Hit Triage in RNAi Screens マking Use of Interaction and Pathway Data - Enhance Hit Selection

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Hit Triage in RNAi Screens Making Use of Interac1on and Pathway Data to Enhance Hit Selec1on Rajarshi Guha NIH Chemical Genomics Center March 18, 2010 GeneGO User Group Mee5ng, Boston, MA

Transcript of Hit Triage in RNAi Screens マking Use of Interaction and Pathway Data - Enhance Hit Selection

Page 1: Hit Triage in RNAi Screens マking Use of Interaction and Pathway Data - Enhance Hit Selection

Hit Triage in RNAi Screens  Making Use of Interac1on and Pathway Data 

to Enhance Hit Selec1on 

Rajarshi Guha 

NIH Chemical Genomics Center 

March 18, 2010 

GeneGO User Group Mee5ng, Boston, MA 

Page 2: Hit Triage in RNAi Screens マking Use of Interaction and Pathway Data - Enhance Hit Selection

Outline 

•  The NCGC RNAi infrastructure •  Selec:on & Triage •  Case Studies 

Page 3: Hit Triage in RNAi Screens マking Use of Interaction and Pathway Data - Enhance Hit Selection

Trans‐NIH RNAi Ini6a6ve ‐ Mission 

•  Gene func:on •  Pathway analysis •  Target ID •  Compound MoA •  Drug antagonist/agonist 

To establish a state of the art RNAi screening facility to perform genome-wide RNAi screens with investigators in the intramural NIH community.

Page 4: Hit Triage in RNAi Screens マking Use of Interaction and Pathway Data - Enhance Hit Selection

Pilot Phase Screens 

Page 5: Hit Triage in RNAi Screens マking Use of Interaction and Pathway Data - Enhance Hit Selection

RNAi Informa6cs Toolset 

• Local databases (screen data, pathways, interac:ons, etc). 

• Commercial pathway tools.  

• Custom soKware for loading, analysis and visualiza:on. 

Page 6: Hit Triage in RNAi Screens マking Use of Interaction and Pathway Data - Enhance Hit Selection

Back End Services 

•  Currently all computa:onal analysis performed on the backend 

•  R & Bioconductor code •  Custom R package (ncgcrnai) to support NCGC infrastructure –  Partly derived from cellHTS2 –  Supports QC metrics, normaliza:on, adjustments, selec:ons, triage, (sta:c) visualiza:on, reports 

•  Some Java tools for – Data loading –  Library and plate registra:on 

Page 7: Hit Triage in RNAi Screens マking Use of Interaction and Pathway Data - Enhance Hit Selection

User Accessible Tools 

Page 8: Hit Triage in RNAi Screens マking Use of Interaction and Pathway Data - Enhance Hit Selection

• Summary sta:s:cs 

• Correc:ons 

QC 

• Median • Quar:le • Background 

Normaliza:on • Thresholding • Hypothesis tes:ng 

• Sum of ranks 

Hit Selec:on 

• GO seman:c similarity 

• Pathways • Interac:ons 

Hit Triage 

RNAi Analysis Workflow 

Raw and Processed 

Data 

GO annota:ons Pathways Interac:ons 

Hit List Follow‐up 

Page 9: Hit Triage in RNAi Screens マking Use of Interaction and Pathway Data - Enhance Hit Selection

Hit Selec6on Methods 

•  Thresholding •  Hypothesis tes:ng •  Sum/mean of ranks 

•  In all cases, some degree of abitrariness 

•  In many cases, poor concordance between selec:on methods 

•  Gives us a selec:on of siRNA’s •  Iden:fy genes based on number of siRNA’s 

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05

01

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15

0

Plate Number

Sig

na

l

Negative

Positive

Sample

Page 10: Hit Triage in RNAi Screens マking Use of Interaction and Pathway Data - Enhance Hit Selection

Hit Triage Methods 

•  Given that we end up with a rela:vely small number of hit genes, we need to expand it 

•  Triage iden:fies other “relevant” or “borderline” genes to be included for follow‐up 

•  Methods – Protein‐protein interac:on data – Pathway membership data – GO terms – Network sta:s:cs 

Page 11: Hit Triage in RNAi Screens マking Use of Interaction and Pathway Data - Enhance Hit Selection

CPT Sensi6za6on 

TOP1 poisons prevent DNA religation resulting in replication-dependent double strand breaks. Cell activates DNA damage response (e.g. ATR).

Pommier, Y., Nat. Rev. Cancer, 2006.

Page 12: Hit Triage in RNAi Screens マking Use of Interaction and Pathway Data - Enhance Hit Selection

Screening Protocol

Screen conducted in the human breast cancer cell line MDA-MB-231. Many variables to optimize including transfection conditions, cell seeding density, assay conditions, and the selection of positive and negative controls.

