Development of data driven and AI empowered systems biology to study human diseases

数据驱动和人工智能的发展使系统生物学能够研究人类疾病

基本信息

  • 批准号:
    10714763
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 39.23万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2023
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2023-08-15 至 2028-06-30
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Project Summary Systems biology models provide an effective way to study the functional impact of biological process within complex disease system. Despite a plethora of knowledge on the differential equation-based systems biology model have gained, there are still major gaps in raising dynamic models within the context of human diseases. Essentially, the parameters involved in the non-linear dependencies are largely unknown under disease conditions and the systems biology models are always within a reductionist paradigm, which can hardly characterize the complicated disease system. The large amount of single-cell, spatial or tissue multi-omics data obtained from disease tissue has been proven to be endowed with the potential to deliver information on a cell functioning state and its underlying phenotypic switches. Hence, advanced systems biology models and computational tools are in pressing need to empower reliable characterization of biological processes and their functional roles in disease by using multi-omics data. Our preliminary data include (1) a new computational method to approximate systems biology model using transcriptomics data, and (2) computational principles to approximate dynamic system by using omics data, which form the methodology and theoretical foundations of this project. In this MIRA project, I proposed to develop a suite of novel computational methods, systems biology models and quantitative metrics to bring the following unmet capabilities: (1) A computational framework to establish dynamic models using omics data, which will enable the following analyses to study a complex disease system: (i) assessing sample-wise activity of biological processes; (ii) perturbation analysis to evaluate the impacts of biological features or model structures to the system, which could serve as new drug targets, and (iii) evaluating how the system evolve through disease progression; (2) A natural language processing-based extraction of biological functions and relations to automatically establish context specific knowledge of system structure and components from scientific literature datal; and (3) computational principles and theories of the identifiability and mathematical representation of dynamic systems in omics data. By implementing these methods into multi-omics data analysis, we plan to address the following outstanding biological questions: (i) identification of molecular features with high impact to metabolic variations in different diseases, (ii) the role of metabolism in fueling epigenetic regulation, (iii) transcriptional regulation of metabolism and other biological processes, (iv) functional annotation of genetic variations, and (v) assessment of biochemical variations. We will also develop novel knowledge representation and transfer of metabolic and other variations in pan-disease analysis to aid in better understanding of the basic disease pathology and promote the precision medicine research, including prediction and validation of new biomarkers, nutrition recommendation, and drug repurposing. Successful execution of the proposed research will provide a suite of computational capabilities to quantify and study general biological processes that could be broadly utilized by the biomedical research community.
项目摘要 系统生物学模型提供了一种研究生物过程功能影响的有效方法 复杂疾病系统。尽管基于微分方程的系统生物学有很多知识 模型已经获得,在人类疾病的背景下提高动态模型仍然存在主要差距。 本质上,非线性依赖性涉及的参数在很大程度上是未知的 条件和系统生物学模型始终在还原范式范围内,这几乎不可能 表征复杂的疾病系统。大量的单细胞,空间或组织多词数据 从疾病组织中获得的已被证明具有传递细胞信息的潜力 功能状态及其基础表型开关。因此,高级系统生物学模型和 计算工具迫切需要赋予生物过程及其它们的可靠表征 通过使用多摩尼克数据在疾病中的功能。我们的初步数据包括(1)新计算 使用转录组学数据近似系统生物学模型的方法,以及(2)计算原理 通过使用OMICS数据近似动态系统,该数据构成了方法和理论基础 这个项目。在这个Mira项目中,我建议开发一套新型的计算方法,系统生物学 模型和定量指标,以带来以下未完成功能:(1)计算框架 使用OMICS数据建立动态模型,这将使​​以下分析能够研究复杂的疾病 系统:(i)评估生物过程的样本活性; (ii)评估的扰动分析 对系统的生物特征或模型结构的影响,可以用作新药物的靶标,(iii) 评估系统如何通过疾病进展发展; (2)基于自然语言处理的 提取生物学功能和关系以自动建立系统的上下文特定知识 科学文献数据的结构和组成部分; (3)计算原理和理论 OMICS数据中动态系统的可识别性和数学表示。通过实施这些 多摩斯数据分析的方法,我们计划解决以下出色的生物学问题:(i) 鉴定具有对不同疾病代谢变异高的分子特征,(ii) 代谢在加油表观遗传调节,(iii)代谢和其他生物学的转录调节 过程,(iv)遗传变异的功能注释,以及(v)生化变异的评估。我们将 还要开发新颖的知识表示和代谢和其他变化的泛症的转移 分析以更好地了解基本疾病病理并促进精度医学 研究,包括对新生物标志物的预测和验证,营养建议和药物重新利用。 拟议研究的成功执行将提供一套计算能力来量化和 研究一般的生物学过程,可以广泛使用生物医学研究界。

项目成果

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专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)

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数据更新时间:2024-06-01

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