Graphical modelling of biological pathways

Biological pathways underlie the basic functions of a living cell. They are complex diagrams featuring genes, proteins and other small molecules, showing how they work together to achieve a particular biological effect. From a technical point of view, they are networks represented through a graph where genes and their connections are, respectively, nodes and edges of a graph. The main research objective of this thesis is to develop a framework for simulating effects of gene silencing. To this end, we propose a three step approach. First, we refine the structure of a pathway via our CK2 algorithm. Next, we assess the uncertainty in the refined structure. Finally, we simulate gene silencing through intervention analysis in causal graphical models. The proposed approach showed promising results when applied to the problem of predicting the effect of the knockdown of the nkd gene in Drosophila Melanogaster.

I pathway biologici sono alla base del funzionamento delle cellule viventi. Tali pathway sono diagrammi complessi che coinvolgono geni, proteine e altre piccole molecole, mostrando come essi svolgano un ruolo congiunto nel raggiungimento di uno specifico effetto biologico. Da un punto di vista tecnico, questi network sono rappresentati mediante diagrammi dove i geni e le loro connessioni sono, rispettivamente, nodi e archi. Il principale obiettivo di questa ricerca è sviluppare una tecnica per simulare gli effetti del silenziamento genico. A tal fine, proponiamo un approccio basato su tre passi. Nel primo passo, raffiniamo la struttura di un pathway attraverso il nostro algoritmo CK2. In seguito, nel secondo passo, valutiamo l'incertezza nella struttura raffinata. Infine, nel terzo passo, simuliamo il silenziamento genico tramite intervention analysis nei modelli grafici causali. L'approccio proposto mostra risultati promettenti se applicato al problema della previsione dell'effetto del silenziamento del gene nkd della Drosophila Melanogaster.