Page 13: Hit Triage in RNAi Screens マking Use of Interaction and Pathway Data - Enhance Hit Selection

Hit Selection Follow-Up Dose Response Analysis

CPT (Log M)

ATR

MAP3K7IP2

CPT (Log M)

Viab

ility

(%)

Viab

ility

(%)

siNeg siATR-A siATR-B siATR-C

siNeg siMAP3K7IP2-A siMAP3K7IP2-B siMAP3K7IP2-C siMAP3K7IP2-D

Multiple active siRNAs for ATR, MAP3K7IP2, and BCL2L1.

Screen #2

Screen #1

Sensitization Ranked by Log2 Fold Change

Sensitization Ranked by Log2 Fold Change

Page 14: Hit Triage in RNAi Screens マking Use of Interaction and Pathway Data - Enhance Hit Selection

Triage  with PPIs 

•  For each gene in the hit list iden:fy interac:on partners – Currently using HPRD – Will be switching to MIMI 

•  This added MAP3K7 to the hit                             list, which                              reconfirmed nicely 

•                                              

MAP3K7 

CPT (Log M)

Viab

ility

(%) siNeg

siMAP3K7-A siMAP3K7-B siMAP3K7-C siMAP3K7-D

http://www.eecs.umich.edu/db/mimi/

Page 15: Hit Triage in RNAi Screens マking Use of Interaction and Pathway Data - Enhance Hit Selection

Looking in Pathways 

•  Using the ini:al hit list based on differen:al analysis we get a list of relevant pathways 

Page 16: Hit Triage in RNAi Screens マking Use of Interaction and Pathway Data - Enhance Hit Selection

Looking in Pathways 

•  We then iden:fy genes from these pathways that were not ini:ally selected 

•  3 genes from the IL‐10 signalling pathway were each knocked down by a single siRNA – CD14 – PIK3CD – PIK3R3 

•  Similarly, we add in genes from other pathways 

Page 17: Hit Triage in RNAi Screens マking Use of Interaction and Pathway Data - Enhance Hit Selection

Looking in Pathways 

•  The reconfirma:on rate of pathway‐derived hit list members was low (< 10%) 

•  Not too surprising  •  PPI‐derived hit list members worked beger 

Page 18: Hit Triage in RNAi Screens マking Use of Interaction and Pathway Data - Enhance Hit Selection

Are These Genes Relevant? 

•  Some are well known to be CPT‐sensi:zers •  Consider a HPRD PPI sub‐network corresponding to the Qiagen HDG gene set 

•  How “central” are these selected genes? – Larger values of betweenness indicate that the node lies on many shortest paths 

– Makes sense ‐ a number of  them are stress‐related 

– But some of them have very low betweenness values 

log Betweenness

log

Fre

qu

en

cy

0 2 4 6

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

Page 19: Hit Triage in RNAi Screens マking Use of Interaction and Pathway Data - Enhance Hit Selection

Are These Genes Relevant? 

