eXplainable Artificial Intelligence (XAI) in aging clock models

eXplainable Artificial Intelligence (XAI) is a rapidly progressing field of machine learning, aiming to unravel the predictions of complex models. XAI is especially required in sensitive applications, e.g. in health care, when diagnosis, recommendations and treatment choices might rely on the decisions made by artificial intelligence systems. AI approaches have become widely used in aging research as well, in particular, in developing biological clock models and identifying biomarkers of aging and age-related diseases. However, the potential of XAI here awaits to be fully appreciated. We discuss the application of XAI for developing the "aging clocks" and present a comprehensive analysis of the literature categorized by the focus on particular physiological systems

Transcriptional responses to radiation exposure facilitate the discovery of biomarkers functioning as radiation biodosimeters

The development of new methods for a retrospective quantification of the radiation dose of exposed individuals is of widespread interest. To this end, I developed a computational framework for biomarker discovery and radiation dose prediction and successfully identified gene signatures with which low and medium to high radiation doses can be accurately quantified. To enhance our understanding of the radiation-induced transcriptional response, I additionally analyzed microarray data of human PBLs after ex vivo gamma-irradiation and characterized affected functional processes and pathways

From Correlation to Causality: Does Network Information improve Cancer Outcome Prediction?

Motivation: Disease progression in cancer can vary substantially between patients. Yet, patients often receive the same treatment. Recently, there has been much work on predicting disease progression and patient outcome variables from gene expression in order to personalize treatment options. A widely used approach is high-throughput experiments that aim to explore predictive signature genes which would provide identification of clinical outcome of diseases. Microarray data analysis helps to reveal underlying biological mechanisms of tumor progression, metastasis, and drug-resistance in cancer studies. Despite first diagnostic kits in the market, there are open problems such as the choice of random gene signatures or noisy expression data. The experimental or computational noise in data and limited tissue samples collected from patients might furthermore reduce the predictive power and biological interpretability of such signature genes. Nevertheless, signature genes predicted by different studies generally represent poor similarity; even for the same type of cancer. Integration of network information with gene expression data could provide more efficient signatures for outcome prediction in cancer studies. One approach to deal with these problems employs gene-gene relationships and ranks genes using the random surfer model of Google's PageRank algorithm. Unfortunately, the majority of published network-based approaches solely tested their methods on a small amount of datasets, questioning the general applicability of network-based methods for outcome prediction. Methods: In this thesis, I provide a comprehensive and systematically evaluation of a network-based outcome prediction approach -- NetRank - a PageRank derivative -- applied on several types of gene expression cancer data and four different types of networks. The algorithm identifies a signature gene set for a specific cancer type by incorporating gene network information with given expression data. To assess the performance of NetRank, I created a benchmark dataset collection comprising 25 cancer outcome prediction datasets from literature and one in-house dataset. Results: NetRank performs significantly better than classical methods such as foldchange or t-test as it improves the prediction performance in average for 7%. Besides, we are approaching the accuracy level of the authors' signatures by applying a relatively unbiased but fully automated process for biomarker discovery. Despite an order of magnitude difference in network size, a regulatory, a protein-protein interaction and two predicted networks perform equally well. Signatures as published by the authors and the signatures generated with classical methods do not overlap -- not even for the same cancer type -- whereas the network-based signatures strongly overlap. I analyze and discuss these overlapping genes in terms of the Hallmarks of cancer and in particular single out six transcription factors and seven proteins and discuss their specific role in cancer progression. Furthermore several tests are conducted for the identification of a Universal Cancer Signature. No Universal Cancer Signature could be identified so far, but a cancer-specific combination of general master regulators with specific cancer genes could be discovered that achieves the best results for all cancer types. As NetRank offers a great value for cancer outcome prediction, first steps for a secure usage of NetRank in a public cloud are described. Conclusion: Experimental evaluation of network-based methods on a gene expression benchmark dataset suggests that these methods are especially suited for outcome prediction as they overcome the problems of random gene signatures and noisy expression data. Through the combination of network information with gene expression data, network-based methods identify highly similar signatures over all cancer types, in contrast to classical methods that fail to identify highly common gene sets across the same cancer types. In general allows the integration of additional information in gene expression analysis the identification of more reliable, accurate and reproducible biomarkers and provides a deeper understanding of processes occurring in cancer development and progression.:1 Definition of Open Problems 2 Introduction 2.1 Problems in cancer outcome prediction 2.2 Network-based cancer outcome prediction 2.3 Universal Cancer Signature 3 Methods 3.1 NetRank algorithm 3.2 Preprocessing and filtering of the microarray data 3.3 Accuracy 3.4 Signature similarity 3.5 Classical approaches 3.6 Random signatures 3.7 Networks 3.8 Direct neighbor method 3.9 Dataset extraction 4 Performance of NetRank 4.1 Benchmark dataset for evaluation 4.2 The influence of NetRank parameters 4.3 Evaluation of NetRank 4.4 General findings 4.5 Computational complexity of NetRank 4.6 Discussion 5 Universal Cancer Signature 5.1 Signature overlap – a sign for Universal Cancer Signature 5.2 NetRank genes are highly connected and confirmed in literature 5.3 Hallmarks of Cancer 5.4 Testing possible Universal Cancer Signatures 5.5 Conclusion 6 Cloud-based Biomarker Discovery 6.1 Introduction to secure Cloud computing 6.2 Cancer outcome prediction 6.3 Security analysis 6.4 Conclusion 7 Contributions and Conclusion

