Performance Assessment of the Network Reconstruction Approaches on Various Interactomes

Beyond the list of molecules, there is a necessity to collectively consider multiple sets of omic data and to reconstruct the connections between the molecules. Especially, pathway reconstruction is crucial to understanding disease biology because abnormal cellular signaling may be pathological. The main challenge is how to integrate the data together in an accurate way. In this study, we aim to comparatively analyze the performance of a set of network reconstruction algorithms on multiple reference interactomes. We first explored several human protein interactomes, including PathwayCommons, OmniPath, HIPPIE, iRefWeb, STRING, and ConsensusPathDB. The comparison is based on the coverage of each interactome in terms of cancer driver proteins, structural information of protein interactions, and the bias toward well-studied proteins. We next used these interactomes to evaluate the performance of network reconstruction algorithms including all-pair shortest path, heat diffusion with flux, personalized PageRank with flux, and prize-collecting Steiner forest (PCSF) approaches. Each approach has its own merits and weaknesses. Among them, PCSF had the most balanced performance in terms of precision and recall scores when 28 pathways from NetPath were reconstructed using the listed algorithms. Additionally, the reference interactome affects the performance of the network reconstruction approaches. The coverage and disease- or tissue-specificity of each interactome may vary, which may result in differences in the reconstructed networks

Mechanism of activation and the rewired network: New drug design concepts

Precision oncology benefits from effective early phase drug discovery decisions. Recently, drugging inactive protein conformations has shown impressive successes, raising the cardinal questions of which targets can profit and what are the principles of the active/inactive protein pharmacology. Cancer driver mutations have been established to mimic the protein activation mechanism. We suggest that the decision whether to target an inactive (or active) conformation should largely rest on the protein mechanism of activation. We next discuss the recent identification of double (multiple) same-allele driver mutations and their impact on cell proliferation and suggest that like single driver mutations, double drivers also mimic the mechanism of activation. We further suggest that the structural perturbations of double (multiple) in cis mutations may reveal new surfaces/pockets for drug design. Finally, we underscore the preeminent role of the cellular network which is deregulated in cancer. Our structure-based review and outlook updates the traditional Mechanism of Action, informs decisions, and calls attention to the intrinsic activation mechanism of the target protein and the rewired tumor-specific network, ushering innovative considerations in precision medicine

Comparative phosphoproteomic analysis reveals signaling networks regulating monopolar and bipolar cytokinesis.

The successful completion of cytokinesis requires the coordinated activities of diverse cellular components including membranes, cytoskeletal elements and chromosomes that together form partly redundant pathways, depending on the cell type. The biochemical analysis of this process is challenging due to its dynamic and rapid nature. Here, we systematically compared monopolar and bipolar cytokinesis and demonstrated that monopolar cytokinesis is a good surrogate for cytokinesis and it is a well-suited system for global biochemical analysis in mammalian cells. Based on this, we established a phosphoproteomic signature of cytokinesis. More than 10,000 phosphorylation sites were systematically monitored; around 800 of those were up-regulated during cytokinesis. Reconstructing the kinase-substrate interaction network revealed 31 potentially active kinases during cytokinesis. The kinase-substrate network connects proteins between cytoskeleton, membrane and cell cycle machinery. We also found consensus motifs of phosphorylation sites that can serve as biochemical markers specific to cytokinesis. Beyond the kinase-substrate network, our reconstructed signaling network suggests that combination of sumoylation and phosphorylation may regulate monopolar cytokinesis specific signaling pathways. Our analysis provides a systematic approach to the comparison of different cytokinesis types to reveal alternative ways and a global overview, in which conserved genes work together and organize chromatin and cytoplasm during cytokinesis.EMBO (European Molecular Biology Organization) Installation Grant; Young Scientist Award Program BAGEP of the Science Academy (Turkey); TUBITAK-Marie Curie Co-funded Brain Circulation Schem

Systems-level analysis reveals multiple modulators of epithelial-mesenchymal transition and identifies DNAJB4 and CD81 as novel metastasis inducers in breast cancer

Epithelial-mesenchymal transition (EMT) is driven by complex signaling events that induce dramatic biochemical and morphological changes whereby epithelial cells are converted into cancer cells. However, the underlying molecular mechanisms remain elusive. Here, we used mass spectrometry based quantitative proteomics approach to systematically analyze the post-translational biochemical changes that drive differentiation of human mammary epithelial (HMLE) cells into mesenchymal. We identified 314 proteins out of more than 6,000 unique proteins and 871 phosphopeptides out of more than 7,000 unique phosphopeptides as differentially regulated. We found that phosphoproteome is more unstable and prone to changes during EMT compared with the proteome and multiple alterations at proteome level are not thoroughly represented by transcriptional data highlighting the necessity of proteome level analysis. We discovered cell state specific signaling pathways, such as Hippo, sphingolipid signaling, and unfolded protein response (UPR) by modeling the networks of regulated proteins and potential kinase-substrate groups. We identified two novel factors for EMT whose expression increased on EMT induction: DnaJ heat shock protein family (Hsp40) member B4 (DNAJB4) and cluster of differentiation 81 (CD81). Suppression of DNAJB4 or CD81 in mesenchymal breast cancer cells resulted in decreased cell migration in vitro and led to reduced primary tumor growth, extravasation, and lung metastasis in vivo. Overall, we performed the global proteomic and phosphoproteomic analyses of EMT, identified and validated new mRNA and/ or protein level modulators of EMT. This work also provides a unique platform and resource for future studies focusing on metastasis and drug resistanceTurkiye Cumhuriyeti Kalkinma Bakanlig

