This paper investigates construction of gene (interaction) networks from gene expression time-series data based on evolutionary computation. To illustrate the proposed approach in a comprehensive way, we first assume an artificial gene network and then compare it with the reconstructed network from the gene expression time-series data generated by the artificial network. Next, we employ real gene expression time-series data (Spellman's yeast data) to construct a gene network by applying the proposed approach. From these experiments, we find that the proposed approach can be used as a useful tool for discovering the structure of a gene network as well as the corresponding relations among genes. The constructed gene network can further provide biologists with information to generate/test new hypotheses and ultimately to unravel the gene functions.
DNA repair means a collection of processes that a cell identifies and corrects damage to genome sequence. The DNA repair processes are important because a genome would not be able to maintain its essential cellular functions without the processes. In this research, we make some gene regulatory networks of DNA repair in S. cerevisiae to know how each gene interacts with others. Two approaches are adapted to make the networks; Bayesian Network and ARACNE. After construction of gene regulatory networks based on the two approaches, the two networks are compared to each other to predict which genes have important roles in the DNA repair processes by finding conserved interactions and looking for hubs. In addition, each interaction between genes in the networks is validated with interaction information in S. cerevisiae genome database to support the meaning of predicted interactions in the networks.
Kim, Ha-Seong;Choi, Ho-Sik;Lee, Jae-K.;Park, Tae-Sung
한국생물정보학회:학술대회논문집
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한국생물정보시스템생물학회 2005년도 BIOINFO 2005
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pp.339-343
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2005
Boolean networks(BN) construction is one of the commonly used methods for building gene networks from time series microarray data. However, BN has two major drawbacks. First, it requires heavy computing times. Second, the binary transformation of the microarray data may cause a loss of information. This paper propose two methods using liner regression to construct gene regulatory networks. The first proposed method uses regression based BN variable selection method, which reduces the computing time significantly in the BN construction. The second method is the regression based network method that can flexibly incorporate the interaction of the genes using continuous gene expression data. We construct the network structure from the simulated data to compare the computing times between Boolean networks and the proposed method. The regression based network method is evaluated using a microarray data of cell cycle in Caulobacter crescentus.
Background: Thanks to the development of the mathematical/statistical reverse engineering and the high-throughput measuring biotechnology, lots of biologically meaningful genegene interaction networks have been revealed. Steady-state analysis of these systems provides an important clue to understand and to predict the systematic behaviours of the biological system. However, modeling such a complex and large-scale system is one of the challenging difficulties in systems biology. Results: We introduce a new stochastic modeling approach that can describe gene regulatory mechanisms by dividing two (DNA and protein) layers. Simple queuing system is employed to explain the DNA layer and the protein layer is modeled using G-networks which enable us to account for the post-translational protein interactions. Our method is applied to a transcription repression system and an active protein degradation system. The steady-state results suggest that the active protein degradation system is more sensitive but the transcription repression system might be more reliable than the transcription repression system. Conclusions: Our two layer stochastic model successfully describes the long-run behaviour of gene regulatory networks which consist of various mRNA/protein processes. The analytic solution of the G-networks enables us to extend our model to a large-scale system. A more reliable modeling approach could be achieved by cooperating with a real experimental study in synthetic biology.
In this paper, we propose the integrated Bayesian network framework to reconstruct genetic regulatory networks from genome expression data. The proposed model overcomes the dimensionality problem of multivariate analysis by building coherent sub-networks from confined gene clusters and combining these networks via intermediary points. Gene Shaving algorithm is used to cluster genes that share a common function or co-regulation. Retrieved clusters incorporate prior biological knowledge such as Gene Ontology, pathway, and protein protein interaction information for extracting other related genes. With these extended gene list, system builds genetic sub-networks using Bayesian network with MDL score and Sparse Candidate algorithm. Identifying functional modules of genes is done by not only microarray data itself but also well-proved biological knowledge. This integrated approach can improve there liability of a network in that false relations due to the lack of data can be reduced. Another advantage is the decreased computational complexity by constrained gene sets. To evaluate the proposed system, S. Cerevisiae cell cycle data [1] is applied. The result analysis presents new hypotheses about novel genetic interactions as well as typical relationships known by previous researches [2].
