NETWORK ANALYTICS FOR THE MIRNA REGULOME AND MIRNA-DISEASE INTERACTIONS

miRNAs are non-coding RNAs of approx. 22 nucleotides in length that inhibit gene expression at the post-transcriptional level. By virtue of this gene regulation mechanism, miRNAs play a critical role in several biological processes and patho-physiological conditions, including cancers. miRNA behavior is a result of a multi-level complex interaction network involving miRNA-mRNA, TF-miRNA-gene, and miRNA-chemical interactions; hence the precise patterns through which a miRNA regulates a certain disease(s) are still elusive. Herein, I have developed an integrative genomics methods/pipeline to (i) build a miRNA regulomics and data analytics repository, (ii) create/model these interactions into networks and use optimization techniques, motif based analyses, network inference strategies and influence diffusion concepts to predict miRNA regulations and its role in diseases, especially related to cancers. By these methods, we are able to determine the regulatory behavior of miRNAs and potential causal miRNAs in specific diseases and potential biomarkers/targets for drug and medicinal therapeutics

2012 Conference Abstracts: Annual Undergraduate Research Conference at the Interface of Biology and Mathematics

URC Schedule and Abstract Book for the Fourth Annual Undergraduate Research Conference at the Interface of Biology and Mathematics Date: November 17-18, 2012Plenary speaker: Christine E. Heitsch, Associate Professor of Mathematics at Georgia Institute of TechnologyFeatured speaker: John W. Glasser, Center for Disease Contro

Following the trail of cellular signatures : computational methods for the analysis of molecular high-throughput profiles

Over the last three decades, high-throughput techniques, such as next-generation sequencing, microarrays, or mass spectrometry, have revolutionized biomedical research by enabling scientists to generate detailed molecular profiles of biological samples on a large scale. These profiles are usually complex, high-dimensional, and often prone to technical noise, which makes a manual inspection practically impossible. Hence, powerful computational methods are required that enable the analysis and exploration of these data sets and thereby help researchers to gain novel insights into the underlying biology. In this thesis, we present a comprehensive collection of algorithms, tools, and databases for the integrative analysis of molecular high-throughput profiles. We developed these tools with two primary goals in mind. The detection of deregulated biological processes in complex diseases, like cancer, and the identification of driving factors within those processes. Our first contribution in this context are several major extensions of the GeneTrail web service that make it one of the most comprehensive toolboxes for the analysis of deregulated biological processes and signaling pathways. GeneTrail offers a collection of powerful enrichment and network analysis algorithms that can be used to examine genomic, epigenomic, transcriptomic, miRNomic, and proteomic data sets. In addition to approaches for the analysis of individual -omics types, our framework also provides functionality for the integrative analysis of multi-omics data sets, the investigation of time-resolved expression profiles, and the exploration of single-cell experiments. Besides the analysis of deregulated biological processes, we also focus on the identification of driving factors within those processes, in particular, miRNAs and transcriptional regulators. For miRNAs, we created the miRNA pathway dictionary database miRPathDB, which compiles links between miRNAs, target genes, and target pathways. Furthermore, it provides a variety of tools that help to study associations between them. For the analysis of transcriptional regulators, we developed REGGAE, a novel algorithm for the identification of key regulators that have a significant impact on deregulated genes, e.g., genes that show large expression differences in a comparison between disease and control samples. To analyze the influence of transcriptional regulators on deregulated biological processes,, we also created the RegulatorTrail web service. In addition to REGGAE, this tool suite compiles a range of powerful algorithms that can be used to identify key regulators in transcriptomic, proteomic, and epigenomic data sets. Moreover, we evaluate the capabilities of our tool suite through several case studies that highlight the versatility and potential of our framework. In particular, we used our tools to conducted a detailed analysis of a Wilms' tumor data set. Here, we could identify a circuitry of regulatory mechanisms, including new potential biomarkers, that might contribute to the blastemal subtype's increased malignancy, which could potentially lead to new therapeutic strategies for Wilms' tumors. In summary, we present and evaluate a comprehensive framework of powerful algorithms, tools, and databases to analyze molecular high-throughput profiles. The provided methods are of broad interest to the scientific community and can help to elucidate complex pathogenic mechanisms.Heutzutage werden molekulare Hochdurchsatzmessverfahren, wie Hochdurchsatzsequenzierung, Microarrays, oder Massenspektrometrie, regelmäßig angewendet, um Zellen im großen Stil und auf verschiedenen molekularen Ebenen zu charakterisieren. Die dabei generierten Datensätze sind in der Regel hochdimensional und oft verrauscht. Daher werden leistungsfähige computergestützte Anwendungen benötigt, um deren Analyse zu ermöglichen. In dieser Arbeit präsentieren wir eine Reihe von effektiven Algorithmen, Programmen, und Datenbaken für die Analyse von molekularen Hochdurchsetzdatensätzen. Diese Ansätze wurden entwickelt, um deregulierte biologische Prozesse zu untersuchen und in diesen wichtige Schlüsselmoleküle zu identifizieren. Zusätzlich wurden eine Reihe von Analysen durchgeführt um die verschiedenen Methoden zu evaluieren. Zu diesem Zweck haben wir insbesondere eine Wilmstumor Studie durchgeführt, in der wir verschiedene regulatorische Mechanismen und dazugehörige Biomarker identifizieren konnten, die für die erhöhte Malignität von Wilmstumoren mit blastemreichen Subtyp verantwortlich sein könnten. Diese Erkenntnisse könnten in der Zukunft zu einer verbesserten Behandlung dieser Tumore führen. Diese Ergebnisse zeigen eindrucksvoll, dass unsere Ansätze in der Lage sind, verschiedene molekulare Hochdurchsatzmessungen auszuwerten und dabei helfen können pathogene Mechanismen im Zusammenhang mit Krebs oder anderen komplexen Krankheiten aufzuklären

