Network-driven strategies to integrate and exploit biomedical data

[eng] In the quest for understanding complex biological systems, the scientific community has been delving into protein, chemical and disease biology, populating biomedical databases with a wealth of data and knowledge. Currently, the field of biomedicine has entered a Big Data era, in which computational-driven research can largely benefit from existing knowledge to better understand and characterize biological and chemical entities. And yet, the heterogeneity and complexity of biomedical data trigger the need for a proper integration and representation of this knowledge, so that it can be effectively and efficiently exploited. In this thesis, we aim at developing new strategies to leverage the current biomedical knowledge, so that meaningful information can be extracted and fused into downstream applications. To this goal, we have capitalized on network analysis algorithms to integrate and exploit biomedical data in a wide variety of scenarios, providing a better understanding of pharmacoomics experiments while helping accelerate the drug discovery process. More specifically, we have (i) devised an approach to identify functional gene sets associated with drug response mechanisms of action, (ii) created a resource of biomedical descriptors able to anticipate cellular drug response and identify new drug repurposing opportunities, (iii) designed a tool to annotate biomedical support for a given set of experimental observations, and (iv) reviewed different chemical and biological descriptors relevant for drug discovery, illustrating how they can be used to provide solutions to current challenges in biomedicine.[cat] En la cerca d’una millor comprensió dels sistemes biològics complexos, la comunitat científica ha estat aprofundint en la biologia de les proteïnes, fàrmacs i malalties, poblant les bases de dades biomèdiques amb un gran volum de dades i coneixement. En l’actualitat, el camp de la biomedicina es troba en una era de “dades massives” (Big Data), on la investigació duta a terme per ordinadors se’n pot beneficiar per entendre i caracteritzar millor les entitats químiques i biològiques. No obstant, la heterogeneïtat i complexitat de les dades biomèdiques requereix que aquestes s’integrin i es representin d’una manera idònia, permetent així explotar aquesta informació d’una manera efectiva i eficient. L’objectiu d’aquesta tesis doctoral és desenvolupar noves estratègies que permetin explotar el coneixement biomèdic actual i així extreure informació rellevant per aplicacions biomèdiques futures. Per aquesta finalitat, em fet servir algoritmes de xarxes per tal d’integrar i explotar el coneixement biomèdic en diferents tasques, proporcionant un millor enteniment dels experiments farmacoòmics per tal d’ajudar accelerar el procés de descobriment de nous fàrmacs. Com a resultat, en aquesta tesi hem (i) dissenyat una estratègia per identificar grups funcionals de gens associats a la resposta de línies cel·lulars als fàrmacs, (ii) creat una col·lecció de descriptors biomèdics capaços, entre altres coses, d’anticipar com les cèl·lules responen als fàrmacs o trobar nous usos per fàrmacs existents, (iii) desenvolupat una eina per descobrir quins contextos biològics corresponen a una associació biològica observada experimentalment i, finalment, (iv) hem explorat diferents descriptors químics i biològics rellevants pel procés de descobriment de nous fàrmacs, mostrant com aquests poden ser utilitzats per trobar solucions a reptes actuals dins el camp de la biomedicina

A community challenge for a pancancer drug mechanism of action inference from perturbational profile data

The Columbia Cancer Target Discovery and Development (CTD2) Center is developing PANACEA, a resource comprising dose-responses and RNA sequencing (RNA-seq) profiles of 25 cell lines perturbed with similar to 400 clinical oncology drugs, to study a tumor-specific drug mechanism of action. Here, this resource serves as the basis for a DREAM Challenge assessing the accuracy and sensitivity of computational algorithms for de novo drug polypharmacology predictions. Dose-response and perturbational profiles for 32 kinase inhibitors are provided to 21 teams who are blind to the identity of the compounds. The teams are asked to predict high-affinity binding targets of each compound among similar to 1,300 targets cataloged in DrugBank. The best performing methods leverage gene expression profile similarity analysis as well as deep-learning methodologies trained on individual datasets. This study lays the foundation for future integrative analyses of pharmacogenomic data, reconciliation of polypharmacology effects in different tumor contexts, and insights into network-based assessments of drug mechanisms of action.Peer reviewe

Jardins per a la salut

Facultat de Farmàcia, Universitat de Barcelona. Ensenyament: Grau de Farmàcia. Assignatura: Botànica farmacèutica. Curs: 2014-2015. Coordinadors: Joan Simon, Cèsar Blanché i Maria Bosch.Els materials que aquí es presenten són el recull de les fitxes botàniques de 128 espècies presents en el Jardí Ferran Soldevila de l’Edifici Històric de la UB. Els treballs han estat realitzats manera individual per part dels estudiants dels grups M-3 i T-1 de l’assignatura Botànica Farmacèutica durant els mesos de febrer a maig del curs 2014-15 com a resultat final del Projecte d’Innovació Docent «Jardins per a la salut: aprenentatge servei a Botànica farmacèutica» (codi 2014PID-UB/054). Tots els treballs s’han dut a terme a través de la plataforma de GoogleDocs i han estat tutoritzats pels professors de l’assignatura. L’objectiu principal de l’activitat ha estat fomentar l’aprenentatge autònom i col·laboratiu en Botànica farmacèutica. També s’ha pretès motivar els estudiants a través del retorn de part del seu esforç a la societat a través d’una experiència d’Aprenentatge-Servei, deixant disponible finalment el treball dels estudiants per a poder ser consultable a través d’una Web pública amb la possibilitat de poder-ho fer in-situ en el propi jardí mitjançant codis QR amb un smartphone

Encircling the regions of the pharmacogenomic landscape that determine drug response

Background: The integration of large-scale drug sensitivity screens and genome-wide experiments is changing the field of pharmacogenomics, revealing molecular determinants of drug response without the need for previous knowledge about drug action. In particular, transcriptional signatures of drug sensitivity may guide drug repositioning, prioritize drug combinations, and point to new therapeutic biomarkers. However, the inherent complexity of transcriptional signatures, with thousands of differentially expressed genes, makes them hard to interpret, thus giving poor mechanistic insights and hampering translation to clinics. Methods: To simplify drug signatures, we have developed a network-based methodology to identify functionally coherent gene modules. Our strategy starts with the calculation of drug-gene correlations and is followed by a pathway-oriented filtering and a network-diffusion analysis across the interactome. Results: We apply our approach to 189 drugs tested in 671 cancer cell lines and observe a connection between gene expression levels of the modules and mechanisms of action of the drugs. Further, we characterize multiple aspects of the modules, including their functional categories, tissue-specificity, and prevalence in clinics. Finally, we prove the predictive capability of the modules and demonstrate how they can be used as gene sets in conventional enrichment analyses. Conclusions: Network biology strategies like module detection are able to digest the outcome of large-scale pharmacogenomic initiatives, thereby contributing to their interpretability and improving the characterization of the drugs screened.A.F-T. is a recipient of an FPI fellowship. P.A. acknowledges the support of the Spanish Ministerio de Economía y Competitividad (BIO2016-77038-R) and the European Research Council (SysPharmAD: 614944)