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.
유전자들의 그룹은 복잡한 상호작용들을 통해 세포의 기능이 조절되며 이러한 상호작용을 하는 유전자 그룹들을 유전자 조절 네트워크 (GRNs: Gene Regulatory Networks)라고 한다. 이전의 유전자 발현 분석 기법인 군집화와 분류는 단지 상동성에 의한 유전자들 사이의 소속을 결정하는 데에는 유용하나 분자 활동에서의 같은 클래스에서 발견되어지는 유전자들 사이의 조절 관계를 식별할 수 없다. 더욱이 유전자들이 어떻게 연관되는 지와 유전자들이 서로 어떻게 조절하는지에 대한 매커니즘의 이해가 필요하다. 따라서 이 논문에서는 시계열 마이크로어레이 데이터로부터의 유전자들의 조절 관계를 발견하기 위해서 빈발 패턴 마이닝과 연쇄 규칙을 이용한 새로운 접근법을 제안하였다. 이 기법에서는 먼저, 빈발 패턴 마이닝 적용을 위한 적절한 데이터 변환 방법을 제안하였고 FP-growth을 이용하여 유전자 발현 패턴들을 발견한다. 그런 다음, 연쇄 규칙을 이용하여 빈발한 유전자 패턴들로부터 유전자 조절 네트워크를 구축하였다. 마지막으로 제안된 기법의 검증은 공개된 유전자들의 조절 관계와 실험 결과의 일치함을 보임으로써 평가하였다.
Interactions between genes have long been recognized and studied by many researchers, and they formed a large-scale interaction networks. In systems biology, it has been a challenge to investigate the factors to determine network dynamics. Here, we create a new network called an effectiveness network by calculating thy dynamical effectiveness from a node to another node. We found that robust nodes tend to have smaller number of edges than non-robust nodes. This implies that hub nodes are likely to affect the network robustness.
본 논문은 베이지안 네트워크를 기반으로 대규모 유전자 상호작용 네트워크를 추론하기 위한 클라이언트-서버 시스템 구조를 제시한다. 유전체 수준(genome-wide)의 대규모 유전자 상호작용 네트워크를 베이지안 네트워크 형태로 추론하기 위해서는 병렬 서버를 이용하더라도 통상 수십시간이 소요된다. 따라서, 일반적인 대화형(interactive) 독자(standalone) 시스템 구조보다는 배치형(batch) 분산(distributed) 시스템 구조가 적합하다. 본 논문에서는 그와 같은 상황에 적합한 느슨한 연결의 (loosely-coupled) 클라이언트-서버 시스템을 구현할 결과를 기술한다. 유전자 상호작용 네트워크 추론은 크게 두 단계로 나누어진다. 첫째로, 생물주석정보(biological annotation)과 유전자 발현정보(expression data)를 사용하여, 전체 유전자 집단을 서로 중복이 가능한 모듈들로 나누며, 둘째로, 각각의 모듈들에 대해 독립적인 베이지안 학습을 수행하여 추론결과를 얻고, 각 모듈들이 공통으로 포함하는 유전자를 사용하여 각 모듈의 추론결과들을 하나로 통합한다.
Objective: We aimed to identify key genes, pathways and function modules in the development of diffuse large B-cell lymphoma (DLBCL) with microarray data and interaction network analysis. Methods: Microarray data sets for 7 DLBCL samples and 7 normal controls was downloaded from the Gene Expression Omnibus (GEO) database and differentially expressed genes (DEGs) were identified with Student's t-test. KEGG functional enrichment analysis was performed to uncover their biological functions. Three global networks were established for immune system, signaling molecules and interactions and cancer genes. The DEGs were compared with the networks to observe their distributions and determine important key genes, pathways and modules. Results: A total of 945 DEGs were obtained, 272 up-regulated and 673 down-regulated. KEGG analysis revealed that two groups of pathways were significantly enriched: immune function and signaling molecules and interactions. Following interaction network analysis further confirmed the association of DEGs in immune system, signaling molecules and interactions and cancer genes. Conclusions: Our study could systemically characterize gene expression changes in DLBCL with microarray technology. A range of key genes, pathways and function modules were revealed. Utility in diagnosis and treatment may be expected with further focused research.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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