EP1540505B1

Systems and methods for inferring biological networks

Abstract

Described herein is a system for inferring one or a population of biochemical interaction networks, including topology and chemical reaction rates and parameters, from dynamical or statical experimental data, with or without spatial localization information, and a database of possible interactions. Accordingly, the systems and methods described herein may be employed to infer the biochemical interaction networks that exist in a cell. To this end, the systems and methods described herein generate a plurality of possible candidate networks and then apply to these networks a forward simulation process to infer a network. Inferred networks may be analyzed via data fitting and other fitting criteria, to determine the likelihood that the network is correct. In this way, new and more complete models of cellular dynamics may be created.

EP1540505B1, drawing sheet 1
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Expired 29 August 2023, 3.1 years ago.

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13 claims: 13 independent, 0 dependent

  1. 1
    A method of inferring cellular networks, comprising:(a) furnishing a seed network comprising a plurality of links ;(b) iteratively: (b.1) generating (210) a trial network by combining one or more probable links selected from a probable links database (16) with said seed network ;(b. 2) filtering (220) each said trial network according to its topology to determine if said trial network is an invalid trial network ;and(b- 3) repeating steps (b.1) through (b. 2) until said filtering determines said trial network is a valid trial network;(d) determining (24) a cost for each said valid trial network ;(e) accepting or rejecting (26) said valid trial network for inclusion in a pool of networks based on said cost;(f) repeating steps (b) through (e) until a selected number of links in said probable links database have been combined into trial networks ;(g) repeating steps (a) through (f) until the average cost of said valid trial networks in said pool reaches equilibrium to form a final pool;and(h) selecting (260) one or more valid trial networks from said final pool having low cost. Un procédé de déduction de réseaux cellulaires, comprenant : (a) la fourniture d'un réseau de départ comprenant une pluralité de liaisons,(b) de manière itérative : (b.1) la génération (210) d'un réseau d'essai en combinant une ou plusieurs liaisons probables sélectionnées dans une base de données de liaisons probables (16) avec ledit réseau de départ,(b.2) le filtrage (220) de chacun desdits réseaux d'essai selon sa topologie afin de déterminer si ledit réseau d'essai est un réseau d'essai non valide, et(b.3) la répétition des opérations (b.1) à (b.2) jusqu'à ce que ledit le filtrage détermine si ledit réseau d'essai est un réseau d'essai valide,(d) la détermination (24) d'un coût pour chacun desdits réseaux d'essai valides,(e) l'acceptation ou le rejet (26) dudit réseau d'essai valide pour inclusion dans un ensemble de réseaux en fonction dudit coût,(f) la répétition des opérations (b) à (e) jusqu'à ce qu'un nombre sélectionné de liaisons dans ladite base de données de liaisons probables aient été combinées en réseaux d'essai,(g) la répétition des opérations (a) à (f) jusqu'à ce que le coût moyen desdits réseaux d'essai valides dans ledit ensemble atteint un équilibre de façon à former un ensemble final, et(h) la sélection (260) d'un ou plusieurs réseaux d'essai valides dudit ensemble final présentant un coût faible. Verfahren zum Inferieren von Zellennetzen, das die folgenden Schritte beinhaltet: a) Bereitstellen eines Seed-Netzes, das mehrere Links umfasst;b) iterativ: b.1) Erzeugen (210) eines Versuchsnetzes durch Kombinieren von ein oder mehreren wahrscheinlichen Links, ausgewählt aus einer Wahrscheinliche-Links-Datenbank (16) mit dem genannten Seed-Netz;b.2) Filtern (220) jedes genannten Versuchsnetzes nach seiner Topologie, um zu ermitteln, ob das genannte Versuchsnetz ein ungültiges Versuchsnetz ist;undb.3) Wiederholen der Schritte (b.1) bis (b.2), bis die genannte Filterung ergibt, dass das genannte Versuchsnetz ein gültiges Versuchsnetz ist;d) Ermitteln (24) der Kosten für jedes genannte gültige Versuchsnetz;e) Annehmen oder Ablehnen (26) des genannten gültigen Versuchsnetzes für den Einschluss in einen Pool von Netzen auf der Basis der genannten Kosten;f) Wiederholen der Schritte b) bis e), bis eine gewählte Anzahl von Links in der genannten Wahrscheinliche-Links-Datenbank zu Versuchsnetzen kombiniert wurde;g) Wiederholen der Schritte a) bis f), bis die durchschnittlichen Kosten der genannten gültigen Versuchsnetze in dem genannten Pool ein Äquilibrium erreichen, um einen letzten Pool zu bilden;undh) Auswählen (260) von einem oder mehreren gültigen Versuchsnetzen aus dem genannten letzten Pool mit niedrigen Kosten.
