Development of computational methods to investigate the stochastic dynamic behavior of microbial communities

2021 ◽  
Author(s):  
Αθανάσιος Μπαλωμένος
Keyword(s):  
Single Cell ◽  
Visual Analytics ◽  
In Silico ◽  
Regulatory Networks ◽  
Cell Tracking ◽  
Cell Lineage ◽  
Phenotypic Switching ◽  
Stochastic Dynamic ◽  
Serovar Typhimurium ◽  
F Measure

Η ανάπτυξη μεθόδων και εργαλείων πληροφορικής για την αξιοποίηση των κυτταρικών ταινιών (cell movies) που να επιτρέπουν την ακριβή εξαγωγή των χαρακτηριστικών των βακτηρίων σε επίπεδο του μεμονωμένου κυττάρου (single-cell), την οπτικοποίηση και τη στατιστική μοντελοποίηση αυτών των χαρακτηριστικών, καθώς και την διεξαγωγή πειραμάτων ανάπτυξης μικροβιακών κοινοτήτων in silico, μέσω ρεαλιστικής προσομοίωσης, αποτελεί σήμερα πρόκληση του τομέα της υπολογιστικής συστημικής μικροβιολογίας. Στη διεθνή βιβλιογραφία απαντώνται μέθοδοι που αναλύουν κυτταρικές ταινίες με βακτήρια και ποσοτικοποιούν την πληροφορία που εξάγεται από χρονοσειρές εικόνων που απεικονίζουν αναπτυσσόμενες μικροβιακές αποικίες. Παραταύτα αυτές οι μέθοδοι μειονεκτούν σε αρκετά σημεία, π.χ. παρουσιάζουν χαμηλά ποσοστά επιτυχίας κατάτμησης πολύπλοκων κυτταρικών ταινιών με χιλιάδες κύτταρα, ενώ συχνά απαιτούν λεπτομερή παραμετροποίηση και έτσι χαρακτηρίζονται ως μη φιλικές προς το χρήστη-βιολόγο. Επιπλέον είναι σαφής η έλλειψη μιας ενιαίας υπολογιστικής στρατηγικής (pipeline), ικανής να αναλύει αυτόματα κυτταρικές ταινίες, να χαρακτηρίζει με αξιόπιστο τρόπο τη στοχαστικότητα στις κυτταρικές ιδιότητες, να παρέχει δυνατότητες οπτικοποίησης της κυτταρικής ποικιλομορφίας, αλλά και να επιτρέπει τη ρεαλιστική προσομοίωση της συμπεριφοράς μικροβιακών κοινοτήτων, λαμβάνοντας υπόψιν την εγγενή στοχαστικότητα των βιολογικών φαινομένων. Βασικό στόχο της εν λόγω διδακτορικής διατριβής λοιπόν αποτέλεσε η ανάπτυξη μιας τέτοιας ενιαίας στρατηγικής με τρία στάδια για τη μελέτη της δυναμικής συμπεριφοράς μικροβιακών κοινοτήτων. Το πρώτο στάδιο αποτελεί η ανάπτυξη αυτοματοποιημένης μεθόδου ανάλυσης κυτταρικών ταινιών, η οποία συλλέγει και οργανώνει ιεραρχικά την εξαγόμενη πληροφορία χωρίς να απαιτείται η παρέμβαση του ανθρώπου-χρήστη. Το δεύτερο στάδιο περιλαμβάνει τη δημιουργία ενός πληροφοριακού συστήματος (single-cell analytics and visualization platform) το οποίο επιτρέπει στο χρήστη να χαρακτηρίζει στατιστικά και να οπτικοποιήσει με διαφορετικούς τρόπους τις εξαγόμενες πληροφορίες από την ανάλυση εικόνας. Το τρίτο στάδιο υποστηρίζει την ανάπτυξη ενός πρότυπου «ψηφιακού διδύμου» που προσομοιώνει την ανάπτυξη μικροβιακών κοινοτήτων λαμβάνοντας υπόψιν την εγγενή στοχαστικότητα του φαινομένου αλλά και τις συνθήκες του μικροπεριβάλλοντος. Αρχικά, αναπτύχθηκε πρωτότυπη μέθοδος αντιστοίχισης κυττάρων (cell tracking) μεταξύ συνεχόμενων στιγμιότυπων εικόνας (frames) κυτταρικών ταινιών και δημιουργίας δέντρων κυτταρικής γενεαλογίας (cell lineage tree construction). Η μέθοδος αυτή μπορεί να παρακολουθεί και να ποσοτικοποιεί τις ιδιότητες των κυττάρων (π.