Cluster analysis of gene expression data on cancerous tissue samples.

The cluster analysis of gene expression data is an important unsupervised learning method that is commonly used to discover the inherent structure in the large amounts of data generated by microarray measurements. The focus of this research is to develop a novel clustering algorithm that adheres to the definition of unsupervised learning whilst minimising any sources of bias. The developed diffractive clustering algorithm is based on the fundamental diffraction properties of light, which presents a novel view and framework for clustering data. The algorithm is tested on multiple cancerous tissue data sets that are well established in the literature. The overall result is a clustering algorithm that outperforms the conventional clustering algorithms, such as k-means and fuzzy cmeans, by 10% in terms of accuracy and more than 30% in terms of cluster validity. The diffraction-based clustering algorithm is also independent of any parameters and is able to automatically determine the correct number of clusters in the data

Haiguste ja koespetsiifiliste DNA metülatsioonil põhinevate biomarkerite uurimine

Väitekirja elektrooniline versioon ei sisalda publikatsiooneDNA-s sisalduv geneetiline informatsioon annab vajalikud juhised organismi kasvuks ja arenguks. Lisaks DNA nukleotiidsele järjestusele mõjutavad neid protsesse ka DNA-s esinevad modifikatsioonid. Enim uuritud DNA modifikatsioon on DNA metülatsioon, mis tähendab metüülrühma lisamist tsütosiini külge. DNA on tihtilugu metüleeritud regiooniti, moodustades niinimetatud metülatsioonimustreid. Need “mustrid“ osalevad geeniekspressiooni regulatsioonis, lülitades teatud rakkudes geene sisse ja välja või kohandades nende aktiivsust. On oluline märkida, et DNA metülatsioon on tugevalt mõjutatud keskkonnateguritest, nimelt vastavalt keskkonnatingimustele võidakse teatud regioone metüleerida või vastupidi, metüülrühmi eemaldada. Seega on DNA metülatsioon üheks vahelüliks geneetika ja keskkonna vahel. Paljud neist “mustritest“ on omased tavalistele bioloogilistele protsessidele, kuid leidub ka selliseid, mis viitavad haiguse olemasolule. Näiteks on spetsiifilisi metülatsioonimustreid täheldatud diabeedi, neuroloogiliste häirete ja vähi puhul. Seetõttu peetakse neid “mustreid“ ka headeks biomarkeri kandidaatideks, sobides iseloomustama näiteks teatud haiguste kulgu. Käesolev väitekiri keskendubki DNA metülatsiooni uurimisele erinevates kudedes ja seisundites, et leida potentsiaalseid biomarkereid. Selleks kasutati erinevaid bioinformaatika ja statistika meetodeid. Kokku viidi läbi kolm publitseeritud uuringut, mille käigus uuriti nii koe- kui endometrioosispetsiifilisi biomarkeri kandidaate kui ka DNA metülatsiooni muutusi emaka endomeetriumi embrüole vastuvõtlikuks muutumise perioodil. Lisaks arendati doktoritöö raames välja uudne ja kasutajasõbralik veebirakendus – MethSurv, mis kasutades suurprojekti “The Cancer Genome Atlas” (TCGA) andmeid, võimaldab kasutajal uurida vähipatsientide elumust konkreetse DNA metülatsioonil põhineva prognostiliste markeri põhjal.DNA contains the genetic information required for the growth and development of the organism. In addition to the nucleotide sequence, certain chemical modifications influence the activity of the DNA. The most studied DNA modification is DNA methylation, where a methyl group is added to the cytosine base of the DNA. DNA is often methylated within a genomic region, forming so-called “methylation patterns.” These "patterns" are involved in the regulation of gene expression by switching genes in and out of certain cells or adjusting their activity. Environmental factors strongly influence DNA methylation; wherein certain genomic regions may be methylated or unmethylated. Thus, methylation patterns serve as a mediator between the environment and genomes. Many of these "patterns" are inherited in normal biological processes. However, some of these patterns indicate the presence of the disease. For example, specific methylation patterns have been observed in diabetes, neurological disorders, and cancer. Therefore, methylation patterns are considered as biomarker candidates to characterize the progression of certain diseases or normal biological process. This thesis focuses on the study of DNA methylation in different tissues and conditions to identify potential biomarker candidates using various bioinformatics and statistical methods. In total, three studies were included in this thesis to investigate both tissue and endometriosis-specific biomarker candidates as well as changes in DNA methylation during the transition from pre-receptive to the receptive state of the endometrium. In addition, a novel and user-friendly web application MethSurv was developed in this thesis. MethSurv uses methylation and clinical data from the publicly available “The Cancer Genome Atlas” (TCGA). The MethSurv tool is aimed at assisting the scientific community in exploring methylation-based prognostic biomarkers.https://www.ester.ee/record=b522744