  2. 2
    Le procédé selon la Revendication 1, où ladite génération d'un réseau d'essai comprend en outre l'emploi d'un modèle de spin. The method of Claim 1, wherein said generating a trial network further comprises employing a spin model. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das genannte Erzeugen eines Versuchsnetzes ferner das Anwenden eines Spin-Modells beinhaltet.
  3. 3
    Le procédé selon la Revendication 1, où ledit filtrage de chacun desdits réseaux d'essai comprend en outre la détermination si chacun desdits réseaux d'essai est sans échelle. The method of Claim 1, wherein said filtering each said trial network further comprises determining if each said trial network is scale free. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das genannte Filtern jedes genannten Versuchsnetzes ferner das Ermitteln beinhaltet, ob jedes genannte Versuchsnetz skalenfrei ist.
  4. 4
    Le procédé selon la Revendication 1, comprenant en outre :(c) avant l'opération (d), l'optimisation de manière itérative dudit réseau d'essai valide, ladite optimisation comprenant (c.1) le postulat d'une ou plusieurs valeurs de paramètre pour chaque liaison dans ledit réseau d'essai valide,(c.2) la simulation (340) dudit réseau d'essai valide avec lesdites valeurs de paramètre postulées,(c.3) la comparaison (320) des résultats de ladite simulation avec des données préexistantes, lesdites données préexistantes comprenant des données expérimentales,(c.4) l'ajustement desdites valeurs de paramètre postulées selon les résultats de ladite comparaison, et(c.5) la répétition des opérations (c.1) à (c.4) jusqu'à ce que ladite comparaison converge, où ladite détermination d'un coût pour chacun desdits réseaux d'essai valides s'appuie au moins en partie sur ladite optimisation. The method of Claim 1, further comprising: (c) before step (d), iteratively optimizing said valid trial network, said optimizing comprising (c.1) postulating one or more parameter values for each link in said valid trial network ;(c. 2) simulating (340) said valid trial network with said postulated parameter values;(c. 3) comparing (320) the results of said simulating with pre-existing data, said pre-existing data comprising experimental data;(c. 4) adjusting said postulated parameter values according to the results of said comparing;and (c.5) repeating steps (c.1) through (c. 4) until said comparing converges;wherein said determining a cost for each said valid trial network is based at least in part on said optimizing. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner die folgenden Schritte beinhaltet: c) vor Schritt d), iteratives Optimieren des genannten gültigen Versuchsnetzes, wobei das genannte Optimieren Folgendes beinhaltet: c.1) Postulieren von ein oder mehreren Parameterwerten für jede Link in dem genannten gültigen Versuchsnetz;c.2) Simulieren (340) des genannten gültigen Versuchsnetzes mit den genannten postulierten Parameterwerten;c.3) Vergleichen (320) der Ergebnisse des genannten Simulierens mit vorexistierenden Daten, wobei die genannten vorexistierenden Daten experimentelle Daten umfassen;c.4) Einstellen der genannten postulierten Parameterwerte nach den Ergebnissen des genannten Vergleichs;undc.5) Wiederholen der Schritte c.1) bis c.4), bis der genannte Vergleich konvergiert;wobei das genannte Ermitteln der Kosten für jedes genannte gültige Versuchsnetz wenigstens teilweise auf der genannten Optimierung basiert.
