Plongement de graphes multicouches pour l'intégration de données omiques en bioinformatique

Biological systems are composed of interacting bio-molecules at different molecular levels. With the advent of high-throughput technologies, omics data at their respective molecular level can be easily obtained. These huge, complex multi-omics data can be useful to provide insights into the flow of information at multiple levels, unraveling the mechanisms underlying the biological condition of interest. Integration of different omics data types is often expected to elucidate potential causative changes that lead to specific phenotypes, or targeted treatments. With the recent advances in network science, we choose to handle this integration issue by representing omics data through networks. In this thesis, we have developed three models, namely BraneExp, BraneNet, and BraneMF, for learning node embeddings from multilayer biological networks generated with omics data. We aim to tackle various challenging problems arising in multi-omics data integration, developing expressive and scalable methods capable of leveraging rich structural semantics of realworld networks.Les systèmes biologiques sont composés de biomolécules en interaction à différents niveaux moléculaires. D’un côté, les avancées technologiques ont facilité l’obtention des données omiques à ces divers niveaux. De l’autre, de nombreuses questions se posent, pour donner du sens et élucider les interactions importantes dans le flux d’informations complexes porté par cette énorme variété et quantité des données multi-omiques. Les réponses les plus satisfaisantes seront celles qui permettront de dévoiler les mécanismes sous-jacents à la condition biologique d’intérêt. On s’attend souvent à ce que l’intégration de différents types de données omiques permette de mettre en lumière les changements causaux potentiels qui conduisent à un phénotype spécifique ou à des traitements ciblés. Avec les avancées récentes de la science des réseaux, nous avons choisi de traiter ce problème d’intégration en représentant les données omiques à travers les graphes. Dans cette thèse, nous avons développé trois modèles à savoir BraneExp, BraneNet et BraneMF pour l’apprentissage d’intégrations de noeuds à partir de réseaux biologiques multicouches générés à partir de données omiques. Notre objectif est de résoudre divers problèmes complexes liés à l’intégration de données multiomiques, en développant des méthodes expressives et évolutives capables de tirer parti de la riche sémantique structurelle latente des réseaux du monde réel

Plongement de graphes multicouches pour l'intégration de données omiques en bioinformatique

Biological systems are composed of interacting bio-molecules at different molecular levels. With the advent of high-throughput technologies, omics data at their respective molecular level can be easily obtained. These huge, complex multi-omics data can be useful to provide insights into the flow of information at multiple levels, unraveling the mechanisms underlying the biological condition of interest. Integration of different omics data types is often expected to elucidate potential causative changes that lead to specific phenotypes, or targeted treatments. With the recent advances in network science, we choose to handle this integration issue by representing omics data through networks. In this thesis, we have developed three models, namely BraneExp, BraneNet, and BraneMF, for learning node embeddings from multilayer biological networks generated with omics data. We aim to tackle various challenging problems arising in multi-omics data integration, developing expressive and scalable methods capable of leveraging rich structural semantics of realworld networks.Les systèmes biologiques sont composés de biomolécules en interaction à différents niveaux moléculaires. D’un côté, les avancées technologiques ont facilité l’obtention des données omiques à ces divers niveaux. De l’autre, de nombreuses questions se posent, pour donner du sens et élucider les interactions importantes dans le flux d’informations complexes porté par cette énorme variété et quantité des données multi-omiques. Les réponses les plus satisfaisantes seront celles qui permettront de dévoiler les mécanismes sous-jacents à la condition biologique d’intérêt. On s’attend souvent à ce que l’intégration de différents types de données omiques permette de mettre en lumière les changements causaux potentiels qui conduisent à un phénotype spécifique ou à des traitements ciblés. Avec les avancées récentes de la science des réseaux, nous avons choisi de traiter ce problème d’intégration en représentant les données omiques à travers les graphes. Dans cette thèse, nous avons développé trois modèles à savoir BraneExp, BraneNet et BraneMF pour l’apprentissage d’intégrations de noeuds à partir de réseaux biologiques multicouches générés à partir de données omiques. Notre objectif est de résoudre divers problèmes complexes liés à l’intégration de données multiomiques, en développant des méthodes expressives et évolutives capables de tirer parti de la riche sémantique structurelle latente des réseaux du monde réel

Plongement de graphes multicouches pour l'intégration de données omiques en bioinformatique