Expression data dnalysis and regulatory network inference by means of correlation patterns

With the advance of high-throughput techniques, the amount of available data in the bio-molecular field is rapidly growing. It is now possible to measure genome-wide aspects of an entire biological system as a whole. Correlations that emerge due to internal dependency structures of these systems entail the formation of characteristic patterns in the corresponding data. The extraction of these patterns has become an integral part of computational biology. By triggering perturbations and interventions it is possible to induce an alteration of patterns, which may help to derive the dependency structures present in the system. In particular, differential expression experiments may yield alternate patterns that we can use to approximate the actual interplay of regulatory proteins and genetic elements, namely, the regulatory network of a cell. In this work, we examine the detection of correlation patterns from bio-molecular data and we evaluate their applicability in terms of protein contact prediction, experimental artifact removal, the discovery of unexpected expression patterns and genome-scale inference of regulatory networks. Correlation patterns are not limited to expression data. Their analysis in the context of conserved interfaces among proteins is useful to estimate whether these may have co-evolved. Patterns that hint on correlated mutations would then occur in the associated protein sequences as well. We employ a conceptually simple sampling strategy to decide whether or not two pathway elements share a conserved interface and are thus likely to be in physical contact. We successfully apply our method to a system of ABC-transporters and two-component systems from the phylum of Firmicute bacteria. For spatially resolved gene expression data like microarrays, the detection of artifacts, as opposed to noise, corresponds to the extraction of localized patterns that resemble outliers in a given region. We develop a method to detect and remove such artifacts using a sliding-window approach. Our method is very accurate and it is shown to adapt to other platforms like custom arrays as well. Further, we developed Padesco as a way to reveal unexpected expression patterns. We extract frequent and recurring patterns that are conserved across many experiments. For a specific experiment, we predict whether a gene deviates from its expected behaviour. We show that Padesco is an effective approach for selecting promising candidates from differential expression experiments. In Chapter 5, we then focus on the inference of genome-scale regulatory networks from expression data. Here, correlation patterns have proven useful for the data-driven estimation of regulatory interactions. We show that, for reliable eukaryotic network inference, the integration of prior networks is essential. We reveal that this integration leads to an over-estimate of network-wide quality estimates and suggest a corrective procedure, CoRe, to counterbalance this effect. CoRe drastically improves the false discovery rate of the originally predicted networks. We further suggest a consensus approach in combination with an extended set of topological features to obtain a more accurate estimate of the eukaryotic regulatory network for yeast. In the course of this work we show how correlation patterns can be detected and how they can be applied for various problem settings in computational molecular biology. We develop and discuss competitive approaches for the prediction of protein contacts, artifact repair, differential expression analysis, and network inference and show their applicability in practical setups.Mit der Weiterentwicklung von Hochdurchsatztechniken steigt die Anzahl verfügbarer Daten im Bereich der Molekularbiologie rapide an. Es ist heute möglich, genomweite Aspekte eines