•  Most selected genes are densely connected 

•  A few are not – Generally did not reconfirm 

•  Network metrics  could be used to  provide confidence in selec:ons 

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ACTC1

TWF1

BMPR2

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COL4A1

CD44

PLG

LCN2

COL1A1

COL1A2

MMP9

MMP7

PRSS2

AREG

COL4A3

COL4A2

COL4A4

COL4A5

COL4A6

FN1

THBS1

IL8

CXCL1

HAPLN1

MMP10

THBS2

TIMP3

KISS1

PZP

BTC

RECK

MMP26

CXCL5

TFPI

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SNCA

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CASP1

BCL2

BCAP31

TP53

MAPK8

IRS1

BCL2L1

CASP8

BAX

CYCS

IRS2

BCL2L11

CAPN1PSEN2

ANTXR1 BAD

FKBP8BAK1

CASP9

VDAC1

CRYAA

CRYAB

BAG1

SIVA1

PPP1CA

CFLAR

BNIP1

BNIP3

BIK

HRK

RAD9A

BECN1

BCL2L14

BMF

BCL2L10

RTN4

BNIP3L

PMAIP1

BCLAF1

MOAP1

NLRP1

IKZF3

TEGT

AVEN

BCL2L12

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RB1

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TUBB

FN1

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SPARC

HIST2H2BE

SERPINF2

GSTP1

LTBP1

ANXA1

RHOA

PLCD1

TMSB4X

MAP3K12

EIF5AS100A7

KPNA3KPNA4PPHLN1

HIST1H2BG

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FYN

PRNP

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NCAN

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EP300

MDM2

TP53

DAXX

CDKN1A

HCK

AR

GGA3

GGA1

TSG101

DNMT1

DMAP1

HGS

AATF

PDCD6IP

UBA52

VPS28

VPS37A

LRSAM1

VPS37C

VPS37D

VPS37B

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RAC1

PPP1R9A

MAPK1

CDC2

PPP1R9B

PPP2CA

PDPK1

AKT1

EIF4EBP1

CDC42

RPS6KB1

EEF2K

TERT

FRAP1

TRAF4

STK11

NCBP1

RPS6

NEK6

COASY

POLDIP3

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EP300

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PDC

CRX

BANF1

NR2E3

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CHD4

TP53

BRCA1

KDR

E2F1

XRCC5

NBN

CHEK2

CLSPN

CHEK1

MSH2

ATR

TREX1

XPA

RHEB

FLT1

RAD17

EEF1E1

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FYNGRB2

IFNAR1

LCK

PLCG1

SHC1

RASA1

PTPRC

MUC1

CRK

PTPN6

SOS1

CD79B

VAV1

CBL

ABL1

FCGR3A

CD5 CD3E

TUBB

SHB

PTK2B

LCP2

SH3BP2

LAT

CBLB

SIT1

SH2B3

PAG1

GAB2

LAX1

ACP1

TUBA4A

DEF6

CD247

PRLR

DUSP3

ZAP70

WIPF1

SLA

SLAMF6

SLA2

TYROBP

DBNL

PTPN3

FCRL3

NFAM1

CARD11

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GNA12

YWHAG

THRAYWHAB

YWHAZ

GNAQ

ESR2

ESR1

YWHAE

PRKAR2A

PPARA

AKAP13

RHOA

RXRB

CTNNAL1

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GP1BA

GP9

GP1BB

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RB1

SRC

LEPR

PRKCA

PLCG1

HRAS

SNTA1

RBL1

RBL2

DMD

SNTB1

SNTB2

DGKZ

SNTG1

RASGRP1

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STAT3

RELA

SMAD3

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MAP2K4

MAPK14

EIF2AK2

MAPK8

MAP3K5

MAP4K4

NRIP1

MAP4K1

TRAF6

TRAF3IP2

FOS

CHUKIKBKB

PPM1B

IRAK1

HGS

MAP3K14

IL17RD

SMAD6

IKBKAP

BIRC4

PEBP1

HIPK2

MAP3K7

MAP2K6MAP3K7IP1

SMAD7

PELI3

MAP3K3

TNFRSF11ABIRC1

PPM1L

BCL10

ALS2CR2

CARD11

!

!

!

LEF1

ALX4

CART1

!

!

!

!

!

MC4R

GHRL

MC5R

MC3R

AGRP

Page 20: Hit Triage in RNAi Screens マking Use of Interaction and Pathway Data - Enhance Hit Selection

Literature Novelty 

•  For selected genes, we evaluate to what extent it has been discussed in the literature 

•  Makes use of pre‐processed NCBI PubMed annota:ons on gene iden:fiers 

•  Lower scores indicate novelty (or lack of  interest!) 

•  Priori:za:on method 

Page 21: Hit Triage in RNAi Screens マking Use of Interaction and Pathway Data - Enhance Hit Selection

RNAi & Small Molecule Screens 

Goal: Develop systems level view of small molecule activity

•  Reuse pre-existing MLI data •  Develop new annotated libraries

TACGGGAACTACCATAATTTA 

CAGCATGAGTACTACAGGCCA 

•  Run parallel RNAi screen

What targets mediate activity of siRNA and compound

Pathway elucidation, identification of interactions

Target ID and validation

Link RNAi generated pathway peturbations to small molecule activities. Could provide insight into polypharmacology

Page 22: Hit Triage in RNAi Screens マking Use of Interaction and Pathway Data - Enhance Hit Selection

HTS for NF‐κB Antagonists 

•  NF‐κB controls DNA transcrip:on  

•  Involved in cellular responses to s:muli –  Immune response, memory forma:on 

–  Inflamma:on, cancer, auto‐immune diseases 

hgp://www.genego.com 

Page 23: Hit Triage in RNAi Screens マking Use of Interaction and Pathway Data - Enhance Hit Selection

HTS for NF‐κB Antagonists 

•  ME‐180 cell line •  S:mulate cells using TNF, leading to NF‐κB ac:va:on, readout via a β‐lactamase reporter 

•  Iden:fy small molecules and siRNA’s that block the resultant ac:va:on 

Page 24: Hit Triage in RNAi Screens マking Use of Interaction and Pathway Data - Enhance Hit Selection

Small Molecule HTS Summary 

•  2,899 FDA‐approved compounds screened 

•  55 compounds retested ac:ve 

•  Which components of the NF‐κB pathway do they hit? – 17 molecules have target/pathway informa:on in GeneGO 

– Literature searches list a few more 

!9 !8 !7 !6 !5

!60

!40

!20

0

log Concentration (uM)

Activity

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!