Biological systems are composed of interacting bio-molecules at different molecular levels. With the advent of high-throughput technologies, omics data at their respective molecular level can be easily obtained. These huge, complex multi-omics data can be useful to provide insights into the flow of information at multiple levels, unraveling the mechanisms underlying the biological condition of interest. Integration of different omics data types is often expected to elucidate potential causative changes that lead to specific phenotypes, or targeted treatments. With the recent advances in network science, we choose to handle this integration issue by representing omics data through networks. In this thesis, we have developed three models, namely BraneExp, BraneNet, and BraneMF, for learning node embeddings from multilayer biological networks generated with omics data. We aim to tackle various challenging problems arising in multi-omics data integration, developing expressive and scalable methods capable of leveraging rich structural semantics of realworld networks.Les systèmes biologiques sont composés de biomolécules en interaction à différents niveaux moléculaires. D’un côté, les avancées technologiques ont facilité l’obtention des données omiques à ces divers niveaux. De l’autre, de nombreuses questions se posent, pour donner du sens et élucider les interactions importantes dans le flux d’informations complexes porté par cette énorme variété et quantité des données multi-omiques. Les réponses les plus satisfaisantes seront celles qui permettront de dévoiler les mécanismes sous-jacents à la condition biologique d’intérêt. On s’attend souvent à ce que l’intégration de différents types de données omiques permette de mettre en lumière les changements causaux potentiels qui conduisent à un phénotype spécifique ou à des traitements ciblés. Avec les avancées récentes de la science des réseaux, nous avons choisi de traiter ce problème d’intégration en représentant les données omiques à travers les graphes. Dans cette thèse, nous avons développé trois modèles à savoir BraneExp, BraneNet et BraneMF pour l’apprentissage d’intégrations de noeuds à partir de réseaux biologiques multicouches générés à partir de données omiques. Notre objectif est de résoudre divers problèmes complexes liés à l’intégration de données multiomiques, en développant des méthodes expressives et évolutives capables de tirer parti de la riche sémantique structurelle latente des réseaux du monde réel

Plongement de graphes multicouches pour l'intégration de données omiques en bioinformatique

Les systèmes biologiques sont composés de biomolécules en interaction à différents niveaux moléculaires. D’un côté, les avancées technologiques ont facilité l’obtention des données omiques à ces divers niveaux. De l’autre, de nombreuses questions se posent, pour donner du sens et élucider les interactions importantes dans le flux d’informations complexes porté par cette énorme variété et quantité des données multi-omiques. Les réponses les plus satisfaisantes seront celles qui permettront de dévoiler les mécanismes sous-jacents à la condition biologique d’intérêt. On s’attend souvent à ce que l’intégration de différents types de données omiques permette de mettre en lumière les changements causaux potentiels qui conduisent à un phénotype spécifique ou à des traitements ciblés. Avec les avancées récentes de la science des réseaux, nous avons choisi de traiter ce problème d’intégration en représentant les données omiques à travers les graphes. Dans cette thèse, nous avons développé trois modèles à savoir BraneExp, BraneNet et BraneMF pour l’apprentissage d’intégrations de noeuds à partir de réseaux biologiques multicouches générés à partir de données omiques. Notre objectif est de résoudre divers problèmes complexes liés à l’intégration de données multiomiques, en développant des méthodes expressives et évolutives capables de tirer parti de la riche sémantique structurelle latente des réseaux du monde réel.Biological systems are composed of interacting bio-molecules at different molecular levels. With the advent of high-throughput technologies, omics data at their respective molecular level can be easily obtained. These huge, complex multi-omics data can be useful to provide insights into the flow of information at multiple levels, unraveling the mechanisms underlying the biological condition of interest. Integration of different omics data types is often expected to elucidate potential causative changes that lead to specific phenotypes, or targeted treatments. With the recent advances in network science, we choose to handle this integration issue by representing omics data through networks. In this thesis, we have developed three models, namely BraneExp, BraneNet, and BraneMF, for learning node embeddings from multilayer biological networks generated with omics data. We aim to tackle various challenging problems arising in multi-omics data integration, developing expressive and scalable methods capable of leveraging rich structural semantics of realworld networks

BRANEnet : embedding multilayer networks for omics data integration

International audienceGene expression is regulated at different molecular levels, including chromatin accessibility, transcription, RNA maturation, and transport. These regulatory mechanisms have strong connections with cellular metabolism. In order to study the cellular system and its functioning, omics data at each molecular level can be generated and efficiently integrated. Here, we propose BRANENET, a novel multi-omics integration framework for multilayer heterogeneous networks. BRANENET is an expressive, scalable, and versatile method to learn node embeddings, leveraging random walk information within a matrix factorization framework. Our goal is to efficiently integrate multi-omics data to study different regulatory aspects of multilayered processes that occur in organisms. We evaluate our framework using multi-omics data of Saccharomyces cerevisiae, a well-studied yeast model organism.We test BRANENET on transcriptomics (RNA-seq) and targeted metabolomics (NMR) data for wild-type yeast strain during a heat-shock time course of 0, 20, and 120 min. Our framework learns features for differentially expressed bio-molecules showing heat stress response. We demonstrate the applicability of the learned features for targeted omics inference tasks: transcription factor (TF)-target prediction, integrated omics network (ION) inference, and module identification. The performance of BRANENET is compared to existing network integration methods. Our model outperforms baseline methods by achieving high prediction scores for a variety of downstream tasks

