จีโนมิกส์เชิงระบบและชีววิทยาระบบเครือข่าย
ยีนและโปรตีนไม่ค่อยทำงานเพียงลำพัง จีโนมิกส์เชิงระบบและชีววิทยาระบบเครือข่ายแสดงโมเลกุลของเซลล์เป็นโหนดที่เชื่อมต่อกันด้วยปฏิสัมพันธ์ — ทางกายภาพ การควบคุม หรือการทำงาน — และวิเคราะห์เครือข่ายที่เกิดขึ้นเพื่อทำความเข้าใจว่าจีโนไทป์สร้างฟีโนไทป์ได้อย่างไร และการรบกวนองค์ประกอบหนึ่งส่งผลกระทบต่อระบบจนทำให้เกิดโรคได้อย่างไร
Definition
จีโนมิกส์เชิงระบบคือการศึกษาการทำงานของจีโนมผ่านพฤติกรรมแบบบูรณาการขององค์ประกอบโมเลกุลหลายชนิด และชีววิทยาระบบเครือข่ายคือการแสดงและการวิเคราะห์องค์ประกอบเหล่านั้นเป็นเครือข่ายของโหนดที่มีปฏิสัมพันธ์กัน — ยีน โปรตีน หรือโมเลกุลอื่นๆ — ซึ่งโทโพโลยีและโครงสร้างแบบโมดูลาร์ได้รับการวิเคราะห์เพื่ออนุมานการทำงานและกลไกของโรค
Scope
หัวข้อนี้ครอบคลุมการสร้างและการวิเคราะห์เครือข่ายทางชีวภาพ: เครือข่ายปฏิสัมพันธ์ระหว่างโปรตีนกับโปรตีนและเครือข่ายควบคุมยีน คุณสมบัติทางโทโพโลยี โมดูลและฮับ และกรอบแนวคิดการแพทย์เครือข่ายของโรค หัวข้อนี้ถือว่าเครือข่ายเป็นเรื่องของระเบียบวิธีและแนวคิด และไม่ได้ให้คำแนะนำทางคลินิก
Core questions
- ปฏิสัมพันธ์ของโมเลกุลสามารถแสดงและวิเคราะห์เป็นเครือข่ายได้อย่างไร?
- คุณสมบัติของเครือข่ายเช่น ฮับ โมดูล และการเชื่อมต่อ เปิดเผยอะไรเกี่ยวกับชีววิทยา?
- เหตุใดยีนที่เกี่ยวข้องกับโรคเดียวกันจึงมีแนวโน้มที่จะรวมกลุ่มกันในเครือข่าย?
- เครือข่ายถูกสร้างขึ้นจากหลักฐานการทดลองและหลักฐานที่คัดสรรมาอย่างหลากหลายได้อย่างไร?
Key concepts
- โหนดและขอบ; อินเตอร์แอคโตม
- เครือข่ายปฏิสัมพันธ์ระหว่างโปรตีนกับโปรตีน
- เครือข่ายควบคุมยีน
- โทโพโลยีของเครือข่าย: ฮับ ดีกรี โมดูลาริตี
- โมดูลโรคและการแพทย์เครือข่าย
- การแสดงภาพและการบูรณาการเครือข่าย
Mechanisms
เครือข่ายทางชีวภาพถูกประกอบขึ้นโดยการแสดงโมเลกุลเป็นโหนดและความสัมพันธ์ของโมเลกุลเป็นขอบ โดยที่ขอบอาจหมายถึงการจับกันทางกายภาพ การควบคุม หรือการเชื่อมโยงการทำงานที่ถ่วงน้ำหนักด้วยหลักฐานที่รวบรวมโดยแหล่งข้อมูลเช่น STRING การวิเคราะห์โทโพโลยีที่ได้เผยให้เห็นหลักการจัดระเบียบ: ฮับที่มีการเชื่อมต่อสูงจำนวนน้อย โมดูลที่มีการเชื่อมต่อหนาแน่นซึ่งมักจะสอดคล้องกับกระบวนการทางชีวภาพ และโครงสร้างโดยรวมที่ยีนที่เกี่ยวข้องกับการทำงานอยู่ใกล้กัน มุมมองการแพทย์เครือข่ายใช้สิ่งนี้เพื่อโต้แย้งว่ายีนที่ก่อให้เกิดโรคเดียวกันอยู่ในพื้นที่ใกล้เคียงร่วมกัน — โมดูลโรค — ดังนั้นโรคจึงสามารถเข้าใจได้ว่าเป็นการรบกวนเฉพาะที่ของระบบที่เชื่อมต่อกัน แทนที่จะเป็นการทำงานของยีนที่แยกตัว ซอฟต์แวร์สภาพแวดล้อมเช่น Cytoscape ให้ชั้นการแสดงภาพและการวิเคราะห์ที่ทำให้เครือข่ายเหล่านี้สามารถจัดการได้
