ژنومیک سیستمی و زیست‌شناسی شبکه‌ای

ژن‌ها و پروتئین‌ها به ندرت به تنهایی عمل می‌کنند. ژنومیک سیستمی و زیست‌شناسی شبکه‌ای، مولکول‌های سلول را به عنوان گره‌هایی که توسط تعاملات — فیزیکی، تنظیمی یا عملکردی — به هم متصل شده‌اند، نمایش می‌دهند و شبکه‌های حاصل را برای درک چگونگی تولید فنوتیپ توسط ژنوتیپ و چگونگی تأثیر اختلال در یک جزء بر کل سیستم برای ایجاد بیماری، تحلیل می‌کنند.

Definition

ژنومیک سیستمی مطالعه عملکرد ژنوم از طریق رفتار یکپارچه بسیاری از اجزای مولکولی است، و زیست‌شناسی شبکه‌ای نمایش و تحلیل آن اجزا به عنوان شبکه‌هایی از گره‌های در حال تعامل — ژن‌ها، پروتئین‌ها یا سایر مولکول‌ها — است که توپولوژی و ساختار ماژولار آن‌ها برای استنتاج عملکرد و مکانیسم بیماری تحلیل می‌شود.

Scope

این موضوع به ساخت و تحلیل شبکه‌های بیولوژیکی می‌پردازد: شبکه‌های تعامل پروتئین-پروتئین و تنظیم ژن، ویژگی‌های توپولوژیکی آن‌ها، ماژول‌ها و هاب‌ها، و چارچوب پزشکی شبکه‌ای بیماری. این موضوع شبکه‌ها را به عنوان یک مبحث روش‌شناختی و مفهومی بررسی می‌کند و راهنمایی بالینی ارائه نمی‌دهد.

Core questions

• چگونه می‌توان تعاملات مولکولی را به عنوان یک شبکه نمایش داد و تحلیل کرد؟
• ویژگی‌های شبکه مانند هاب‌ها، ماژول‌ها و اتصال‌پذیری چه چیزی را در مورد زیست‌شناسی آشکار می‌کنند؟
• چرا ژن‌های مرتبط با یک بیماری مشابه تمایل به خوشه‌بندی در شبکه دارند؟
• شبکه‌ها چگونه از شواهد تجربی و سازمان‌یافته ناهمگون ساخته می‌شوند؟

Key concepts

• گره‌ها و یال‌ها؛ اینتراکتوم
• شبکه‌های تعامل پروتئین-پروتئین
• شبکه‌های تنظیم ژن
• توپولوژی شبکه: هاب‌ها، درجه، ماژولار بودن
• ماژول‌های بیماری و پزشکی شبکه‌ای
• بصری‌سازی و یکپارچه‌سازی شبکه

Mechanisms

شبکه‌های بیولوژیکی با نمایش مولکول‌ها به عنوان گره‌ها و روابط آن‌ها به عنوان یال‌ها (edges) مونتاژ می‌شوند، که در آن یال‌ها ممکن است نشان‌دهنده اتصال فیزیکی، کنترل تنظیمی، یا ارتباط عملکردی با وزن شواهد باشند که توسط منابعی مانند STRING جمع‌آوری شده‌اند. تحلیل توپولوژی حاصل، اصول سازمان‌دهنده را آشکار می‌کند: تعداد کمی از هاب‌های بسیار متصل، ماژول‌های متراکم متصل که اغلب با فرآیندهای بیولوژیکی مطابقت دارند، و یک ساختار کلی که در آن ژن‌های مرتبط عملکردی نزدیک به هم قرار می‌گیرند. دیدگاه پزشکی شبکه‌ای از این امر برای استدلال استفاده می‌کند که ژن‌های مؤثر در یک بیماری مشترک، یک همسایگی مشترک — یک ماژول بیماری — را اشغال می‌کنند، به طوری که بیماری را می‌توان به عنوان یک اختلال موضعی در یک سیستم متصل، به جای عملکرد ژن‌های جداگانه، درک کرد. محیط‌های نرم‌افزاری مانند Cytoscape لایه بصری‌سازی و تحلیل را فراهم می‌کنند که این شبکه‌ها را قابل مدیریت می‌سازد.

Clinical relevance

رویکردهای شبکه‌ای با قرار دادن ژن‌های درگیر در بستر تعاملاتشان، به تفسیر نتایج ژنومی کمک می‌کنند و فرضیه‌هایی را در مورد مکانیسم‌های مشترک و ژن‌های کاندید حمایت می‌کنند. آن‌ها نحوه مدل‌سازی و تحلیل روابط مولکولی را توصیف می‌کنند و به عنوان یک جهت‌گیری مرجع در نظر گرفته شده‌اند، نه به عنوان مبنایی برای تصمیمات تشخیصی یا درمانی فردی.

History

با انباشت داده‌های تعامل در اوایل دهه ۲۰۰۰، سلول به جای فهرستی از اجزا، به عنوان یک شبکه دیده شد. Cytoscape (۲۰۰۳) به محققان یک پلتفرم مشترک برای بصری‌سازی و تحلیل شبکه‌های تعامل مولکولی داد، و پایگاه‌های داده ارتباطی مانند STRING شواهد متنوع را در شبکه‌های در مقیاس ژنوم جمع‌آوری کردند. چارچوب پزشکی شبکه‌ای (۲۰۱۱) این ایده‌ها را ترکیب کرد و پیشنهاد داد که توپولوژی اینتراکتوم (interactome) چگونگی ایجاد بیماری توسط اختلالات ژنتیکی را شکل می‌دهد و ژن‌های مرتبط با بیماری، ماژول‌های قابل شناسایی را تشکیل می‌دهند.

Debates

شبکه‌های تعامل چقدر کامل و قابل اعتماد هستند؟

اینتراکتوم‌ها از داده‌های ناهمگون، ناقص و پر سر و صدا مونتاژ می‌شوند، بنابراین هاب‌ها یا ماژول‌های ظاهری می‌توانند منعکس‌کننده سوگیری مطالعه و شکاف‌های پوشش باشند تا زیست‌شناسی؛ نتایج حاصل از توپولوژی شبکه به نحوه ساخت شبکه حساس هستند.

Key figures

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

Seminal works

• shannon-2003
• barabasi-2011

Frequently asked questions

ماژول بیماری در پزشکی شبکه‌ای چیست؟

ماژول بیماری یک همسایگی متصل از شبکه تعامل مولکولی است که ژن‌های آن به یک بیماری مشابه کمک می‌کنند؛ دیدگاه پزشکی شبکه‌ای بر این باور است که ژن‌های بیماری‌زا به جای پراکندگی تصادفی در سراسر اینتراکتوم، با هم خوشه‌بندی می‌شوند.

هاب‌ها در یک شبکه بیولوژیکی چه هستند؟

هاب‌ها گره‌هایی با تعداد غیرمعمول زیادی اتصال هستند. آن‌ها اغلب با ژن‌ها یا پروتئین‌های مهم عملکردی مطابقت دارند، و حذف یا اختلال در آن‌ها تمایل دارد اثرات گسترده‌تری نسبت به گره‌های با اتصال ضعیف داشته باشد.