ganzen biologischen Systems komplett zu erfassen. Korrelationen, die aufgrund der internen Abhängigkeits-Strukturen dieser Systeme enstehen, führen zu charakteristischen Mustern in gemessenen Daten. Die Extraktion dieser Muster ist zum integralen Bestandteil der Bioinformatik geworden. Durch geplante Eingriffe in das System ist es möglich Muster-Änderungen auszulösen, die helfen, die Abhängigkeits-Strukturen des Systems abzuleiten. Speziell differentielle Expressions-Experimente können Muster-Wechsel bedingen, die wir verwenden können, um uns dem tatsächlichen Wechselspiel von regulatorischen Proteinen und genetischen Elementen anzunähern, also dem regulatorischen Netzwerk einer Zelle. In der vorliegenden Arbeit beschäftigen wir uns mit der Erkennung von Korrelations-Mustern in molekularbiologischen Daten und schätzen ihre praktische Nutzbarkeit ab, speziell im Kontext der Kontakt-Vorhersage von Proteinen, der Entfernung von experimentellen Artefakten, der Aufdeckung unerwarteter Expressions-Muster und der genomweiten Vorhersage regulatorischer Netzwerke. Korrelations-Muster sind nicht auf Expressions-Daten beschränkt. Ihre Analyse im Kontext konservierter Schnittstellen zwischen Proteinen liefert nützliche Hinweise auf deren Ko-Evolution. Muster die auf korrelierte Mutationen hinweisen, würden in diesem Fall auch in den entsprechenden Proteinsequenzen auftauchen. Wir nutzen eine einfache Sampling-Strategie, um zu entscheiden, ob zwei Elemente eines Pathways eine gemeinsame Schnittstelle teilen, berechnen also die Wahrscheinlichkeit für deren physikalischen Kontakt. Wir wenden unsere Methode mit Erfolg auf ein System von ABC-Transportern und Zwei-Komponenten-Systemen aus dem Firmicutes Bakterien-Stamm an. Für räumlich aufgelöste Expressions-Daten wie Microarrays enspricht die Detektion von Artefakten der Extraktion lokal begrenzter Muster. Im Gegensatz zur Erkennung von Rauschen stellen diese innerhalb einer definierten Region Ausreißer dar. Wir entwickeln eine Methodik, um mit Hilfe eines Sliding-Window-Verfahrens, solche Artefakte zu erkennen und zu entfernen. Das Verfahren erkennt diese sehr zuverlässig. Zudem kann es auf Daten diverser Plattformen, wie Custom-Arrays, eingesetzt werden. Als weitere Möglichkeit unerwartete Korrelations-Muster aufzudecken, entwickeln wir Padesco. Wir extrahieren häufige und wiederkehrende Muster, die über Experimente hinweg konserviert sind. Für ein bestimmtes Experiment sagen wir vorher, ob ein Gen von seinem erwarteten Verhalten abweicht. Wir zeigen, dass Padesco ein effektives Vorgehen ist, um vielversprechende Kandidaten eines differentiellen Expressions-Experiments auszuwählen. Wir konzentrieren uns in Kapitel 5 auf die Vorhersage genomweiter regulatorischer Netzwerke aus Expressions-Daten. Hierbei haben sich Korrelations-Muster als nützlich für die datenbasierte Abschätzung regulatorischer Interaktionen erwiesen. Wir zeigen, dass für die Inferenz eukaryotischer Systeme eine Integration zuvor bekannter Regulationen essentiell ist. Unsere Ergebnisse ergeben, dass diese Integration zur Überschätzung netzwerkübergreifender Qualitätsmaße führt und wir schlagen eine Prozedur - CoRe - zur Verbesserung vor, um diesen Effekt auszugleichen. CoRe verbessert die False Discovery Rate der ursprünglich vorhergesagten Netzwerke drastisch. Weiterhin schlagen wir einen Konsensus-Ansatz in Kombination mit einem erweiterten Satz topologischer Features vor, um eine präzisere Vorhersage für das eukaryotische Hefe-Netzwerk zu erhalten. Im Rahmen dieser Arbeit zeigen wir, wie Korrelations-Muster erkannt und wie sie auf verschiedene Problemstellungen der Bioinformatik angewandt werden können. Wir entwickeln und diskutieren Ansätze zur Vorhersage von Proteinkontakten, Behebung von Artefakten, differentiellen Analyse von Expressionsdaten und zur Vorhersage von Netzwerken und zeigen ihre Eignung im praktischen Einsatz