Graph Representation Learning in Biomedicine

Biomedical networks are universal descriptors of systems of interacting elements, from protein interactions to disease networks, all the way to healthcare systems and scientific knowledge. With the remarkable success of representation learning in providing powerful predictions and insights, we have witnessed a rapid expansion of representation learning techniques into modeling, analyzing, and learning with such networks. In this review, we put forward an observation that long-standing principles of networks in biology and medicine -- while often unspoken in machine learning research -- can provide the conceptual grounding for representation learning, explain its current successes and limitations, and inform future advances. We synthesize a spectrum of algorithmic approaches that, at their core, leverage graph topology to embed networks into compact vector spaces, and capture the breadth of ways in which representation learning is proving useful. Areas of profound impact include identifying variants underlying complex traits, disentangling behaviors of single cells and their effects on health, assisting in diagnosis and treatment of patients, and developing safe and effective medicines

Discovery of tissue specific network properties associated with cancer driver genes

Tese de Mestrado em Bioquímica, Faculdade de Ciências, Universidade de Lisboa, 2022Using the notion of disease modules, network medicine has effectively identified diseaseassociated genes in recent years. In biological networks, genes linked to a particular illness tend to interact closely [1]. These networks allow both physical and functional connections between biomolecules to be identified, resulting in a map of cell components and processes that constitute biological systems [2]. Not all disease-associated genes, however, have a major impact on disease phenotype. The discovery of important genes able to produce or change disease phenotype paves the path to new therapies and a personalized medicine strategy. Recent research has found that biological network topological features per se may accurately predict perturbation effects in a dynamical model of the system with a 65-80% accuracy [3, 4]. Biological networks differ depending on whatever tissue or cell type is being studied. As a result, each gene's topological features and ability to impact the system may alter [5]. The main goal of this thesis is to discover network topological parameters associated with influential cancer driver genes using context specific networks. In order to achieve this, we evaluated local network features around each driver gene across multiple tissue specific networks, including tissues that are affected in the disease and others where the gene perturbation has no significant effect. We aimed to identify topological parameters and its characteristics contributing to the cancer driver gene’s influential role. The results of this dissertation point out that several topological parameters can be used to determine cancer “driver” genes. We found that these genes have higher values of topological parameters, such as Degree or Closeness, in tissues where they tend to cause cancer. We also found that this difference is present in oncogenes and tumor suppressor genes. Another factor that we found to influence the value of topological parameters is the number of tissues in which these genes cause the disease. There is an increasing trend of topological parameter values with the increase of the number of tissues in which they cause cancer. Together, these results support the significant association of topological parameters like the Degree with the influential role of a driver gene in cancer.Usando a noção de módulos de doença, a medicina de redes identificou eficazmente nos últimos anos genes associados a doenças. Nas redes biológicas, os genes ligados a uma determinada doença tendem a interagir proximamente [1] . Essas redes permitem que conexões físicas e funcionais entre biomoléculas sejam identificadas, resultando num mapa de componentes celulares e processos que constituem sistemas biológicos [2]. Nem todos os genes associados à doença, no entanto, têm um grande impacto no fenótipo da doença. A descoberta de genes importantes capazes de produzir ou alterar o fenótipo da doença abre caminho para novas terapias e uma estratégia de medicina personalizada. Pesquisas recentes descobriram que as características topológicas da rede biológica podem prever com precisão os efeitos de perturbação num modelo dinâmico do sistema com uma precisão de 65-80% [3, 4]. As redes biológicas diferem dependendo do tipo de tecido ou célula estudado. Como resultado, as