Πρόβλεψη πρωτεϊνικής λειτουργίας με χρήση μεθόδου συγχρονισμού σύνθετων δικτύων

• Main Author: Τσιούτσιου, Βάια
• Other Authors: Λυκοθανάσης, Σπυρίδων
• Language: gr
• Published: 2013
• Subjects: Πρωτεϊνικές λειτουργίες; Συγχρονισμός; Δίκτυο πρωτεϊνικών αλληλεπιδράσεων; 572.64; Protein function; Synchronization; Protein-protein interaction network; Kuramoto
• Online Access: http://hdl.handle.net/10889/6304

Οι πρωτεϊνικές αλληλεπιδράσεις (PPI) αναφέρονται στην σύνδεση δύο ή περισσοτέρων πρωτεϊνών ώστε να εκτελεστεί μια βιολογική λειτουργία. Την τελευταία δεκαετία, νέες τεχνολογίες υψηλής απόδοσης για τον εντοπισμό αυτών των αλληλεπιδράσεων έχουν παράγει μεγάλης κλίμακας σύνολα δεδομένων τόσο του ανθρώπου όσο και των περισσοτέρων ειδών. Με την αναπαράσταση αυτών των δεδομένων σε δίκτυα, με τους κόμβους να αναπαριστούν τις πρωτεΐνες και τις ακμές τις αλληλεπιδράσεις, μπορούν να εξαχθούν χρήσιμες πληροφορίες σχετικά με τον προσδιορισμό της λειτουργίας των πρωτεϊνών/πρόβλεψη ή σχετικά με το πώς να σχεδιαστούν κατάλληλα φάρμακα που προσδιορίζουν τα νέα γονίδια-στόχους για τον καρκίνο ή τους μηχανισμούς που ελέγχουν (ή ρυθμίζουν) τις βιολογικές αλληλεπιδράσεις που είναι υπεύθυνες για την καλή ή την κακή λειτουργία ενός κυττάρου. Στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής, κληθήκαμε να κάνουμε λειτουργική πρόβλεψη των πρωτεϊνών στο δίκτυο πρωτεϊνικών αλληλεπιδράσεων του ανθρώπου εφαρμόζοντας μια μέθοδο δυναμικής επικάλυψης η οποία βασίζεται στον έλεγχο του πώς οι ταλαντωτές οργανώνονται σε ένα «αρθρωτό»(modular) δίκτυο σχηματίζοντας διεπαφές συγχρονισμού και κοινότητες επικάλυψης. Μελετήσαμε το δίκτυο πρωτεϊνικών αλληλεπιδράσεων του ανθρώπου και τις κλάσεις λειτουργιών θεωρώντας ένα σύνολο ταλαντωτών φάσης (phase oscillators) με μία τοπολογία συνδέσεων που ορίζεται από το δίκτυο πρωτεϊνικών αλληλεπιδράσεων του ανθρώπου. Συγκεκριμένα, αρχίσαμε με μία απλή ομαδοποίηση για κάθε πρωτεΐνη και έπειτα χρησιμοποιήσαμε την μέθοδο δυναμικής επικάλυψης για τον προσδιορισμό των λειτουργιών των πρωτεϊνών του PPI δικτύου. Στην συνέχεια, εντοπίσαμε εκείνες τις πρωτεΐνες οι οποίες δεν είχαν ομαδοποιηθεί σωστά καθώς και τις πρωτεϊνες που ήταν πιθανόν να «συμμετείχαν» σε περισσότερες από μία λειτουργικές κλάσεις (πολυλειτουργικές πρωτεΐνες). Με κατάλληλο έλεγχο των αλληλεπιδράσεων μεσαίας κλίμακας του δικτύου των δυναμικών συστημάτων που δημιουργήθηκε παρήχθησαν χρήσιμες πληροφορίες για τις μικρής και μεγάλης κλίμακας διαδικασίες μέσω των οποίων οι βιολογικές διεργασίες οργανώνονται σε ένα κύτταρο γεγονός που αποκαλύπτει ότι η μέθοδος είναι ικανή όχι μόνο να εντοπίσει τις μη σωστά ομαδοποιημένες πρωτεΐνες αλλά και να αποκαλύψει αυτές που έχουν διπλή λειτουργικότητα (2 λειτουργίες). === Protein-protein interactions (PPI) refer to the binding of two or more proteins to perform a biological function. In the last decade, novel high-throughput technologies for detecting those interactions have produced large-scale data sets across human and most model species. By embedding these data in networks, with nodes representing proteins and edges the detected PPIs, useful information can be extracted regarding protein functional annotation/prediction or on how to design proper drugs, identifying new targets on cancer, or mechanisms to control (or regulate) the biological interactions responsible for the functioning,or malfunctioning, of a cell. Under the framework of my master thesis, I had to apply a method of dynamical overlap based on the inspection of how oscillators organize in a modular network by forming synchronization interfaces and overlapping communities to the human PPI network. I studied the human protein interaction network (PIN) and its functional modules by considering an ensemble of phase oscillators with a topology of connections defined by the human PIN. In particular, I started with a single classification for each protein and I used the dynamical overlap method for identifying/predicting of the proteins function(s) in the PPI network. Then, I identified all those proteins that were misclassified and those proteins that were likely to be involved in more than one of the functional categories in our data(multifunctional proteins). A proper inspection on the meso-scale interactions of the generated network of dynamical systems provided useful information on the micro- and macro- scale processes through which biological processes are organized in a cell, that is, the method is not only able to identify the misclassified proteins but also to unveil those proteins that have double functionality.