Bayesian metamodeling of complex biological systems across varying representations

doi:10.1073/pnas.2104559118

.2021年8月31日；118（35）：e2104559118。

doi:10.1073/pnas.2104559118。

复杂生物系统在不同表示中的贝叶斯元模型

附属机构

¹加利福尼亚大学生物工程与治疗科学系，加利福尼亚州旧金山，邮编94158。
²加利福尼亚大学定量生物科学研究所，加利福尼亚州旧金山，邮编94158。
^三耶路撒冷希伯来大学计算机科学与工程学院，耶路撒冷9190416，以色列。
⁴上海理工大学人类研究所，上海，201210，中国。
⁵加利福尼亚州洛杉矶市南加州大学桥梁研究所生物科学系，邮编：90089。
⁶加利福尼亚州洛杉矶南加州大学维特比工程学院化学工程与材料科学莫克家庭系，邮编：90089。
⁷爱泼斯坦工业和系统工程系，维特比工程学院，南加州大学洛杉矶分校，加利福尼亚州90089。
⁸加利福尼亚州洛杉矶市南加州大学维特比工程学院信息科学研究所，邮编：90089。
⁹上海理工大学生命科学与技术学院，上海，201210，中国。
¹⁰加利福尼亚大学旧金山分校生物工程与治疗科学系，邮编94158；sali@saillab.org。
¹¹加利福尼亚大学药物化学系，加利福尼亚州旧金山，邮编94158。

PMID： 34453000
预防性维修识别码： PMC8536362号
内政部： 10.1073/pnas.2104559118

复杂生物系统的贝叶斯元建模

巴拉克·拉维等。美国国家科学院程序. 2021.

.2021年8月31日；118（35）：e2104559118。

doi:10.1073/pnas.2104559118。

作者

附属机构

¹加利福尼亚大学生物工程与治疗科学系，加利福尼亚州旧金山，邮编94158。
²加利福尼亚大学定量生物科学研究所，加利福尼亚州旧金山，邮编94158。
^三耶路撒冷希伯来大学计算机科学与工程学院，耶路撒冷9190416，以色列。
⁴上海理工大学人类研究所，上海，201210，中国。
⁵加利福尼亚州洛杉矶市南加州大学桥梁研究所生物科学系，邮编：90089。
⁶加利福尼亚州洛杉矶南加州大学维特比工程学院化学工程与材料科学莫克家庭系，邮编：90089。
⁷爱泼斯坦工业和系统工程系，维特比工程学院，南加州大学洛杉矶分校，加利福尼亚州90089。
⁸加利福尼亚州洛杉矶市南加州大学维特比工程学院信息科学研究所，邮编：90089。
⁹上海理工大学生命科学与技术学院，上海，201210，中国。
¹⁰加利福尼亚大学生物工程与治疗科学系，加利福尼亚州旧金山，94158；sali@saillab.org。
¹¹加利福尼亚大学药物化学系，加利福尼亚州旧金山，邮编94158。

PMID： 34453000
预防性维修识别码： PMC8536362号
内政部： 10.1073/pnas.2104559118

摘要

对整个单元进行全面建模需要集成有关单元及其各部分各个方面的大量信息。为了划分和克服这一任务，我们引入了贝叶斯元建模，这是一种通过集成一组异构输入模型来建模复杂系统的通用方法。每个输入模型原则上可以基于任何类型的数据，并且可以使用任何数学表示、规模和粒度级别描述所建模系统的不同方面。这些输入模型1）转换为基于概率图形模型的标准化统计表示，2）通过建模它们与物理世界的相互关系进行耦合，3）最终相互协调。为了说明贝叶斯元模型，我们提供了人类胰腺β细胞葡萄糖刺激胰岛素分泌的一个初步元模型。输入模型包括胰岛素囊泡运输、对接和胞吐的粗粒度时空模拟；葡萄糖刺激胰岛素分泌信号的分子网络模型（英文）；胰岛素代谢网络模型；胰高血糖素样肽-1受体活化的结构模型；胰腺细胞群的线性模型；以及系统餐后胰岛素反应的常微分方程。元建模从分散计算中受益，同时通常生成更准确、精确和完整的模型，该模型将输入模型上下文化，并解决冲突信息。我们预计贝叶斯元建模将通过提供共享专业知识、资源、数据和模型的框架，促进协作科学，如胰腺β细胞联盟所示。

关键词：贝叶斯元模型；一体化建模；多尺度建模；胰腺β细胞；全细胞建模。

PubMed免责声明

利益冲突声明

作者声明没有竞争性利益。

数字

**图1。**
GSIS的元建模。八个输入模型（包括两个数据模型）描述了GSIS的不同方面（表1）。它们由具有不同背景颜色的小圆圈表示。这些输入模型集成到GSIS的单个元模型中，由中心的一个大灰色圆圈表示。

**图2。**
从输入模型到GSIS元模型中的耦合代理模型。节点表示变量，有向边表示BN中父变量和子变量之间的概率关系；给定父变量（19）的值，子变量与任何非子变量都是有条件独立的。每个模型及其变量都用特定的颜色表示。参考变量为红色，数据变量为灰色，输入模型中的固定参数用白色虚线圈出，自由参数用黑色虚线圈出，自变量用实线圈出，因变量不圈出。灰色边缘由输入模型定义，而红色边缘由耦合器定义。自循环表示对上一个时间片中相同变量的值的依赖性。带注释的变量和边表示文本中讨论的示例。

