Studying biological networks, such as protein-protein interactions, is key to understanding complex biological activities. Various types of large-scale biological datasets have been collected and analyzed with high-throughput technologies, including DNA microarray, next-generation sequencing, and the two-hybrid screening system, for this purpose. In this review, we focus on network-based approaches that help in understanding biological systems and identifying biological functions. Accordingly, this paper covers two major topics in network biology: reconstruction of gene regulatory networks and network-based applications, including protein function prediction, disease gene prioritization, and network-based genome-wide association study.
Proceedings of the Korean Society for Bioinformatics Conference
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2004.11a
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pp.265-271
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2004
The interaction network of protein -protein plays an important role to understand the various biological functions of cells. Currently, the high -throughput experimental techniques (two -dimensional gel electrophoresis, mass spectroscopy, yeast two -hybrid assay) provide us with the vast amount of data for protein-protein interaction at the proteome scale. In order to recognize the role of each protein in their network, the efficient bioinformatical and computational analysis methods are required. We propose a systematic and mathematical method which can analyze the protein -protein interaction network rigorously and enable us to capture the biological and physical essence of a topological character and stability of protein -protein network, and sensitivity of each protein along the biological pathway of their network. We set up a Laplacian matrix of spectral graph theory based on the protein-protein network of yeast proteome, and perform an eigenvalue analysis and apply a perturbation method on a Laplacian matrix, which result in recognizing the center of protein cluster, the identity of hub proteins around it and their relative sensitivities. Identifying the topology of protein -protein network via a Laplacian matrix, we can recognize the important relation between the biological pathway of yeast proteome and the formalism of master equation. The results of our systematic and mathematical analysis agree well with the experimental findings of yeast proteome. The biological function and meaning of each protein cluster can be explained easily. Our rigorous analysis method is robust for understanding various kinds of networks whether they are biological, social, economical...etc
Neural network models, also known as connectionist models or PDP models, simulate some functions of the brain and may promise to give insight in understanding the cognitive brain functions. The models composed of neuron-like elements that are linked into circuits can learn and adapt to its environment in a trial and error fashion. In this article, the history and principles of the neural network modeling are briefly reviewed, and its applications to psychiatry are discussed.
The main mechanism of evolution is that biological entities change, are selected, and reproduce. We propose a different concept in terms of the main agent or atom of evolution: in the biological world, not an individual object, but its interactive network is the fundamental unit of evolution. The interaction network is composed of interaction pairs of information objects that have order information. This indicates a paradigm shift from 3D biological objects to an abstract network of information entities as the primary agent of evolution. It forces us to change our views about how organisms evolve and therefore the methods we use to analyze evolution.
Most common complex traits, such as obesity, hypertension, diabetes, and cancers, are known to be associated with multiple genes, environmental factors, and their epistasis. Recently, the development of advanced genotyping technologies has allowed us to perform genome-wide association studies (GWASs). For detecting the effects of multiple genes on complex traits, many approaches have been proposed for GWASs. Multifactor dimensionality reduction (MDR) is one of the powerful and efficient methods for detecting high-order gene-gene ($G{\times}G$) interactions. However, the biological interpretation of $G{\times}G$ interactions identified by MDR analysis is not easy. In order to aid the interpretation of MDR results, we propose a network graph analysis to elucidate the meaning of identified $G{\times}G$ interactions. The proposed network graph analysis consists of three steps. The first step is for performing $G{\times}G$ interaction analysis using MDR analysis. The second step is to draw the network graph using the MDR result. The third step is to provide biological evidence of the identified $G{\times}G$ interaction using external biological databases. The proposed method was applied to Korean Association Resource (KARE) data, containing 8838 individuals with 327,632 single-nucleotide polymorphisms, in order to perform $G{\times}G$ interaction analysis of body mass index (BMI). Our network graph analysis successfully showed that many identified $G{\times}G$ interactions have known biological evidence related to BMI. We expect that our network graph analysis will be helpful to interpret the biological meaning of $G{\times}G$ interactions.
Traditionally, biologists have devoted their careers to studying individual biological entities of their own interest, partly due to lack of available data regarding that entity. Large, high-throughput data, too complex for conventional processing methods (i.e., "big data"), has accumulated in cancer biology, which is freely available in public data repositories. Such challenges urge biologists to inspect their biological entities of interest using novel approaches, firstly including repository data retrieval. Essentially, these revolutionary changes demand new interpretations of huge datasets at a systems-level, by so called "systems biology". One of the representative applications of systems biology is to generate a biological network from high-throughput big data, providing a global map of molecular events associated with specific phenotype changes. In this review, we introduce the repositories of cancer big data and cutting-edge systems biology tools for network generation, and improved identification of therapeutic targets.
A factor graph and belief propagation can be used for finding stochastic values of link weights in biological networks. However it is not easy to follow the process of use and so we presented the process with a toy network of three nodes in our prior work. We extend this work more generally and present numerical example for a network of 100 nodes.
Living organisms are comprised of various systems at different levels, i.e., organs, tissues, and cells. Each system carries out its diverse functions in response to environmental and genetic perturbations, by utilizing biological networks, in which nodal components, such as, DNA, mRNAs, proteins, and metabolites, closely interact with each other. Systems biology investigates such systems by producing comprehensive global data that represent different levels of biological information, i.e., at the DNA, mRNA, protein, or metabolite levels, and by integrating this data into network models that generate coherent hypotheses for given biological situations. This review presents a systems biology framework, called the 'Integrative Proteomics Data Analysis Pipeline' (IPDAP), which generates mechanistic hypotheses from network models reconstructed by integrating diverse types of proteomic data generated by mass spectrometry-based proteomic analyses. The devised framework includes a serial set of computational and network analysis tools. Here, we demonstrate its functionalities by applying these tools to several conceptual examples.
Biological and chemical sensors are the two most frequently used sensors to monitor the water resource. Chemical sensor is very accurate to pick up the types and to measure the concentration of the chemical substance. Drawback is that it works for just one type of chemical substance. Therefore a lot of expensive monitoring system needs to be installed to determine the safeness of the water, which costs too much expense. Biological sensor, on the contrary, can judge the degree of pollution of the water with just one monitoring system. However, it is not easy to figure out the type of contaminant with a biological sensor. In this study, an endeavor is made to identify the toxicant in the water using the shape of the chlorophyll fluorescence induction curve (FIC) from a biological monitoring system. Wem-tox values are calculated from the amount of flourescence of contaminated and reference water. Curve fitting is executed to find the representative curve of the raw data of Wem-tox values. Then the curves are digitalized at the same interval to train the neural network model. Taguchi method is used to optimize the neural network model parameters. The optimized model shows a good capacity to figure out the toxicant from FIC.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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