清华李梢课题组提出解析人体组织-细胞-分子多层次网络的算法

人体是一个由组织、细胞、分子等多层次要素构成的复杂生物系统。理解人体表型和分子的系统关联,是中西医学共同面对的一个根本问题,也是当前生物信息学、系统生物学、网络药理学等新兴学科领域关注的一个重要问题。随着目前单细胞组学等高通量检测技术的快速兴起,如何发展大数据和人工智能方法,突破跨尺度信息融合难题,解析表型与分子之间的多层次关联网络,阐释人体复杂系统运行和疾病诊疗规律,成为研究重点。近期,清华大学李梢课题组建立了基于图对比学习的人体组织-细胞-分子等多层次生物网络关系推断算法,首次构建出胃炎癌转化“组织-细胞-分子”多层次生物网络,实现了特定组织或细胞条件下疾病网络调节机理的系统分析,对于促进中西医精准诊疗具有重要意义。2022年5月,该方法以“Decoding multilevel relationships with the human tissue-cell-molecule network”为题发表于生物信息学权威刊物《Briefings in Bioinformatics》。

该文首先提出了一种基于图对比学习的多层次网络关系推断算法,实现多层次信息的系统融合以及潜在网络关联推断(图1)。该算法从国际公共数据库中系统挖掘出人体组织、细胞、分子等多层次要素的关联关系,构建出一个涵盖20,297个节点的人体“组织-细胞-分子”多层次生物网络,揭示出不同层次要素在生物网络中的模块化关联规律。在此基础上,借鉴课题组前期建立的疾病致病基因预测算法CIPHER(Molecular Systems Biology 2008, IEEE/ACM Transactions on Computational Biology and Bioinformatics 2022),提出了多层次网络关系推断算法GLIM,通过对比学习嵌入生物网络的模块化特征,实现多层次要素之间潜在网络关联的高精度推断。在多个真实数据集上的验证分析表明,GLIM算法在特定组织或细胞条件下疾病致病基因推断、细胞标志推断以及分子关联推断等方面均表现出优异的性能,精度优于同领域其他先进方法。尤为重要的是,GLIM算法还挖掘出一些新的网络关联,得到高水平文献或独立公共组学数据验证,展现出该算法在解析疾病网络调节机制方面取得新发现的潜力。

解析人体多层次生物网络的GLIM算法框架

进而,以胃炎癌转化为范例,该文利用GLIM算法首次构建出胃炎癌转化“组织-细胞-分子”多层次生物网络。胃炎是胃癌发生的一个重要因素,胃炎癌转化是一个涉及组织、细胞、分子等多层次的动态过程,解析炎癌转化多层次生物网络对于理解胃癌发生机制、发掘胃癌防治标志物与干预药物具有重要的意义。李梢课题组2019年在国际上首次构建胃组织单细胞图谱,突破性发现前移胃癌早诊时点的胃癌极早期细胞,并实现临床转化应用(Cell Reports 2019)。本文将GLIM算法与胃组织单细胞图谱整合,首次构建出胃炎癌转化“组织-细胞-分子”多层次生物网络,系统解析胃炎癌转化动态过程中多层次网络节点的关联规律(图2)。通过分析不同层次网络特征,发现免疫微环境T细胞耗竭、胃粘膜上皮细胞脂肪酸和活性氧(ROS)代谢增强、非粘膜分泌上皮细胞干性相关通路活化是胃炎癌转化的关键环节,这为深入研究胃癌“极早期”新机制提供了重要切入点,也为课题组前期发现的中医寒热相关代谢-免疫网络失衡加剧促进胃炎癌转化的机制(Cancer Research 2017)提供了深入认识。

利用GLIM算法构建出的胃炎癌转化“组织-细胞-分子”多层次生物网络

李梢课题组长期致力于从生物网络角度理解中西医药的系统调节机理,提出了网络靶标理论,建立了以CIPHER算法为代表的系列高精度网络关系推断算法,开辟了中医药网络药理学方向,并在胃癌防治、中药研发等方面取得系列成果。GLIM算法将网络关系推断拓展到组织、细胞等层次,为进一步发展网络药理学、系统理解中西医药的生物基础提供了新方法。清华大学自动化系博士生侯思宇和博士后张鹏、杨扩为论文共同第一作者,李梢教授为论文通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委重点项目等的资助。