**图3。**
GLP1和增量对GLP1R的影响说明了元建模对输入模型的上下文化。(A类)示意图显示了四个输入模型之间的耦合。灰色箭头表示模型之间的信息流，通过红色的耦合变量。正常情况下显示餐后血糖（橙色阴影）和胰岛素（绿色阴影）血浆水平的时间进程(左侧)和2型糖尿病患者(赖特). (B类)GLP1数据模型中显示了三种胰高血糖素样肽1（GLP1）浓度的元建模时间过程：基本、中等（+）和高（++）。阴影区域表示后部PDF中的SD。(C)在虚拟筛选模型中，使用虚拟筛选库中的模拟M2，显示了含或不含GLP1R激动剂的餐后反应的元模型时间进程（94）。(D类)显示了使用和不使用GLP1R激动剂艾塞那肽（合成艾塞那素-4）的餐后反应的实验时间进程（25）。

**图4。**
元建模对模型精度（系统误差）和精度（随机误差）的影响。(A类)输出系统误差的统计相关性( $\bar{e（电子）第页第页}$ )变量的 $k_{t吨}^{V（V）电子}$ 在囊泡胞吐模型中输入变量的系统误差 ${G公司}_{b条}^{P（P） R（右）}$ 在餐后反应模型中。耦合系数对应于直线的斜率。(B类)输出系统误差 $k_{t吨}^{V（V）电子}$ 给定的不同输入系统误差 $k_{t吨}^{V（V）电子}$ 和 ${G公司}_{b条}^{P（P） R（右）}$ . (C)输出随机误差的统计相关性( $σ$ )第页，共页 $k_{t吨}^{V（V）电子}$ 关于输入随机误差 ${G公司}_{b条}^{P（P） R（右）}$ . (D类)输入和输出之间的重叠 $k_{t吨}^{V（V）电子}$ ，作为输入系统误差的函数(x个轴）和随机误差(年轴），共 ${G公司}_{b条}^{P（P） R（右）}$ 。冲突模型对应红色区域。(电子–*G公司*)的输入和输出PDF $k_{t吨}^{V（V）电子}$ 对应于中的E、F和G点D类分别为。箭头在D类通过提高输入的准确性指明解决冲突的方向 ${G公司}_{b条}^{P（P） R（右）}$ 。所有输出值均为t吨=100分钟。

请参阅PMC中的此图像和版权信息

类似文章

介绍用健康经济模型减少高级分析计算负担的元建模：六步应用过程中元建模方法的结构化概述。
Degeling K、IJzerman MJ、Lavieri MS、Strong M、Koffijberg H。 Degeling K等人。医学决策。2020年4月；40(3):348-363. doi:10.1177/0272989X209122233。医学决策。2020 PMID：32428428 免费PMC文章。
从整体结构生物学到细胞生物学。
萨利A。萨利A。生物化学杂志。2021年1月-6月；296:100743. doi:10.1016/j.jbc.2021.100743。Epub 2021年5月4日。生物化学杂志。2021 PMID：33957123 免费PMC文章。审查。
基于机器学习的元建模的成本-效果和信息价值分析：一例丙型肝炎治疗病例。
McCandlish JA、Ayer T、Chhatwal J。 McCandlish JA等人。医学决策。2023年1月；43(1):68-77. doi:10.1177/0272989X221125418。Epub 2022 9月16日。医学决策。2023 PMID：36113098
元建模应用和高级卫生经济分析机会的范围界定审查。
Degeling K、IJzerman MJ、Koffijberg H。 Degeling K等人。 2019年4月《药物经济学成果专家评论》；19(2):181-187. doi:10.1080/14737167.2019.1548279。Epub 2018年11月22日。 2019年《药物经济学成果专家评论》。 PMID：30426801 审查。
使用线性回归元建模从概率敏感性分析中计算部分样本信息的期望值。
Jalal H、Goldhaber-Fiebert JD、Kuntz KM。 Jalal H等人。医学决策。2015年7月；35(5):584-95. doi:10.1177/0272989X15578125。Epub 2015年4月3日。医学决策。2015 PMID：25840900 免费PMC文章。