características topológicas de cada gene e a capacidade de impactar o sistema podem ser alteradas [5]. O principal objetivo desta dissertação é descobrir parâmetros topológicos de rede associados a genes promotores de cancro usando redes específicas de tecido. Para conseguir isso, avaliamos as características da rede local em torno de cada gene promotor em várias redes específicas de tecidos, incluindo tecidos afetados pela doença e outros onde a perturbação do gene não tem efeito significativo. Deste modo, podemos identificar parâmetros topológicos e as características que contribuem para o papel influente dos genes promotores do cancro. Para atingir os nossos objetivos, começámos por construir e otimizar as nossas redes específicas de tecidos. Cada rede específica de tecido foi construída usando quatro bases de dados diferentes de interações proteína-proteína, vias de sinalização e fatores de transcrição. Tentámos quatro métodos diferentes de construir as redes, incluindo o uso do filtro de níveis de expressão génica acima de 0,1 e 5 transcritos por milhão em cada tecido. Construímos também uma matriz associando os genes promotores de cancro (retirados de uma base de dados online de genes promotores de cancro) aos tecidos onde provocam a doença. Cada gene promotor foi inserido em seis categorias diferentes de acordo com o número de tecidos onde provocam cancro, sendo a categoria seis aquela que inclui os genes que provocam a doença em seis ou mais tecidos. Começámos por comparar os valores dos parâmetros topológicos dos genes em tecidos onde estes provocam a doença versus os seus valores em tecidos onde não a provocam. Esses valores também foram comparados com uma lista de genes associados ao cancro (retirados de uma base de dados online de genes associados a doenças), mas não promotores de cancro, e uma lista de genes não associados a nenhuma doença. Este estudo foi feito sobre os quatro diferentes métodos de construção de rede. Continuámos o estudo observando como os parâmetros topológicos mostraram diferenças ao nível do tecido. Analisámos em cada tecido os valores dos parâmetros topológicos dos genes promotores que causam a doença num determinado tecido versus os valores dos genes que não causam doença naquele tecido. Depois de comparar os valores dos parâmetros topológicos usando todos os genes promotores juntos num grupo global, queríamos verificar se a diferença entre os valores destes nos tecidos onde causam cancro versus os valores nos tecidos onde não provocam a doença, também estava presente dentro das categorias do número de tecidos onde os genes promotores causam cancro e como esses valores aumentam ou diminuem ao longo dessas categorias. Avaliamos em seguida o impacto combinado dos valores dos parâmetros topológicos (selecionando o parâmetro topológico “Degree”) de genes promotores de cancro em tecidos onde causam doença versus onde não causam e também a diferença entre estes ao longo das seis diferentes categorias de número de tecidos onde provocam cancro, usando um Modelo Linear Generalizado (GLM) para avaliar a interação desses fatores. Da base de dados de onde retiramos a lista de genes promotores de cancro, também retiramos uma lista de oncogenes e genes supressores de tumor que usámos para avaliar também as diferenças dos valores dos seus parâmetros topológicos nos tecidos onde causam cancro versus os tecidos onde não causam. A fim de avaliar outras variáveis que possam ter impacto para além dos parâmetros topológicos e que possam também diferir dependendo do número de tecidos onde os genes “drivers” causam a doença, usamos os dados da base de dados de onde retiramos os genes promotores que incluíam informações sobre o número de interações que cada gene promotor estabelece com diferentes miRNA e sobre o número de complexos proteicos que estes genes integram. Também avaliamos o impacto da expressão génica nas diferentes categorias de número de tecidos. Por fim, enriquecemos funcionalmente os genes promotores de cancro, usando dois métodos diferentes. No primeiro método usamos os genes que tinham uma diferença topológica maior (para este estudo usamos apenas o parâmetro topológico “Degree”) entre os tecidos onde causam ou não cancro. Classificamos cada gene como positivo, negativo e não significativo com base na diferença entre o valor médio do “Degree” nos tecidos onde causam cancro versus o valor nos tecidos onde não causam. O segundo método foi o enriquecimento dos diferentes genes promotores de cancro de acordo com o número de tecidos que causam cancro. Fizemos esse estudo usando as diferentes categorias de número de tecidos. Globalmente, os nossos resultados sugerem que os valores dos parâmetros topológicos (por