From tools and databases to clinically relevant applications in miRNA research

While especially early research focused on the small portion of the human genome that encodes proteins, it became apparent that molecules responsible for many key functions were also encoded in the remaining regions. Originally, non-coding RNAs, i.e., molecules that are not translated into proteins, were thought to be composed of only two classes (ribosomal RNAs and transfer RNAs). However, starting from the early 1980s many other non-coding RNA classes were discovered. In the past two decades, small non-coding RNAs (sncRNAs) and in particular microRNAs (miRNAs), have become essential molecules in biological and biomedical research. In this thesis, five aspects of miRNA research have been addressed. Starting from the development of advanced computational software to analyze miRNA data (1), an in-depth understanding of human and non-human miRNAs was generated and databases hosting this knowledge were created (2). In addition, the effects of technological advances were evaluated (3). We also contributed to the understanding on how miRNAs act in an orchestrated manner to target human genes (4). Finally, based on the insights gained from the tools and resources of the mentioned aspects we evaluated the suitability of miRNAs as biomarkers (5). With the establishment of next-generation sequencing, the primary goal of this thesis was the creation of an advanced bioinformatics analysis pipeline for high-throughput miRNA sequencing data, primarily focused on human. Consequently, miRMaster, a web-based software solution to analyze hundreds sequencing samples within few hours was implemented. The tool was implemented in a way that it could support different sequencing technologies and library preparation techniques. This flexibility allowed miRMaster to build a consequent user-base, resulting in over 120,000 processed samples and 1,5 billion processed reads, as of July 2021, and therefore laid out the basis for the second goal of this thesis. Indeed, the implementation of a feature allowing users to share their uploaded data contributed strongly to the generation of a detailed annotation of the human small non-coding transcriptome. This annotation was integrated into a new miRNA database, miRCarta, modelling thousands of miRNA candidates and corresponding read expression profiles. A subset of these candidates was then evaluated in the context of different diseases and validated. The thereby gained knowledge was subsequently used to validate additional miRNA candidates and to generate an estimate of the number of miRNAs in human. The large collection of samples, gathered over many years with miRMaster was also integrated into a web server evaluating miRNA arm shifts and switches, miRSwitch. Finally, we published an updated version of miRMaster, expanding its scope to other species and adding additional downstream analysis capabilities. The second goal of this thesis was further pursued by investigating the distribution of miRNAs across different human tissues and body fluids, as well as the variability of miRNA profiles over the four seasons of the year. Furthermore, small non-coding RNAs in zoo animals were examined and a tissue atlas of small non-coding RNAs for mice was generated. The third goal, the assessment of technological advances, was addressed by evaluating the new combinatorial probe-anchor synthesis-based sequencing technology published by BGI, analyzing the effect of RNA integrity on sequencing data, analyzing low-input library preparation protocols, and comparing template-switch based library preparation protocols to ligation-based ones. In addition, an antibody-based labeling sequencing chemistry, CoolMPS, was investigated. Deriving an understanding of the orchestrated regulation by miRNAs, the fourth goal of this thesis, was pursued in a first step by the implementation of a web server visualizing miRNA-gene interaction networks, miRTargetLink. Subsequently, miRPathDB, a database incorporating pathways affected by miRNAs and their targets was implemented, as well as miEAA 2.0, a web server offering quick miRNA set enrichment analyses in over 130,000 categories spanning 10 different species. In addition, miRSNPdb, a database evaluating the effects of single nucleotide polymorphisms and variants in miRNAs or in their target genes was created. Finally, the fifth goal of the thesis, the evaluation of the suitability of miRNAs as biomarkers for human diseases was tackled by investigating the expression profiles of miRNAs with machine learning. An Alzheimer's disease cohort with over 400 individuals was analyzed, as well as another neurodegenerative disease cohort with multiple time points of Parkinson's disease patients and healthy controls. Furthermore, a lung cancer cohort covering 3,000 individuals was examined to evaluate the suitability of an early detection test. In addition, we evaluated the expression profile changes induced by aging on a cohort of 1,334 healthy individuals and over 3,000 diseased patients. Altogether, the herein described tools, databases and research papers present valuable advances and insights into the miRNA research field and have been used and cited by the research community over 2,000 times as of July 2021.Während insbesondere die frühe Genetik-Forschung sich auf den kleinen Teil des menschlichen Genoms konzentrierte, der für Proteine kodiert, wurde deutlich, dass auch in den übrigen Regionen Moleküle kodiert werden, die für viele wichtige Funktionen verantwortlich sind. Ursprünglich ging man davon aus, dass nicht codierende