specifieke zinnen en alinea's binnen deze enorme tekst is echter geen eenvoudige taak van begin tot eind lezen. Het genoom is een dicht landschap van signalen, waarvan sommige genen zijn die eiwitten maken, en vele anderen slechts ruis of regelingsschakelaars zijn. Om een organisme te begrijpen, moeten wetenschappers het arbeidsintensieve werk van annotatie uitvoeren: precies identificeren waar elk gen begint en eindigt, en bepalen wat het doet. Hoewel computers deze sequenties kunnen scannen en onderbouwde gissingen kunnen doen, missen ze vaak de subtiele nuances van het leven. De meest accurate kaarten van het genoom vereisen nog steeds het zorgvuldige, menselijke oog van een bioloog om het werk van de computer te beoordelen, de fouten te corrigeren en de gaten in te vullen.

Decennialang hebben wetenschappers vertrouwd op gespecialiseerde software om deze handmatige controle uit te voeren, maar deze tools waren vaak moeilijk te gebruiken, beperkt tot enkele computers, of niet in staat om te tonen hoe verschillende soorten met elkaar vergelijken. Een nieuwe tool genaamd Apollo 3 is ontwikkeld om deze problemen op te lossen. Het is een modern, webgebaseerd platform dat onderzoekers in staat stelt om genoomannotaties rechtstreeks in een browser te bewerken, waarbij de kracht van collaboratief teamwork wordt gecombineerd met de mogelijkheid om meerdere soorten naast elkaar te bekijken. Door geavanceerde visualisatiefuncties te integreren, helpt Apollo 3 biologen de verbindingen tussen verschillende organismen te zien, wat het makkelijker maakt om ontbrekende genen op te sporen of fouten te corrigeren door een nieuw genoom te vergelijken met een genoom dat al goed begrepen wordt.

De ontwikkeling van Apollo 3 werd gedreven door de noodzaak om de beperkingen van oudere software te overwinnen. Eerdere tools waren vaak vastgelopen op een enkele desktopcomputer, waardoor het moeilijk was voor teams om in realtime samen te werken, of ze misten het vermogen om te tonen hoe genen over verschillende soorten heen uitlijnen. Apollo 3 verandert dit door volledig in een webbrowser te draaien, gebruikmakend van een flexibel systeem dat meerdere gebruikers in staat stelt om gelijktijdig aan hetzelfde genoom te werken. Het maakt verbinding met een centrale server die alle wijzigingen direct opslaat, zodat als één wetenschapper een gen-grens aanpast, hun collega de update onmiddellijk ziet. Dit systeem is gebouwd op een moderne database-technologie die grote hoeveelheden gegevens efficiënt verwerkt, waardoor onderzoekers kunnen inzoomen op minuscule secties van een genoom zonder te hoeven wachten tot de computer het hele chromosoom heeft geladen.

Een van de krachtigste functies van deze nieuwe tool is het vermogen om syntenie te visualiseren, wat de conservering van de genvolgorde in verschillende soorten is. Stel je voor dat je naar twee verschillende boeken kijkt die vergelijkbare verhalen vertellen; zelfs als de woorden iets verschillend zijn, verschijnen de hoofdstukken vaak in dezelfde volgorde. In de biologie hebben verwante soorten vaak hun genen in vergelijkbare patronen gerangschikt. Apollo 3 stelt wetenschappers in staat om deze patronen naast elkaar te bekijken. Als een gen ontbreekt in één soort maar aanwezig is in een verwante soort, markeert de tool de lege ruimte, wat de onderzoeker begeleidt om te zoeken naar bewijs dat er een gen zou moeten zijn. Dit comparatieve perspectief is cruciaal voor het vinden van genen die geautomatiseerde programma's mogelijk over het hoofd hebben gezien, waardoor het proces van annotatie verandert in een detectivestrijd van het matchen van stukjes over de boom des levens.

De onderzoekers demonstreerden de mogelijkheden van de tool door deze te gebruiken om de genoomkaart van een parasitaire worm genaamd Trichuris trichiura te verbeteren. Ze vergeleken deze worm met twee verwante soorten, T. suis en T. muris, die al in detail waren bestudeerd. Door naar de uitlijning van de drie genomen te kijken, merkten ze een gat op in de kaart van T. trichiura waar een gen zou moeten bestaan op basis van de aanwezigheid ervan in de andere twee wormen. Met behulp van de nieuwe tool onderzochten ze de ruwe genetische data en vonden ze ondersteunend bewijs uit RNA-sequencing, die aantoonde dat de cel die sectie van het DNA inderdaad aflas. Vervolgens creëerden ze handmatig een nieuw genmodel in de software, waarbij ze de grenzen uitbreidden om een startpunt te bevatten dat de computer had gemist. De resulterende eiwitsequentie kwam met een hoge mate van gelijkenis overeen met de genen van de andere twee soorten, wat bevestigde dat ze succesvol een ontbrekend puzzelstukje hadden gevonden.

Apollo 3 is niet beperkt tot het vergelijken van verschillende soorten; het blinkt er ook in uit om teams te helpen samenwerken aan een enkel genoom. In een test met menselijke genen gebruikten een team van curatoren de tool om referentie-annotaties voor het GENCODE-project te bewerken. De software stelde hen in staat om elkaars wijzigingen in realtime te zien, waardoor conflicten werden voorkomen waarbij twee mensen tegelijkertijd hetzelfde gen zouden proberen te bewerken. De tool ondersteunt een breed scala aan bewijsstukken (evidence tracks), waarbij gegevens van verschillende experimenten zoals RNA-sequencing en ribosoom-profiling worden weergegeven. Deze tracks fungeren als lagen van bewijs die de curatoren aan en uit kunnen zetten, wat hen helpt te beslissen of een gen echt is en hoe het gestructureerd moet zijn. Het systeem is flexibel genoeg om te worden gebruikt door een persoon die alleen werkt op een eigen computer, of door een groot team dat wereldwijd samenwerkt.

De makers van Apollo 3 hebben de software gratis beschikbaar gesteld aan de wetenschappelijke gemeenschap, om ervoor te zorgen dat de voordelen van deze nieuwe aanpak breed gedeeld worden. Ze hebben ook toekomstige plannen geschetst om de tool nog slimmer te maken, inclusief de mogelijkheid om kunstmatige intelligentie te gebruiken om te voorspellen wat een onderzoeker als volgende stap zou willen doen, en om genmodellen automatisch van de ene soort naar de andere over te dragen op basis van hun evolutionaire relaties. Door de precisie van menselijke expertise te combineren met de snelheid van moderne computing en de helderheid van visuele vergelijking, vertegenwoordigt Apollo 3 een belangrijke stap voorwaarts in hoe we de genetische blauwdrukken van het leven in kaart brengen en begrijpen. Het transformeert de complexe taak van genoomannotatie in een intuïtiever, collaboratief en effectiever proces, waardoor wordt gewaarborgd dat de instructiehandleidingen van het leven zo nauwkeurig mogelijk worden gelezen.