Genómica de Sistemas y Biología de Redes

Los genes y las proteínas rara vez actúan solos. La genómica de sistemas y la biología de redes representan las moléculas de la célula como nodos conectados por interacciones —físicas, reguladoras o funcionales— y analizan las redes resultantes para comprender cómo el genotipo produce el fenotipo y cómo la perturbación de un componente se propaga por el sistema para causar enfermedades.

Definition

La genómica de sistemas es el estudio de la función del genoma a través del comportamiento integrado de muchos componentes moleculares, y la biología de redes es la representación y el análisis de esos componentes como redes de nodos interactuantes —genes, proteínas u otras moléculas— cuya topología y estructura modular se analizan para inferir la función y el mecanismo de la enfermedad.

Scope

Este tema abarca la construcción y el análisis de redes biológicas: redes de interacción proteína-proteína y redes reguladoras de genes, sus propiedades topológicas, módulos y centros (hubs), y el enfoque de la medicina de redes para la enfermedad. Trata las redes como un tema metodológico y conceptual y no proporciona orientación clínica.

Core questions

• ¿Cómo se pueden representar y analizar las interacciones moleculares como una red?
• ¿Qué revelan sobre la biología las propiedades de la red como los centros (hubs), los módulos y la conectividad?
• ¿Por qué los genes asociados a la misma enfermedad tienden a agruparse en la red?
• ¿Cómo se construyen las redes a partir de evidencia experimental y curada heterogénea?

Key concepts

• Nodos y aristas; el interactoma
• Redes de interacción proteína-proteína
• Redes reguladoras de genes
• Topología de red: centros (hubs), grado, modularidad
• Módulos de enfermedad y medicina de redes
• Visualización e integración de redes

Mechanisms

Las redes biológicas se ensamblan representando las moléculas como nodos y sus relaciones como aristas (edges), donde las aristas pueden denotar unión física, control regulador o asociación funcional ponderada por evidencia agregada por recursos como STRING. El análisis de la topología resultante revela principios organizativos: un pequeño número de centros (hubs) altamente conectados, módulos densamente conectados que a menudo corresponden a procesos biológicos, y una estructura general en la que los genes funcionalmente relacionados se encuentran muy cerca. La perspectiva de la medicina de redes utiliza esto para argumentar que los genes que contribuyen a la misma enfermedad ocupan un vecindario compartido —un módulo de enfermedad— de modo que la enfermedad puede entenderse como una perturbación localizada de un sistema conectado en lugar de la acción de genes aislados. Entornos de software como Cytoscape proporcionan la capa de visualización y análisis que hace que estas redes sean manejables.

Clinical relevance

Los enfoques de red ayudan a interpretar los resultados genómicos al colocar los genes implicados en el contexto de sus interacciones, apoyando hipótesis sobre mecanismos compartidos y genes candidatos. Describen cómo se modelan y analizan las relaciones moleculares y están destinados a ser una orientación de referencia, no una base para decisiones individuales de diagnóstico o tratamiento.

History

A medida que se acumulaban los datos de interacción a principios de la década de 2000, la célula comenzó a verse como una red en lugar de una lista de partes. Cytoscape (2003) proporcionó a los investigadores una plataforma común para visualizar y analizar redes de interacción molecular, y bases de datos de asociación como STRING agregaron diversas evidencias en redes a escala genómica. El marco de la medicina de redes (2011) sintetizó estas ideas, proponiendo que la topología del interactoma da forma a cómo las perturbaciones genéticas dan lugar a enfermedades y que los genes asociados a enfermedades forman módulos identificables.

Debates

¿Qué tan completas y confiables son las redes de interacción?

Los interactomas se ensamblan a partir de datos heterogéneos, incompletos y ruidosos, por lo que los centros (hubs) o módulos aparentes pueden reflejar sesgos de estudio y lagunas de cobertura en lugar de biología; las conclusiones extraídas de la topología de la red son sensibles a cómo se construyó la red.

Key figures

• Albert-László Barabási
• Joseph Loscalzo
• Trey Ideker
• Christian von Mering

Seminal works

• shannon-2003
• barabasi-2011

Frequently asked questions

¿Qué es un módulo de enfermedad en la medicina de redes?

Un módulo de enfermedad es un vecindario conectado de la red de interacción molecular cuyos genes contribuyen a la misma enfermedad; la visión de la medicina de redes sostiene que los genes de la enfermedad se agrupan en lugar de dispersarse aleatoriamente por el interactoma.

¿Qué son los centros (hubs) en una red biológica?

Los centros (hubs) son nodos con un número inusualmente grande de conexiones. A menudo corresponden a genes o proteínas funcionalmente importantes, y su eliminación o perturbación tiende a tener efectos más amplios que la de los nodos poco conectados.