Data-driven modelling of biological multi-scale processes

Biological processes involve a variety of spatial and temporal scales. A holistic understanding of many biological processes therefore requires multi-scale models which capture the relevant properties on all these scales. In this manuscript we review mathematical modelling approaches used to describe the individual spatial scales and how they are integrated into holistic models. We discuss the relation between spatial and temporal scales and the implication of that on multi-scale modelling. Based upon this overview over state-of-the-art modelling approaches, we formulate key challenges in mathematical and computational modelling of biological multi-scale and multi-physics processes. In particular, we considered the availability of analysis tools for multi-scale models and model-based multi-scale data integration. We provide a compact review of methods for model-based data integration and model-based hypothesis testing. Furthermore, novel approaches and recent trends are discussed, including computation time reduction using reduced order and surrogate models, which contribute to the solution of inference problems. We conclude the manuscript by providing a few ideas for the development of tailored multi-scale inference methods.Comment: This manuscript will appear in the Journal of Coupled Systems and Multiscale Dynamics (American Scientific Publishers

Neue bioinformatische und statistische Methoden für die Analyse von Massenspektrometrie-basierten phosphoproteomischen Daten

In living cells, reversible protein phosphorylation events propagate signals caused by external stimuli from the plasma membrane to their intracellular destinations. Aberrations in these signaling cascades can lead to diseases such as cancer. To identify and quantify phosphorylation events on a large scale, mass spectrometry (MS) has become the predominant technology. The large amount of data generated by MS requires efficient, tailor-made computational tools in order to draw meaningful biological conclusions. In this work, four new methods for analyzing MS-based phosphoproteomic data are presented. The first method, called SubExtractor, combines phosphoproteomic data with protein network information to identify differentially regulated subnetworks. The method is based on a Bayesian probabilistic model that accounts for information about both differential regulation and network topology, combined with a genetic algorithm and rigorous significance testing. The second method, called MeanRank test, is a global one-sample location test, which is based on the mean ranks across replicates, and internally estimates and controls the false discovery rate. The test successfully deals with small numbers of replicates, missing values without the need of imputation, non-normally distributed expression levels, and non-identical distribution of up- and down-regulated features, while its statistical power scales well with the number of replicates. The third method is a biomarker discovery workflow that aims at identifying a multivariate response prediction biomarker for treatment of non-small cell lung cancer cell lines with the kinase inhibitor dasatinib from phosphoproteomic data (referred to as NSCLC biomarker). An elaborate biomarker workflow based on robust feature selection in combination with a support vector machine (SVM) was designed in order to find a phosphorylation signature that accurately predicts the response to dasatanib. The fourth method, called Pareto biomarker, extends the previous NSCLC biomarker workflow by optimizing not only one single objective (i.e. best possible separation of responders and non-responders), but also the objectives signature size and relevance (i.e. association of signature proteins with dasatinib’s main target). This is achieved by employing a multiobjective optimization algorithm based on the principle of Pareto optimality, which allows for a simultaneous optimization of all three objectives. These novel data analysis methods were thoroughly validated using experimental data and compared to existing methods. They can be used on their own, or they can be combined into a joint workflow in order to efficiently answer complex biological questions in the field of large-scale omics in general and phosphoproteomics in particular.In lebenden Zellen sind reversible Proteinphosphorylierungen für die Weiterleitung von Signalen externer Stimuli zu deren intrazellulären Bestimmungsorten verantwortlich. Anomalien in solchen Signaltransduktionswegen können zu Krankheiten wie beispielsweise Krebs führen. Um Phosphorylierungsstellen in großem Maßstab zu identifizieren und zu quantifizieren, hat sich die Massenspektrometrie (MS) zur vorherrschenden Technologie entwickelt. Die große Menge an Daten, die von Massenspektrometern generiert wird, erfordert effiziente maßgeschneiderte Computerprogramme, um aussagekräftige biologische Schlüsse ziehen zu können. In dieser Arbeit werden vier neue Methoden zur Analyse von MS-basierten phosphoproteomischen Daten präsentiert. Die erste Methode, genannt SubExtractor, kombiniert phosphoproteomische Daten mit Proteinnetzwerkinformationen um differentiell regulierte Subnetzwerke zu identifizieren. Die Methode basiert auf einem Bayesschen Wahrscheinlichkeitsmodell, das sowohl Information über die differentielle Regulation der Einzelknoten als auch die Netzwerktopologie berücksichtigt. Das Modell ist kombiniert mit einem genetischen Algorithmus und stringenter Signifikanzanalyse. Die zweite Methode, genannt MeanRank-Test, ist ein globaler Einstichproben-Lagetest, der auf den mittleren Rängen der Replikate beruht, und die False Discovery Rate implizit abschätzt und kontrolliert. Der Test eignet sich für die Anwendung auf Daten mit wenigen Replikate, fehlenden und nicht normalverteilten Werten, sowie nicht gleichverteilter Hoch- und Runterregulation. Gleichzeitig skaliert die Teststärke gut mit der Anzahl an Replikaten. Die dritte Methode ist ein Arbeitsablauf zur Biomarkeridentifizierung und hat zum Ziel, einen multivariaten Stratifikationsbiomarker aus phosphoproteomischen Daten zu extrahieren, der das Ansprechen von nichtkleinzelligen Bronchialkarzinomzelllinien auf den Kinaseinhibitor Dasatinib vorhersagt (bezeichnet als NSCLC-Biomarker). Dazu wurde ein ausführlicher Biomarkerarbeitsablauf basierend auf einer robusten Feature Selection in Kombination mit Support Vector Machine-Klassifizierung erstellt, um eine Phosphorylierungssignatur zu finden, die das Ansprechen auf Dasatinib richtig vorhersagt. Die vierte Methode, genannt Pareto-Biomarker, erweitert den vorherigen Biomarkerarbeitsablauf, indem nicht nur eine Zielfunktion (d.h. die bestmögliche Trennung von Respondern und Nichtrespondern) optimiert wird, sondern zusätzlich noch die Signaturgröße und Relevanz (d.h. die Verbindung der Signaturproteine mit dem Targetprotein von Dasatinib). Dies wird durch die Verwendung eines multiobjektiven Optimierungsalgorithmus erreicht, der auf dem Prinzip der Pareto-Optimalität beruht und die gleichzeitige Optimierung aller drei Zielfunktionen ermöglicht. Die hier präsentierten neuen Datenanalysemethoden wurden gründlich mittels experimenteller Daten validiert und mit bereits bestehenden Methoden verglichen. Sie können einzeln verwendet werden, oder man kann sie zu einem gemeinsamen Arbeitsablauf zusammenfügen, um komplexe biologische Fragestellungen in Omik-Gebieten im Allgemeinen und Phosphoproteomik im Speziellen zu beantworten

A diversity-aware computational framework for systems biology

L'abstract è presente nell'allegato / the abstract is in the attachmen