BRANet: Graph-based Integration of Multi-omics Data with Biological a priori for Regulatory Network Inference

International audienc

BRANet: Graph-based Integration of Multi-omics Data with Biological a priori for Regulatory Network Inference

International audienc

BraneMF: integration of biological networks for functional analysis of proteins

Abstract Motivation The cellular system of a living organism is composed of interacting bio-molecules that control cellular processes at multiple levels. Their correspondences are represented by tightly regulated molecular networks. The increase of omics technologies has favored the generation of large-scale disparate data and the consequent demand for simultaneously using molecular and functional interaction networks: gene co-expression, protein–protein interaction (PPI), genetic interaction and metabolic networks. They are rich sources of information at different molecular levels, and their effective integration is essential to understand cell functioning and their building blocks (proteins). Therefore, it is necessary to obtain informative representations of proteins and their proximity, that are not fully captured by features extracted directly from a single informational level. We propose BraneMF, a novel random walk-based matrix factorization method for learning node representation in a multilayer network, with application to omics data integration. Results We test BraneMF with PPI networks of Saccharomyces cerevisiae, a well-studied yeast model organism. We demonstrate the applicability of the learned features for essential multi-omics inference tasks: clustering, function and PPI prediction. We compare it to the state-of-the-art integration methods for multilayer networks. BraneMF outperforms baseline methods by achieving high prediction scores for a variety of downstream tasks. The robustness of results is assessed by an extensive parameter sensitivity analysis. Availability and implementation BraneMF’s code is freely available at: https://github.com/Surabhivj/BraneMF, along with datasets, embeddings and result files. Supplementary information Supplementary data are available at Bioinformatics online

Construction, analysis and validation of co-expression network to understand stress adaptation in Deinococcus radiodurans R1.

Systems biology based approaches have been effectively utilized to mine high throughput data. In the current study, we have performed system-level analysis for Deinococcus radiodurans R1 by constructing a gene co-expression network based on several microarray datasets available in the public domain. This condition-independent network was constructed by Weighted Gene Co-expression Network Analysis (WGCNA) with 61 microarray samples from 9 different experimental conditions. We identified 13 co-expressed modules, of which, 11 showed functional enrichments of one or more pathway/s or biological process. Comparative analysis of differentially expressed genes and proteins from radiation and desiccation stress studies with our co-expressed modules revealed the association of cyan with radiation response. Interestingly, two modules viz darkgreen and tan was associated with radiation as well as desiccation stress responses. The functional analysis of these modules showed enrichment of pathways important for adaptation of radiation or desiccation stress. To decipher the regulatory roles of these stress responsive modules, we identified transcription factors (TFs) and then calculated a Biweight mid correlation between modules hub gene and the identified TFs. We obtained 7 TFs for radiation and desiccation responsive modules. The expressions of 3 TFs were validated in response to gamma radiation using qRT-PCR. Along with the TFs, selected close neighbor genes of two important TFs, viz., DR_0997 (CRP) and DR_2287 (AsnC family transcriptional regulator) in the darkgreen module were also validated. In our network, among 13 hub genes associated with 13 modules, the functionality of 5 hub genes which are annotated as hypothetical proteins (hypothetical hub genes) in D. radiodurans genome has been revealed. Overall the study provided a better insight of pathways and regulators associated with relevant DNA damaging stress response in D. radiodurans

Multiomics Data Integration for Gene Regulatory Network Inference with Exponential Family Embeddings

International audienceThe advent of omics technologies has enabled the generation of huge, complex, heterogeneous, and high-dimensional omics data. Imposing numerous challenges in data integration, these data could lead to a better understanding of the organism's cellular system. Omics data are typically represented as networks to study relations between biological entities, such as protein-protein interaction, gene regulation, and signal transduction. To this end, network embedding approaches allow us to learn latent feature representations for nodes of a graph structure. In this study, we propose a new methodology to learn embeddings by modeling the underlying interactions among biological entities (nodes) with exponential family distributions from a well-chosen set of omics modalities. We evaluate our proposed method based on the gene regulatory network (GRN) inference problem. As the ground truth for evaluation, we use GRN available in public databases and demonstrate its effectiveness by comparing to other network integration approaches