  5. 5
    Le procédé selon la Revendication 4, où ladite comparaison des résultats de ladite simulation avec lesdites données comprend en outre un ajout de bruit (22) auxdites données avant ladite comparaison. The method of Claim 4, wherein said comparing the results of said simulating with said data further comprises adding noise (22) to said data prior to said comparing. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das genannte Vergleichen der Ergebnisse des genannten Simulierens mit den genannten Daten ferner das Hinzufügen von Rauschen (22) zu den genannten Daten vor dem genannten Vergleichen beinhaltet.
  6. 6
    Le procédé selon la Revendication 1, où ladite sélection comprend en outre l'analyse desdits réseaux d'essai valides dudit ensemble final afin d'identifier un ou plusieurs chemins communs à une pluralité de réseaux d'essai valides. The method of Claim 1, wherein said selecting further comprises analyzing said valid trial networks in said final pool to identify one or more pathways common to a plurality of valid trial networks. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das genannte Auswählen ferner das Analysieren der genannten gültigen Versuchsnetze in dem genannten letzten Pool beinhaltet, um einen oder mehrere Pfade zu identifizieren, die mehreren gültigen Versuchsnetzen gemeinsam sind.
  7. 7
    A system for inferring cellular networks, comprising:(a) means (14) for furnishing a seed network comprising a plurality of links ;(b) means for iteratively: (b.1) generating (210) a trial network by combining one or more probable links selected from a probable links database (16) with said seed network;(b.2) filtering (220) each said trial network according to its topology to determine if said trial network is an invalid trial network ;and(b.3) repeating steps (b-1) through (b. 2) until said filtering determines said trial network is a valid trial network;(d) means (24) for determining a cost for each said valid trial network ;(e) means (26) for accepting or rejecting said valid trial network for inclusion in a pool of networks based on said cost;(f) repeating steps (b) through (c) until a selected number of links in said probable links database have been combined into trial networks ;(g) repeating steps (a) through(f) until the average cost of said valid trial networks in said pool reaches equilibrium to form a final pool;and(h) means (260) for selecting one or more valid trial networks from said final pool having low cost. System zum Inferieren von Zellennetzen, das Folgendes umfasst: a) Mittel (14) zum Bereitstellen eines Seed-Netzes, das mehrere Links beinhaltet;b) Mittel zum iterativen: b.1) Erzeugen (210) eines Versuchsnetzes durch Kombinieren von einer oder mehreren wahrscheinlichen Links, ausgewählt aus einer Wahrscheinliche-Links-Datenbank (16) mit dem genannten Seed-Netzwerk;b.2) Filtern (220) jedes genannten Versuchsnetzes nach seiner Topologie, um zu ermitteln, ob das genannte Versuchsnetz ein ungültiges Versuchsnetz ist;undb.3) Wiederholen der Schritte (b.1) bis (b.2), bis die genannte Filterung ergibt, dass das genannte Versuchsnetz ein gültiges Versuchsnetz ist;d) Mittel (24) zum Ermitteln der Kosten für jedes genannte gültige Versuchsnetz;e) Mittel (26) zum Annehmen oder Ablehnen des genannten gültigen Versuchsnetzes für den Einschluss in einen Pool von Netzen auf der Basis der genannten Kosten;f) Wiederholen der Schritte b) bis e), bis eine gewählte Anzahl von Links in der genannten Wahrscheinliche-Links-Datenbank zu Versuchsnetzen kombiniert wurde;g) Wiederholen der Schritte a) bis f), bis die durchschnittlichen Kosten der genannten gültigen Versuchsnetze in dem genannten Pool ein Äquilibrium erreichen, um einen letzten Pool zu bilden;undh) Mittel (260) zum Auswählen von einem oder mehreren gültigen Versuchsnetzen aus dem genannten letzten Pool mit niedrigen Kosten. Un système de déduction de réseaux cellulaires, comprenant : (a) un moyen (14) destiné à la fourniture d'un réseau de départ comprenant une pluralité de liaisons,(b) un moyen permettant de manière itérative: (b.1) la génération (210) d'un réseau d'essai en combinant une ou plusieurs liaisons probables sélectionnées dans une base de données de liaisons probables (16) avec ledit réseau de départ,(b.2) le filtrage (220) de chacun desdits réseaux d'essai selon sa topologie afin de déterminer si ledit réseau d'essai est un réseau d'essai non valide, et(b.3) la répétition des opérations (b.1) à (b.2) jusqu'à ce que ledit filtrage détermine si ledit réseau d'essai est un réseau d'essai valide,(d) un moyen (24) destiné à la détermination d'un coût pour chacun desdits réseaux d'essai valides,(e) un moyen (26) destiné à l'acceptation ou au rejet dudit réseau d'essai valide pour une inclusion dans un ensemble de réseaux en fonction dudit coût,(f) la répétition des opérations (b) à (e) jusqu'à ce qu'un nombre sélectionné de liaisons dans ladite base de données de liaisons probables aient été combinées en réseaux d'essai,(g) la répétition des opérations (a) à (f) jusqu'à ce que le coût moyen desdits réseaux d'essai valides dans ledit ensemble atteint un équilibre de façon à former un ensemble final, et(h) un moyen (260) destiné à la sélection d'un ou plusieurs réseaux d'essai valides dudit ensemble final présentant un coût faible.