查看所有类似文章

引用人

利用软X射线层析成像对α和β细胞进行基于亚细胞特征的分类。
Deshmukh A、Chang K、Cuala J、Vanslembrouck B、Georgia S、Loconte V、White KL。 Deshmukh A等人。细胞。2024年5月18日；13(10):869. doi:10.3390/cells13100869。细胞。2024 PMID：38786091 免费PMC文章。
细胞网络变构调控的新地图。
Mathy CJP，Korteme T。 Mathy CJP等人。当前操作结构生物。2023年6月；80:102602。doi:10.1016/j.sbi.2023.102602。Epub 2023年5月5日。当前操作结构生物。2023 PMID：37150039 免费PMC文章。审查。
软X射线层析成像为全细胞建模提供了结构基础。
Loconte V、Chen JH、Vanslembrouck B、Ekman AA、McDermott G、Le Gros MA、Larabell CA。 Loconte V等人。 FASEB J.2023年1月；37（1）：e22681。doi:10.1096/fj.202200253R。 FASEB J.2023。 PMID：36519968 免费PMC文章。审查。
一种基于强度的后处理工具，用于软X射线断层图中细胞器的3D实例分割。
Li A、Zhang S、Loconte V、Liu Y、Ekman A、Thompson GJ、Sali A、Stevens RC、White K、Singla J、Sun L。李安等。公共科学图书馆一号。2022年9月1日；17（9）：e0269887。doi:10.1371/journal.pone.0269887。eCollection 2022年。公共科学图书馆一号。2022 PMID：36048824 免费PMC文章。
细胞的集成建模。
钟X，赵J，孙L。钟X等。生物化学学报（上海）。2022年8月25日；54(9):1213-1221. doi:10.3724/abbs.2022115。生物化学学报（上海）。2022 PMID：36017893 免费PMC文章。审查。

查看所有“被引用”文章

工具书类

1. Sadave D.、Hillis D.M.、Heller H.C.、Berenbaum M.R.编辑，《生命生物学》（W.H.Freeman，第10版，2014年）。
1. Warshel A.，Karplus M.，共轭分子基态和激发态势能面的计算。I.公式化和参数化。美国化学杂志。《社会分类》94、5612–5625（1972）。
1. Warshel A.，Levit M.，酶反应的理论研究：溶菌酶反应中碳离子的介电、静电和空间稳定。分子生物学杂志。103, 227–249 (1976).-公共医学
1. Rout M.P.，Sali A.，《综合结构生物学研究原理》。细胞1771384-1403（2019）。-项目管理咨询公司-公共医学
1. Sali A.，从整合结构生物学到细胞生物学。生物学杂志。化学。296, 100743 (2021).-项目管理咨询公司-公共医学

出版物类型

行动
行动

MeSH术语

行动
行动
行动
行动
行动

赠款和资金

LinkOut-更多资源

全文源

[1] Sadave D.、Hillis D.M.、Heller H.C.、Berenbaum M.R.编辑，《生命生物学》（W.H.Freeman，第10版，2014年）。

[2] Sadave D.、Hillis D.M.、Heller H.C.、Berenbaum M.R.编辑，《生命生物学》（W.H.Freeman，第10版，2014年）。

[3] Warshel A.，Karplus M.，共轭分子基态和激发态势能面的计算。I.公式化和参数化。美国化学杂志。《社会分类》94、5612–5625（1972）。

[4] Warshel A.，Karplus M.，共轭分子基态和激发态势能面的计算。I.公式化和参数化。美国化学杂志。《社会分类》94、5612–5625（1972）。

[5] Warshel A.，Levit M.，酶反应的理论研究：溶菌酶反应中碳离子的介电、静电和空间稳定。分子生物学杂志。103, 227–249 (1976).-公共医学

[6] Warshel A.，Levit M.，酶反应的理论研究：溶菌酶反应中碳离子的介电、静电和空间稳定。分子生物学杂志。103, 227–249 (1976).-公共医学

[7] Rout M.P.，Sali A.，《综合结构生物学研究原理》。细胞1771384-1403（2019）。-项目管理咨询公司-公共医学

[8] Rout M.P.，Sali A.，《综合结构生物学研究原理》。细胞1771384-1403（2019）。-项目管理咨询公司-公共医学

[9] Sali A.，从整合结构生物学到细胞生物学。生物学杂志。化学。296, 100743 (2021).-项目管理咨询公司-公共医学

[10] Sali A.，从整合结构生物学到细胞生物学。生物学杂志。化学。296, 100743 (2021).-项目管理咨询公司-公共医学

将引文保存到文件

电子邮件引文

添加到集合

添加到我的书目

您保存的搜索

为外部引文管理软件创建文件

你的RSS订阅源

复杂生物系统在不同表示中的贝叶斯元模型

附属机构

复杂生物系统的贝叶斯元建模

作者

附属机构

摘要

利益冲突声明

数字

类似文章

引用人

工具书类

出版物类型

MeSH术语

赠款和资金

LinkOut-更多资源

全文源

摘要

利益冲突声明

数字

类似文章

引用人

工具书类

出版物类型

MeSH术语

相关信息

赠款和资金

LinkOut-更多资源

全文源