!

!

! !

!

!

!

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!

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log Concentration (uM)

Activity

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!9 !8 !7 !6 !5

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log Concentration (uM)

Activity

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!

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Most Potent Actives Proscillaridin A

Trabectidin

Digoxin

Miller, S.C. et al, Biochem. Pharmacol., 2010, ASAP 

Page 25: Hit Triage in RNAi Screens マking Use of Interaction and Pathway Data - Enhance Hit Selection

RNAi HTS Summary 

•  Qiagen HDG library – 6886 genes, 4 siRNA’s per gene 

•  A total of 567 genes were knocked down by 1 or more siRNA’s – We consider >= 2 as a “reliable” hit 

– 16 reliable hits – Added in 66 genes for  follow up via triage procedure 

Page 26: Hit Triage in RNAi Screens マking Use of Interaction and Pathway Data - Enhance Hit Selection

The Obvious Conclusion 

•  The ac:ve compounds target the one or more of the 16 hits (at least) from the RNAi screen – Useful if the RNAi screen was small & focused 

•  But what if we’re inves:ga:ng a larger system? –  Is there a way to get more specific? 

– Can compound data suggest RNAi non‐hits? – Can RNAi hits suggest compound targets? 

Page 27: Hit Triage in RNAi Screens マking Use of Interaction and Pathway Data - Enhance Hit Selection

Small Molecule Targets 

•  Some small molecules interact with core components 

Bortezomib (proteosome inhibitor)

Daunorubicin (IκBα inhibitor)

!9 !8 !7 !6 !5

!100

!80

!60

!40

!20

0

log Concentration (uM)

Activity

! !

!

!

!

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!9 !8 !7 !6 !5

!120

!80

!60

!40

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0

log Concentration (uM)

Activity

! ! !

!

!

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!

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!

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Page 28: Hit Triage in RNAi Screens マking Use of Interaction and Pathway Data - Enhance Hit Selection

Small Molecule Targets 

•  Others are ac:ve against upstream targets 

•  We also get an idea of off ‐target effects 

Montelukast (LDT4 antagonist)

!9 !8 !7 !6 !5

!100

!80

!60

!40

!20

0

log Concentration (uM)

Activity

! !

! !

!!

!

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!

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!

!

!

Page 29: Hit Triage in RNAi Screens マking Use of Interaction and Pathway Data - Enhance Hit Selection

Compound Networks ‐ Similarity 

•  Evaluate fingerprint‐based similarity matrix for the 55 ac:ves 

•  Connect pairs that  exhibit Tc> 0.7  

•  Edges are weighted by the Tc value  

•  Most groupings are obvious 

Page 30: Hit Triage in RNAi Screens マking Use of Interaction and Pathway Data - Enhance Hit Selection

Compound Networks ‐ Targets 

•  Predict targets for the ac:ves using SEA •  Target based compound network maps nearly iden:cally to the  similarity based network  

•  But depending on the  predicted target quality we get poor (or no)  mappings to the  RNAi targeted genes 

Keiser, M.J. et al, Nat. Biotech., 2007, 25, 197‐206 

Page 31: Hit Triage in RNAi Screens マking Use of Interaction and Pathway Data - Enhance Hit Selection

(Reduced) Gene Networks – Pathways 

•  Nodes are 526 genes with >= 1 siRNA showing knockdown  

•  Edge indicates two genes/proteins are involved in the same pathway 

Page 32: Hit Triage in RNAi Screens マking Use of Interaction and Pathway Data - Enhance Hit Selection

Pathway Based Integra6on 

•  Direct matching of targets is not very useful •  Try and map compounds to siRNA targets if the compounds’ predicted target(s) and siRNA targets are in the same pathway – Considering 16 reliable hits, we cover 26 pathways – Predicted compound targets cover 131 pathways 

•  For 18 out of 41 compounds 

– 3 RNAi‐derived pathways not covered by compound‐derived pathways  •  Rhodopsin, alterna:ve NFkB, FAS 

Page 33: Hit Triage in RNAi Screens マking Use of Interaction and Pathway Data - Enhance Hit Selection

The Use of GeneGO 

•  Excellent resource! •  The web interface is nice for simple/few queries, visualiza:on 

•  Programma:c access could be improved – REST interface – Access to algorithms, datasets via REST interface 

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Conclusions 

•  Hit triage is a necessary step in our screening pipeline •  Have mul:ple methods and data sources to consider. •  Building up a wealth of small molecule and RNAi data •  Challenges involve integra:ng RNAi data with other sources 

•  Primary bogleneck is dimensionality of the data –  Simple flourescence‐based approaches do not provide sufficient resolu:on 

–  High‐content is required 

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Acknowledgements 

•  Scog Mar:n •  Pinar Tuzmen