RNAs, d. h. Moleküle, die nicht in Proteine übersetzt werden, nur aus zwei Klassen bestehen (ribosomale RNAs und Transfer-RNAs). Seit den frühen 1980er Jahren wurden jedoch viele andere nicht-kodierende RNA-Klassen entdeckt. In den letzten zwei Jahrzehnten sind kleine nichtcodierende RNAs (sncRNAs) und insbesondere microRNAs (miRNAs) zu wichtigen Molekülen in der biologischen und biomedizinischen Forschung geworden. In dieser Arbeit werden fünf Aspekte der miRNA-Forschung behandelt. Ausgehend von der Entwicklung fortschrittlicher Computersoftware zur Analyse von miRNA-Daten (1) wurde ein tiefgreifendes Verständnis menschlicher und nicht-menschlicher miRNAs entwickelt und Datenbanken mit diesem Wissen erstellt (2). Darüber hinaus wurden die Auswirkungen des technologischen Fortschritts bewertet (3). Wir haben auch dazu beigetragen, zu verstehen, wie miRNAs koordiniert agieren, um menschliche Gene zu regulieren (4). Schließlich bewerteten wir anhand der Erkenntnisse, die wir mit den Tools und Ressourcen der genannten Aspekte gewonnen hatten, die Eignung von miRNAs als Biomarker (5). Mit der Etablierung der Sequenzierung der nächsten Generation war das primäre Ziel dieser Arbeit die Schaffung einer fortschrittlichen bioinformatischen Analysepipeline für Hochdurchsatz-MiRNA-Sequenzierungsdaten, die sich in erster Linie auf den Menschen konzentriert. Daher wurde miRMaster, eine webbasierte Softwarelösung zur Analyse von Hunderten von Sequenzierproben innerhalb weniger Stunden, implementiert. Das Tool wurde so implementiert, dass es verschiedene Sequenzierungstechnologien und Bibliotheksvorbereitungstechniken unterstützen kann. Diese Flexibilität ermöglichte es miRMaster, eine konsequente Nutzerbasis aufzubauen, die im Juli 2021 über 120.000 verarbeitete Proben und 1,5 Milliarden verarbeitete Reads umfasste, womit die Grundlage für das zweite Ziel dieser Arbeit geschaffen wurde. Die Implementierung einer Funktion, die es den Nutzern ermöglicht, ihre hochgeladenen Daten mit anderen zu teilen, trug wesentlich zur Erstellung einer detaillierten Annotation des menschlichen kleinen nicht-kodierenden Transkriptoms bei. Diese Annotation wurde in eine neue miRNA-Datenbank, miRCarta, integriert, die Tausende von miRNA-Kandidaten und entsprechende Expressionsprofile abbildet. Eine Teilmenge dieser Kandidaten wurde dann im Zusammenhang mit verschiedenen Krankheiten bewertet und validiert. Die so gewonnenen Erkenntnisse wurden anschließend genutzt, um weitere miRNA-Kandidaten zu validieren und eine Schätzung der Anzahl der miRNAs im Menschen vorzunehmen. Die große Sammlung von Proben, die über viele Jahre mit miRMaster gesammelt wurde, wurde auch in einen Webserver integriert, der miRNA-Armverschiebungen und -Wechsel auswertet, miRSwitch. Schließlich haben wir eine aktualisierte Version von miRMaster veröffentlicht, die den Anwendungsbereich auf andere Spezies ausweitet und zusätzliche Downstream-Analysefunktionen hinzufügt. Das zweite Ziel dieser Arbeit wurde weiterverfolgt, indem die Verteilung von miRNAs in verschiedenen menschlichen Geweben und Körperflüssigkeiten sowie die Variabilität der miRNA-Profile über die vier Jahreszeiten hinweg untersucht wurde. Darüber hinaus wurden kleine nichtkodierende RNAs in Zootieren untersucht und ein Gewebeatlas der kleinen nichtkodierenden RNAs für Mäuse erstellt. Das dritte Ziel, die Einschätzung des technologischen Fortschritts, wurde angegangen, indem die neue kombinatorische Sonden-Anker-Synthese-basierte Sequenzierungstechnologie, die vom BGI veröffentlicht wurde, bewertet wurde, die Auswirkungen der RNA-Integrität auf die Sequenzierungsdaten analysiert wurden, Protokolle für die Bibliotheksvorbereitung mit geringem Input analysiert wurden und Protokolle für die Bibliotheksvorbereitung auf der Basis von Template-Switch mit solchen auf Ligationsbasis verglichen wurden. Darüber hinaus wurde eine auf Antikörpern basierende Labeling-Sequenzierungschemie, CoolMPS, untersucht. Das vierte Ziel dieser Arbeit, das Verständnis der orchestrierten Regulation durch miRNAs, wurde in einem ersten Schritt durch die Implementierung eines Webservers zur Visualisierung von miRNA-Gen-Interaktionsnetzwerken, miRTargetLink, verfolgt. Anschließend wurde miRPathDB implementiert, eine Datenbank, die von miRNAs und ihren Zielgenen beeinflusste Pfade enthält, sowie miEAA 2.0, ein Webserver, der schnelle miRNA-Anreicherungsanalysen in über 130.000 Kategorien aus 10 verschiedenen Spezies bietet. Darüber hinaus wurde miRSNPdb, eine Datenbank zur Bewertung der Auswirkungen von Einzelnukleotid-Polymorphismen und Varianten in miRNAs oder ihren Zielgenen, erstellt. Schließlich wurde das fünfte Ziel der Arbeit, die Bewertung der Eignung von miRNAs als Biomarker für menschliche Krankheiten, durch die Untersuchung der Expressionsprofile von miRNAs anhand von maschinellem Lernen angegangen. Eine Alzheimer-Kohorte mit über 400 Personen wurde analysiert, ebenso wie eine weitere neurodegenerative Krankheitskohorte mit Parkinson-Patienten an mehreren Zeitpunkten der Krankheit und gesunden Kontrollen. Außerdem wurde eine Lungenkrebskohorte mit 3.000 Personen untersucht, um die Eignung eines Früherkennungstests zu bewerten. Darüber hinaus haben wir die altersbedingten Veränderungen des Expressionsprofils bei einer Kohorte von 1.334 gesunden Personen und über 3.000 kranken Patienten untersucht. Insgesamt stellen die hier beschriebenen Tools, Datenbanken und Forschungsarbeiten wertvolle Fortschritte und Erkenntnisse auf dem Gebiet der miRNA-Forschung dar und wurden bis Juli 2021 von der Forschungsgemeinschaft über 2.000 Mal verwendet und zitiert