参考文献:
1.Hou S, Zhang P, Yang K, Wang L, Ma C, Li Y, Li S. Decoding multilevel relationships with the human tissue-cell-molecule network. Briefings in Bioinformatics 2022; bbac170. doi: 10.1093/bib/bbac170.
2.Wu X, Jiang R, Zhang M, Li S. Network-based global inference of human disease genes. Molecular Systems Biology 2008;4:189
3.Zhang P, Yang M, Zhang Y, Xiao S, Lai X, Tan A, Du S, Li S. Dissecting the single-cell transcriptome network underlying gastric premalignant lesions and early gastric cancer. Cell Reports 2019; 27,1934-1947.
4.Zhang Y, Chen L, Li S. CIPHER-SC: Disease-Gene Association Inference Using Graph Convolution on a Context-Aware Network with Single-Cell Data. IEEE/ACM Transactions on Computational Biology and Bioinformatics. 2022;19(2):819-829.
5.Guo Y, Nie Q, MacLean A, Li Y, Lei J, Li S. Multiscale modeling of inflammation-induced tumorigenesis reveals competing oncogenic and oncoprotective roles for inflammation. Cancer Research 2017;77(22):6429-6441.

世界中联网络药理学专委会换届大会暨2022年网络药理学学术年会胜利召开

2022年6月18日,以“中医药网络药理学守正创新发展”为主题的世界中医药学会联合会网络药理学专业委员会换届大会暨2022年网络药理学学术年会召开。本次会议采用网络会议形式,由世界中医药学会联合会网络药理学专业委员会主办,清华大学北京市中医药交叉研究所承办。

大会特别邀请中国医学科学院医药生物技术研究所蒋建东院士出席。世界中医药学会联合会秘书长助理潘平到会并对大会的召开表示祝贺,学术部主任焦云洞宣布选举结果。经选举,清华大学李梢教授当选世界中医药学会联合会网络药理学专业委员会第二届理事会会长,北京大学李学军教授、中国医学科学院药用植物研究所孙晓波教授、海军军医大学药学院张卫东教授、西南医科大学附属中医医院段大跃教授、牛津中医药研究中心马玉玲教授、中国医学科学院陈乃宏教授、南开大学药学院白钢教授、安徽中医药大学许钒教授、中山大学生命科学学院苏薇薇教授、中国中医科学院中医临床基础医学研究所王忠研究员、浙江大学药学院副院长范骁辉教授、滨州医学院中西医结合学院院长郑秋生教授、浙江中医药大学赵筱萍教授、成都中医药大学附属医院唐健元教授、中国中医科学院许海玉研究员等15人当选副会长。大会还选举了常务理事79人,理事156人,许海玉当选秘书长,澳门大学胡元佳、安徽中医药大学段贤春、解放军总医院牛明、中国中医科学院李涛、北京交通大学杨扩当选副秘书长。来自海内外的理事、会员代表430余人出席会议。换届大会由许海玉秘书长主持。

世界中医药学会联合会秘书长助理潘平到会祝贺

世界中医药学会联合会学术部主任焦云洞宣布选举结果

换届大会后,召开了以“中医药网络药理学守正创新发展”为主题的学术年会。蒋建东院士在“标本兼治的生物学原理”的主题学术报告中以现代医学结合传统中医实例,提出药物研究是一个从还原论到系统论,由单纯的唯物研究到结合我国传统医学辨证哲学,达到标本兼治的认识进步过程,为网络药理学、人工智能、大数据的未来发展提供了重要方向。

蒋建东院士

学术年会上,国内外网络药理学、中医药相关学科领域专家展开学术交流及讨论。网络药理学专委会会长李梢教授的报告主题为“中医药网络药理学的理论、方法与应用”,分享了如何以“网络靶标”为切入点,在系统论指导下开展中医药复杂体系研究的理论与方法,以及在胃癌精准防治、中药创新研发等方面的应用,表明利用网络药理学创新“整体诊疗”,有助于破解中医药复杂系统奥秘,探索中西医药研究新模式。

李梢教授

张卫东教授、段大跃教授、马玉玲教授、陈乃宏教授、白钢教授、苏薇薇教授、王忠研究员、范骁辉教授、唐健元教授、胡元佳教授等专家学者,紧扣大会中医药网络药理学传承创新发展主题,围绕中药研究的根本问题、网络药理学在中药体系评价中的应用、传统中医药与网络药理研究、多组学与网络药理学等方面,先后进行了精彩的分享。

本次会议积极分享了中医药网络药理学的最新研究动态与进展,进一步加深了对“网络靶标—系统调节”研究体系的理解,为推动中医药守正创新发展贡献了一批研究成果。李梢会长在会议结束前的总结发言中表示,新一届理事会将继续以中医药科技创新,制定、发布并推广有关教材、标准,促进学科发展为主要任务,进一步加强科研合作、产业创新和学术交流,号召大家群策群力,为推动中医药守正创新传承发展,更好地为服务于人民卫生健康事业贡献力量。

最后,大会在对中医药网络药理学未来发展的无限期许中圆满结束。

学术交流

暂无。