Διαδικτυακή και διαδραστική οπτικοποίηση πολλαπλών γονιδιακών ρυθμιστικών δικτύων.

Abstract

Τα γονιδιακά ρυθμιστικά δίκτυα (ΓΡΔ) (Gene Regulatοry Netwοrks) μοντελοποιούν τις αλληλεπιδράσεις γονιδίων κατά τη διάρκεια των βιολογικών διεργασιών. Στο κύτταρο εκατοντάδες ή χιλιάδες γονίδια εκφράζονται και συνεργάζονται από κοινού για να εξασφαλιστεί η λειτουργία και η επιβίωση του. Οι σχέσεις των γονιδίων έχουν χαρτογραφηθεί σε ΓΡΔ, τα οποία μπορούν να προσφέρουν γνώση σχετικά με τους μηχανισμούς της γονιδιακής έκφρασης. Επίσης, τα δίκτυα αυτά μπορούν να αξιοποιηθούν για την καλύτερη κατανόηση της ροής των πληροφοριών σε ένα βιολογικό σύστημα. Επιπλέον, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον εντοπισμό μονοπατιών και να μοντελοποιήσουν αλλαγές στην έκφραση γονιδίων υπό διαφορετικές συνθήκες. Η παρούσα πτυχιακή εργασία ασχολείται με τη σύνδεση πολλών μεμονωμένων γράφων μεταξύ τους και την οπτικοποίηση αυτών. Αυτοί οι γράφοι αφορούν ορισμένες έννοιες της μοριακής βιολογίας, όπου κάποιες σημαντικές από αυτές είναι τα γονίδια, οι πρωτεΐνες τους και η γονιδιακή έκφραση. Για τον σκοπό αυτό δημιουργήθηκε ένας αλγόριθμος ο οποίος ενσωματώθηκε σε μια πλατφόρμα, το MultiGraph Connector. Αυτός ο αλγόριθμος, υποστηρίζει λειτουργίες όπως εισαγωγή γράφου, ένωση γράφων μεταξύ τους αλλά και οπτικοποίηση αυτών. Το τελικό αποτέλεσμα της παραπάνω διαδικασίας είναι η δημιουργία μιας διαδικτυακής εφαρμογής κυρίως για χρήστες που ασχολούνται με τον τομέα της βιοπληροφορικής, ώστε να βοηθήσει τους ερευνητές να κατανοήσουν ευκολότερα τις αλληλεπιδράσεις σε βιολογικά μονοπάτια όπου έχουν αναπτυχθεί διάφοροι αλγόριθμοι διάταξης. Ο χρήστης, χάρη στους αλγόριθμους διάταξης, μπορεί να μεταφέρει αυτόματα μονοπάτια, επισημαίνοντας τις ακμές των κόμβων και αλλάζοντας το οπτικό ύφος, ώστε το διάγραμμα μονοπατιού να είναι ευνόητο. Η πτυχιακή εργασία είναι δομημένη σε 6 κεφάλαια, τα οποία αναλύουν όλη την απαραίτητη θεωρία των εννοιών της βιολογίας και των ρυθμιστικών γονιδιακών δικτύων. Επίσης, επεξηγούνται οι τεχνολογίες που χρησιμοποιήθηκαν για την ανάπτυξη Multigraph Connector. Τέλος, παρουσιάζεται η εφαρμογή που δημιουργήθηκε για τους σκοπούς της παρούσας πτυχιακής.

Gene Regulatory Networks (GRN) model gene interactions during biological processes. In the cell, hundreds or thousands of genes are expressed and work together to ensure its function and survival. Gene relationships have been mapped to GRNs, which can provide insights into the mechanisms of gene expression. Also, these networks can be utilized to better understand the flow of information in a biological system. In addition, they can be used to detect pathways and model changes in gene expression under different conditions. This Thesis deals with the connection of many individual graphs with each other and their visualization. These graphs refer to certain concepts of molecular biology, some of which are important in terms of genes, their proteins, and gene expression. For this purpose, an algorithm was created which was integrated into a platform, the MultiGraph Connector. This algorithm supports functions such as inserting graphs, merging graphs with each other, and visualizing them. The result of the above process is the creation of an online application mainly for users involved in the field of bioinformatics, to help researchers more easily understand the interactions in biological paths where various layout algorithms have been developed. The user, thanks to the layout algorithms, can automatically transfer pathways, highlighting the edges of the nodes and changing the visual style, so that the pathway diagram is understandable. This Thesis is structured in 6 chapters, which analyze all the necessary theory of the concepts of biology and regulatory genetic networks. The technologies used to develop the Multigraph Connector are also explained. Finally, the application created for the purposes of this Thesis is presented.