Expression data dnalysis and regulatory network inference by means of correlation patterns

With the advance of high-throughput techniques, the amount of available data in the bio-molecular field is rapidly growing. It is now possible to measure genome-wide aspects of an entire biological system as a whole. Correlations that emerge due to internal dependency structures of these systems entail the formation of characteristic patterns in the corresponding data. The extraction of these patterns has become an integral part of computational biology. By triggering perturbations and interventions it is possible to induce an alteration of patterns, which may help to derive the dependency structures present in the system. In particular, differential expression experiments may yield alternate patterns that we can use to approximate the actual interplay of regulatory proteins and genetic elements, namely, the regulatory network of a cell. In this work, we examine the detection of correlation patterns from bio-molecular data and we evaluate their applicability in terms of protein contact prediction, experimental artifact removal, the discovery of unexpected expression patterns and genome-scale inference of regulatory networks. Correlation patterns are not limited to expression data. Their analysis in the context of conserved interfaces among proteins is useful to estimate whether these may have co-evolved. Patterns that hint on correlated mutations would then occur in the associated protein sequences as well. We employ a conceptually simple sampling strategy to decide whether or not two pathway elements share a conserved interface and are thus likely to be in physical contact. We successfully apply our method to a system of ABC-transporters and two-component systems from the phylum of Firmicute bacteria. For spatially resolved gene expression data like microarrays, the detection of artifacts, as opposed to noise, corresponds to the extraction of localized patterns that resemble outliers in a given region. We develop a method to detect and remove such artifacts using a sliding-window approach. Our method is very accurate and it is shown to adapt to other platforms like custom arrays as well. Further, we developed Padesco as a way to reveal unexpected expression patterns. We extract frequent and recurring patterns that are conserved across many experiments. For a specific experiment, we predict whether a gene deviates from its expected behaviour. We show that Padesco is an effective approach for selecting promising candidates from differential expression experiments. In Chapter 5, we then focus on the inference of genome-scale regulatory networks from expression data. Here, correlation patterns have proven useful for the data-driven estimation of regulatory interactions. We show that, for reliable eukaryotic network inference, the integration of prior networks is essential. We reveal that this integration leads to an over-estimate of network-wide quality estimates and suggest a corrective procedure, CoRe, to counterbalance this effect. CoRe drastically improves the false discovery rate of the originally predicted networks. We further suggest a consensus approach in combination with an extended set of topological features to obtain a more accurate estimate of the eukaryotic regulatory network for yeast. In the course of this work we show how correlation patterns can be detected and how they can be applied for various problem settings in computational molecular biology. We develop and discuss competitive approaches for the prediction of protein contacts, artifact repair, differential expression analysis, and network inference and show their applicability in practical setups.Mit der Weiterentwicklung von Hochdurchsatztechniken steigt die Anzahl verfügbarer Daten im Bereich der Molekularbiologie rapide an. Es ist heute möglich, genomweite Aspekte eines