  8. 8
    Le système selon la Revendication 7, où ledit moyen d'acceptation ou de rejet dudit réseau d'essai valide comprend en outre un moyen d'identification et de suppression d'un réseau d'essai valide se trouvant déjà dans ledit ensemble. System nach Anspruch 7, wobei das genannte Mittel zum Annehmen oder Ablehnen des genannten gültigen Versuchsnetzes ferner Mittel zum Identifizieren und Entfernen eines bereits in dem genannten Pool befindlichen gültigen Versuchsnetzes beinhaltet. The system of Claim7, wherein said means for accepting or rejecting said valid trial network further comprises means for identifying and removing a valid trial network already in said pool.
  9. 9
    Le système selon la Revendication 8, où ledit moyen d'identification et de suppression d'un réseau d'essai valide comprend un protocole de recuit simulé. System nach Anspruch 8, wobei das genannte Mittel zum Identifizieren und Entfernen eines gültigen Versuchsnetzes ein simuliertes Annealing-Protokoll umfasst. The system of Claim 8, wherein said means for identifying and removing a valid trial network comprise a simulated annealing protocol.
  10. 10
    Le système selon la Revendication 8, où ledit moyen d'identification et de suppression d'un réseau d'essai valide comprend un algorithme génétique. System nach Anspruch 8, wobei das genannte Mittel zum Identifizieren und Entfernen eines gültigen Versuchsnetzes einen genetischen Algorithmus umfasst. The system of Claim 8, wherein said means for identifying and removing a valid trial network comprise a genetic algorithm.
  11. 11
    A computer system for use in inferring cellular networks, comprising computer instructions for performing the steps of claim 1. Computersystem für den Einsatz beim Inferieren von Zellennetzen, das Computerbefehle zum Ausführen der Schritte von Anspruch 1 beinhaltet. Un système informatique destiné à une utilisation dans la déduction de réseaux cellulaires, comprenant des instructions informatiques destinées à l'exécution des opérations décrites dans la Revendication 1.
  12. 12
    A computer-readable medium storing a computer program executable by a plurality of server computers, the computer program comprising computer instructions for performing the steps of claim 1. Rechnerlesbares Medium zum Speichern eines Computerprogramms, das durch mehrere Server-Computer ausgeführt werden kann, wobei das Computerprogramm Computerbefehle zum Ausführen der Schritte von Anspruch 1 umfasst. Un support lisible par ordinateur contenant un programme informatique exécutable par une pluralité d'ordinateurs serveurs, le programme informatique comprenant des instructions informatiques destinées à l'exécution des opérations décrites dans la Revendication 1.
  13. 13
    A computer data signal embodied in a carrier wave, comprising computer instructions for performing the steps of claim 1. Computerdatensignal, ausgestaltet in einer Trägerwelle, das Computerbefehle zum Ausführen der Schritte von Anspruch 1 umfasst. Un signal de données informatique incorporé à une onde porteuse comprenant des instructions informatiques destinées à l'exécution des opérations décrites dans la Revendication 1.