exemplo, “Degree“ e “Closeness”) tendem a ser maiores nos tecidos em que os genes promoteres de cancro provocam a doença ( “Tissue Drivers”), seguidos pelos valores dos genes de cancro que são não promotores de cancro mas estão associados ao desenvolvimento da doença (“Disease Genes”), os valores dos genes promotores de cancro nos tecidos onde não causam cancro (“NonTissueDrivers”) e por último, com os menores valores de parâmetros topológicos, os genes que não estão associados a qualquer doença. A diferença entre os valores dos parâmetros topológicos nos “TissueDrivers” versus “NonTissueDrivers” é estatisticamente significativa na maioria dos parâmetros topológicos testados e nos diferentes métodos de rede utilizados, exceto no método “JustHuRiTPM5Zminmax” (usando apenas a base de dados Huri). Quando analisámos em cada tecido os valores dos parâmetros topológicos, pudemos ver que os valores de “Degree” tendem a ser maiores nos genes promotores de cancro que causam cancro naquele tecido em comparação com os genes promotores que não provocam cancro nesse tecido. Essa diferença é estatisticamente significativa em muitos dos tecidos analisados. Em relação a como os valores dos parâmetros topológicos se comportam ao longo das diferentes categorias associadas ao número de tecidos em que os genes promotores causam cancro, descobrimos que nos genes promotores de cancro que causam doença em apenas em um e dois tecidos, o valor do “Degree” nos tecidos onde causam cancro é menor que o valor apresentado nos tecidos onde não causam cancro. Observamos a tendência inversa nos genes promotores que causam cancro em seis ou mais tecidos (o valor do “Degree” é maior nos tecidos onde causam cancro). Observamos também que o valor do “Degree” aumenta gradativamente ao longo do número da categoria de tecidos, atingindo o valor mais alto na categoria seis (constituída por genes promotores que provocam cancro em seis ou mais tecidos). No modelo linear generalizado (GLM), pudemos ver o efeito combinado da variável tipo de tecido (onde o gene promotor provoca ou não cancro, mostrando uma diferença estatisticamente significativa entre estas duas situações) e da variável número de tecidos onde os genes promotores provocam cancro (mostrando também uma valor estatisticamente significativo entre as diferentes categorias). A interação entre esses dois fatores também foi estatisticamente significativa. Também pudemos observar valores de “Degree” estatisticamente diferentes entre os genes promotores supressores de tumor nos tecidos que causam cancro (com valores mais altos) e os valores nos tecidos onde não causam. Vimos também a mesma diferença nos Oncogenes, mas com menor significância. Os valores do “Degree” nos genes Supressores de Tumores foram inferiores aos valores do “Degree” apresentados pelos Oncogenes. Pudemos igualmente ver uma clara tendência de correlação entre o aumento do número de tecidos com o aumento do número de complexos que os genes promotores de cancro integram. O mesmo comportamento foi observado em relação ao número de miRNAs com os quais os genes promotores interagem. Em relação à expressão do mRNA ao longo das categorias de número de tecidos, pudemos ver uma diferença estatisticamente significativa nas categorias dois e três entre os valores dos genes promotores(em relação ao parâmetro topológico “Degree”) nos tecidos onde causam cancro versus onde não causam. Finalmente, no estudo de enriquecimento de funções pudemos ver que os processos biológicos, funções moleculares e componentes celulares que obtivemos enriquecidos usando o método das diferentes categorias de número de tecidos estão muito mais relacionados com os processos de cancro baseados na literatura (“hallmarks of cancer”). Não conseguimos encontrar uma divisão muito clara entre funções biológicas enriquecidas que tiveram uma diferença de z-score do “Degree” acima de 1 e aqueles com diferença abaixo de -1. Não encontramos nenhum processo de enriquecimento funcional relevante em nenhum desses dois grupos de genes e que de alguma forma os pudesse distinguir entre si. Os resultados desta dissertação apontam para que vários parâmetros topológicos possam estar associados a genes promotores de cancro. Verificámos que estes genes têm valores de parâmetros topológicos, como o Degree ou Closeness, mais elevados nos tecidos onde tendencionalmente provocam cancro. Verificámos também que esta diferença está presente nos oncogenes e nos genes supressores de tumor. Outro fator que verificamos influenciar o valor dos parâmetros topológicos, é o número de tecidos em que estes genes provocam a doença. Há uma tendência crescente do valor topológico com um número de tecidos em que provocam cancro