ganzen biologischen Systems komplett zu erfassen. Korrelationen, die aufgrund der internen Abhängigkeits-Strukturen dieser Systeme enstehen, führen zu charakteristischen Mustern in gemessenen Daten. Die Extraktion dieser Muster ist zum integralen Bestandteil der Bioinformatik geworden. Durch geplante Eingriffe in das System ist es möglich Muster-Änderungen auszulösen, die helfen, die Abhängigkeits-Strukturen des Systems abzuleiten. Speziell differentielle Expressions-Experimente können Muster-Wechsel bedingen, die wir verwenden können, um uns dem tatsächlichen Wechselspiel von regulatorischen Proteinen und genetischen Elementen anzunähern, also dem regulatorischen Netzwerk einer Zelle. In der vorliegenden Arbeit beschäftigen wir uns mit der Erkennung von Korrelations-Mustern in molekularbiologischen Daten und schätzen ihre praktische Nutzbarkeit ab, speziell im Kontext der Kontakt-Vorhersage von Proteinen, der Entfernung von experimentellen Artefakten, der Aufdeckung unerwarteter Expressions-Muster und der genomweiten Vorhersage regulatorischer Netzwerke. Korrelations-Muster sind nicht auf Expressions-Daten beschränkt. Ihre Analyse im Kontext konservierter Schnittstellen zwischen Proteinen liefert nützliche Hinweise auf deren Ko-Evolution. Muster die auf korrelierte Mutationen hinweisen, würden in diesem Fall auch in den entsprechenden Proteinsequenzen auftauchen. Wir nutzen eine einfache Sampling-Strategie, um zu entscheiden, ob zwei Elemente eines Pathways eine gemeinsame Schnittstelle teilen, berechnen also die Wahrscheinlichkeit für deren physikalischen Kontakt. Wir wenden unsere Methode mit Erfolg auf ein System von ABC-Transportern und Zwei-Komponenten-Systemen aus dem Firmicutes Bakterien-Stamm an. Für räumlich aufgelöste Expressions-Daten wie Microarrays enspricht die Detektion von Artefakten der Extraktion lokal begrenzter Muster. Im Gegensatz zur Erkennung von Rauschen stellen diese innerhalb einer definierten Region Ausreißer dar. Wir entwickeln eine Methodik, um mit Hilfe eines Sliding-Window-Verfahrens, solche Artefakte zu erkennen und zu entfernen. Das Verfahren erkennt diese sehr zuverlässig. Zudem kann es auf Daten diverser Plattformen, wie Custom-Arrays, eingesetzt werden. Als weitere Möglichkeit unerwartete Korrelations-Muster aufzudecken, entwickeln wir Padesco. Wir extrahieren häufige und wiederkehrende Muster, die über Experimente hinweg konserviert sind. Für ein bestimmtes Experiment sagen wir vorher, ob ein Gen von seinem erwarteten Verhalten abweicht. Wir zeigen, dass Padesco ein effektives Vorgehen ist, um vielversprechende Kandidaten eines differentiellen Expressions-Experiments auszuwählen. Wir konzentrieren uns in Kapitel 5 auf die Vorhersage genomweiter regulatorischer Netzwerke aus Expressions-Daten. Hierbei haben sich Korrelations-Muster als nützlich für die datenbasierte Abschätzung regulatorischer Interaktionen erwiesen. Wir zeigen, dass für die Inferenz eukaryotischer Systeme eine Integration zuvor bekannter Regulationen essentiell ist. Unsere Ergebnisse ergeben, dass diese Integration zur Überschätzung netzwerkübergreifender Qualitätsmaße führt und wir schlagen eine Prozedur - CoRe - zur Verbesserung vor, um diesen Effekt auszugleichen. CoRe verbessert die False Discovery Rate der ursprünglich vorhergesagten Netzwerke drastisch. Weiterhin schlagen wir einen Konsensus-Ansatz in Kombination mit einem erweiterten Satz topologischer Features vor, um eine präzisere Vorhersage für das eukaryotische Hefe-Netzwerk zu erhalten. Im Rahmen dieser Arbeit zeigen wir, wie Korrelations-Muster erkannt und wie sie auf verschiedene Problemstellungen der Bioinformatik angewandt werden können. Wir entwickeln und diskutieren Ansätze zur Vorhersage von Proteinkontakten, Behebung von Artefakten, differentiellen Analyse von Expressionsdaten und zur Vorhersage von Netzwerken und zeigen ihre Eignung im praktischen Einsatz