Clinical relevance
แนวทางเครือข่ายช่วยตีความผลลัพธ์ทางจีโนมิกส์โดยการวางยีนที่เกี่ยวข้องในบริบทของปฏิสัมพันธ์ของพวกมัน ซึ่งสนับสนุนสมมติฐานเกี่ยวกับกลไกร่วมกันและยีนที่น่าจะเป็นไปได้ แนวทางเหล่านี้อธิบายวิธีการสร้างแบบจำลองและวิเคราะห์ความสัมพันธ์ของโมเลกุล และมีวัตถุประสงค์เพื่อเป็นแนวทางอ้างอิง ไม่ใช่เป็นพื้นฐานสำหรับการวินิจฉัยหรือการตัดสินใจในการรักษาเฉพาะบุคคล
History
เมื่อข้อมูลปฏิสัมพันธ์สะสมมากขึ้นในช่วงต้นทศวรรษ 2000 เซลล์ก็ถูกมองว่าเป็นเครือข่ายมากกว่ารายการส่วนประกอบ Cytoscape (2003) ให้แพลตฟอร์มทั่วไปแก่นักวิจัยในการแสดงภาพและวิเคราะห์เครือข่ายปฏิสัมพันธ์ของโมเลกุล และฐานข้อมูลการเชื่อมโยงเช่น STRING ได้รวบรวมหลักฐานที่หลากหลายเข้าเป็นเครือข่ายขนาดจีโนม กรอบแนวคิดการแพทย์เครือข่าย (2011) ได้สังเคราะห์แนวคิดเหล่านี้ โดยเสนอว่าโทโพโลยีของอินเตอร์แอคโตมมีผลต่อการที่การรบกวนทางพันธุกรรมทำให้เกิดโรค และยีนที่เกี่ยวข้องกับโรคก่อตัวเป็นโมดูลที่สามารถระบุได้
Debates
- เครือข่ายปฏิสัมพันธ์มีความสมบูรณ์และน่าเชื่อถือเพียงใด?
- อินเตอร์แอคโตมถูกประกอบขึ้นจากข้อมูลที่หลากหลาย ไม่สมบูรณ์ และมีสัญญาณรบกวน ดังนั้นฮับหรือโมดูลที่ปรากฏอาจสะท้อนถึงอคติของการศึกษาและช่องว่างของการครอบคลุมมากกว่าชีววิทยา; ข้อสรุปที่ได้จากโทโพโลยีของเครือข่ายมีความอ่อนไหวต่อวิธีการสร้างเครือข่าย
Key figures
- Albert-László Barabási
- Joseph Loscalzo
- Trey Ideker
- Christian von Mering
Related topics
Seminal works
- shannon-2003
- barabasi-2011
Frequently asked questions
- โมดูลโรคในการแพทย์เครือข่ายคืออะไร?
- โมดูลโรคคือพื้นที่ใกล้เคียงที่เชื่อมต่อกันของเครือข่ายปฏิสัมพันธ์ของโมเลกุลซึ่งยีนมีส่วนทำให้เกิดโรคเดียวกัน; มุมมองการแพทย์เครือข่ายเชื่อว่ายีนที่ก่อให้เกิดโรคจะรวมกลุ่มกันแทนที่จะกระจายไปทั่วอินเตอร์แอคโตมอย่างสุ่ม
- ฮับในเครือข่ายชีวภาพคืออะไร?
- ฮับคือโหนดที่มีการเชื่อมต่อจำนวนมากผิดปกติ มักจะสอดคล้องกับยีนหรือโปรตีนที่มีความสำคัญในการทำงาน และการกำจัดหรือการรบกวนของพวกมันมักจะมีผลกระทบที่กว้างขวางกว่าโหนดที่มีการเชื่อมต่อไม่ดี