Extracellular Vesicles and Their Importance in Human Health

Extracellular vesicle is a wide term that involves many different types of vesicles. Almost all the cell types studied secrete vesicles to the extracellular environment related to cell - cell communication. Extracellular vesicles have been found in different biological fluids, such as blood, milk, saliva, tears, urine, and cerebrospinal fluid. These vesicles transport different molecules, including mRNA, proteins, and lipids, some of them cell type specific that make them ideal biomarkers in both health and disease conditions. However, their contribution to different conditions is not well understood. The aim of this book is to provide an overview of the extracellular vesicles in the human body, how they are internalized, and their participation in several diseases

The Chondrocyte Channelome: A Novel Ion Channel Candidate in the Pathogenesis of Pectus Deformities

Costal cartilage is a type of rod-like hyaline cartilage connecting the ribs to the sternum. The chest wall deformities pectus excavatum (PE) and pectus carinatum (PC) involve displacement of the sternum causing a depression or protrusion of the chest. There is little knowledge about costal cartilage and pectus deformities with much of its understanding based on assumptions from articular cartilage. Chondrocytes are subjected to a constantly changing environment with fluctuations in pH and osmolarity. Ion channels detect these changes and in turn regulate proliferation, differentiation, and extracellular matrix production. Using ion channel qPCR arrays, we produced expression profiles for normal, fetal, PE-affected, and PC-affected costal chondrocytes as well as articular chondrocytes. Costal and articular chondrocytes had many commonly expressed ion channels with certain channels specific to each cartilage type. The discrepancy in ion channel expression is likely to be a reflection of the functional differences between the two cartilage types. Additionally, fetal costal chondrocytes had several other distinct ion channels possibly due to the differentiation status of the cells. In PC and PE chondrocytes, ACCN1 (ASIC2) and KCNN2 (SK2) were consistently down-regulated compared to normal costal chondrocytes. However, Western blot analysis found deceases only in ASIC2 protein levels. ASIC2 is a proton-gated ion channel involved in cell response to extracellular pH changes. Calcium monitoring revealed a delay in the formation calcium transients in PC cells when challenged with low pH which may be caused by aberrant signaling from ASIC channels. Immunofluorescent analysis of connexins found that Cx43 was present in chondrocytes with phosphorylated Cx43 localizing in and around the nucleus. Analysis of ATP release found that release is likely a connexin-mediated process, though external acidosis did not induce ATP release. Analysis of microRNAs found upregulation and down-regulation of several microRNAs in PC versus control cells, though further studies are needed to identify a possible microRNA signature for pectus deformities. Overall, we have generated a comprehensive ion channel profile for the costal chondrocytes, as well as identified a possible contributing factor for pectus deformities

Towards More Predictive, Physiological and Animal-free In Vitro Models: Advances in Cell and Tissue Culture 2020 Conference Proceedings

Experimental systems that faithfully replicate human physiology at cellular, tissue and organ level are crucial to the development of efficacious and safe therapies with high success rates and low cost. The development of such systems is challenging and requires skills, expertise and inputs from a diverse range of experts, such as biologists, physicists, engineers, clinicians and regulatory bodies. Kirkstall Limited, a biotechnology company based in York, UK, organised the annual conference, Advances in Cell and Tissue Culture (ACTC), which brought together people having a variety of expertise and interests, to present and discuss the latest developments in the field of cell and tissue culture and in vitro modelling. The conference has also been influential in engaging animal welfare organisations in the promotion of research, collaborative projects and funding opportunities. This report describes the proceedings of the latest ACTC conference, which was held virtually on 30th September and 1st October 2020, and included sessions on in vitro models in the following areas: advanced skin and respiratory models, neurological disease, cancer research, advanced models including 3-D, fluid flow and co-cultures, diabetes and other age-related disorders, and animal-free research. The roundtable session on the second day was very interactive and drew huge interest, with intriguing discussion taking place among all participants on the theme of replacement of animal models of disease