Glioblastoma'da Hastaya Özgü Sinyal Ağlarının Hedef Molekül Belirlenmesine Yönelik Yapısal Modellenmesi

Kanser heterojen bir hastalıktır. Tümörler üzerine yapılan gen ekspresyon ve proteomik deneyleri sonuçları farklı hastalarda tümörlerin son derece heterojen olduğunu ortaya çıkarmıştır. Standart terapiler tümörler arası heterojeniteyi hesaba katmada başarısızdır ve tedavi sonucu tümör tekrar oluşabilir. Bu projede, en yaygın ve agresif tip malign insan beyin tümörü olan ve hastadan hastaya büyük farklılıklar gösteren Glioblastoma multiforme (GBM) tümörlerine özel oluşturulan sinyal ağlarının yapısal modellenmesi amaçlanmaktadır. Böylece, hastaya özgü ağlarda mutasyon yada farklı protein izoformlarinin sinyal ağlarında yaptıkları değişiklikler ve etkiledikleri biyolojik yolaklar belirlenecektir. Proje sonucunda beklentimiz, GBM’de kişiye özel tedavi stratejilerinin geliştirilmesine yarar sağlayacak hedef molekülleri tahmin edilmesine ve fonksiyonel mekanizmaların aydınlatılmasına katkı sağlamaktır

Kanserde Tümöre Özgü Protein Etkileşim Ağlarının Alternatif Uç Birleştirme Olaylarıyla Yeniden Oluşturulması

Alternatif uç birleştirme proteomun ve sonrasında interaktomun çeşitliliğine katkı sağlayan önemli transkripsiyon sonrası mekanizmalardan biridir. Tek bir genden, farklı protein izoformlarının üretilmesine imkân verir. Etkileşim ağları açısından bakıldığında ise aynı proteinin farklı izoformları yeni etkileşimlerin kazanılmasına ya da var olan etkileşimlerin kaybedilmesine yol açabilir. Alternatif uç birleştirme olaylarının neden olduğu hücre içi değişimler kanser de dahil olmak üzere farklı hastalıklarla ilişkilendirilmiştir. Bu projede, tümöre özgü protein izoformları ve bu izoformların sebep olduğu etkileşim kayıpları dahil edilerek hastaya özgü etkileşim ağları oluşturulmuştur. Bu amaçla, Kanser Genom Atlası?ndan (TCGA) dokuz farklı tümör türüne ait 4123 kanser ve 398 sağlıklı doku RNA-seq verisini kullanılarak tümör örneklerinde kanonik transkripte göre artmış ekspresyon gösteren izoformlar bulunmuş ve bilinen protein izoformları ve yapıları ile eşleştirilmiştir. Böylece her bir hasta tümöründe kaybedilen protein etkileşim yüzeyleri, ilaç bağlanma yüzeyleri ve DNA?ya bağlanma yüzeylerinin, etkilenen sinyal yolaklarının ortaya çıkarıldığı zengin bir veri kaynağı oluşturulmuştur. Baskın izoformların aynı tümörlerde bulunan sürücü mutasyonlar ile aynı anda değil ve ayrışık şekilde bulundukları ortaya çıkmıştır. Sürücü mutasyonların organizasyonunu incelediğimizde ise üç boyutlu yapıda yakın duran mutasyonların fonksiyonel olarak benzer ve farklı tümörlerde aynı anda değil ayrışık bulundukları gözlemlenmiş ve mutasyon gruplarının hasta sağkalım verisiyle ilişkilendirilebilmiştir. Sonuç olarak, farklı protein izoformlarından kaynaklanan Omics Integrator ile yeniden yapılandırılan tüm ağ modelleri karşılaştırıldığında proteinlerin ve etkileşimlerin yeniden bağlanma profilleri ortaya çıkarılmış ve çeşitli proteinlerin ağın bağlantısallığını farklı proteinlerle etkileşime geçerek ve etkileşim partnerlerini değiştirerek koruduğunu gözlemlenmiştir. Oluşturulan etkileşim ağları gelecek çalışmalarda fayda sağlamak amacıyla kullanılabilecek bir web sayfası üzerinden kullanıma sunulmuştur. Bu çalışmanın sonuçlarının tümör gelişimiyle ilgili mekanizmaları aydınlatması ve ayrıca kanserde hastaya özgü tedavi yöntemleri ve hedef seçimi ile ilgili çalışmalara katkıda bulunması beklenmektedir