χ. κυτταρική επιφάνεια, μήκος, πλάτος κ.α.) ανά γενιά και απεικία. Η πολύ μεγάλη ακρίβεια αντιστοίχισης βακτηρίων που επιτυγχάνεται (98,7%) είναι υψηλότερη σε σύγκριση με αυτή των υπαρχόντων μεθόδων. Κατά τη διάρκεια της κατάτμησης και της παρακολούθησης των βακτηρίων (δηλαδή με τη δημιουργία των δέντρων κυτταρικής γενεαλογίας), η προτεινόμενη μεθοδολογία ανάλυσης κυτταρικών ταινιών παράγει πληθώρα «μεγάλων δεδομένων» (“big data”), τα οποία χαρακτηρίζουν κάθε μεμονωμένο κύτταρο σε κάθε χρονική στιγμή (στιγμιότυπο εικόνας) μιας πολύπλοκης κυτταρικής ταινίας με πιθανά εκατοντάδες στιγμιότυπα και χιλιάδες κύτταρα. Δημιουργήθηκε λοιπόν ένα ολοκληρωμένο σύστημα ανάλυσης υψηλής ακρίβειας το οποίο συμβάλλει καθοριστικά στην πρόοδο της συστημικής βιολογίας και της ανάλυσης δεδομένων μεγάλης κλίμακας, όπως οι ταινίες ανάπτυξης βακτηριακών κοινοτήτων πολλαπλών στιγμιότυπων. Με την ολοκλήρωση των παραπάνω σταδίων, είχε αναπτυχθεί πλέον μια ολοκληρωμένη μέθοδος ανάλυσης κυτταρικών ταινιών, η οποία έλαβε την κωδική ονομασία BaSCA (Bacterial Single-Cell Analytics). Το σύστημα BaSCA αξιολογήθηκε ενδελεχώς και επετεύχθη ιδιαίτερα υψηλό ποσοστό F-measure, 98%, γεγονός που αποδεικνύει την ευρωστία (robustness) του αλγορίθμου κατάτμησης. Σε σχέση με υπάρχοντα λογισμικά, το BaSCA επιτυγχάνει σημαντικά υψηλότερο ποσοστό F-measure στα δεδομένα από διαφορετικά εργαστήρια που χρησιμοποιήθηκαν στην αξιολόγηση. Το ποσοστό F-measure παραμένει πολύ υψηλό (πάνω από 96.7%) ακόμα και για πολύπλοκες ταινίες που παρουσιάζουν μεγάλο συνωστισμό βακτηρίων. Η πληροφορία που μπορεί να εξαχθεί από την ανάλυση ταινιών, οργανώνεται σε σχεσιακή βάση βιοδεδομένων (relational bio-database), που επιτρέπει την εξόρυξη πληροφοριών από τα δεδομένα σε επίπεδο μεμονωμένων κύτταρων (single-cell analytics). Ένα ακόμα καινοτόμο χαρακτηριστικό, είναι η δυνατότητα δημιουργίας διαφορετικών «όψεων» στα δεδομένα, με στόχο την άμεση και φιλική οπτικοποίηση της πληροφορίας (visual analytics). Με τον τρόπο αυτό το σύστημα επιτρέπει στο χρήστη να επιλέγει υποπληθυσμούς (αποικίες, γενιές, συγγενείς στο δέντρο) και να διεξάγει στατιστικές αναλύσεις και εκτιμήσεις κατανομών. Επιπλέον για να επεκτείνουμε τις δυνατότητες οπτικοποίησης του BaSCA, η εργασία αυτή υποστήριξε και τη δημιουργία R πακέτου που ονομάστηκε ViSCAR (Visualization and Single-Cell Analytics in R). Με στόχο την υλοποίηση in silico μοντελοποίησης της ανάπτυξης μικροβιακών κοινοτήτων σε δύο διαστάσεις με ρεαλιστικά και ατομοστραφή μοντέλα (Individual-based models), τροποποιήθηκε και επεκτάθηκε σημαντικά το λογισμικό ανοιχτού κώδικα Cellmodeller. Έτσι διαμορφώθηκε ένα ευέλικτο υπολογιστικό περιβάλλον στο οποίο μπορούμε να «προγραμματίζουμε» διαφορετικές συμπεριφορές κυττάρων, και να προσομοιώνουμε την ανάπτυξη μιας ποικιλόμορφης κοινωνίας ενόσω αυτά αλληλεπιδρούν στοχαστικά κάτω από διαφορετικές συνθήκες μικροπεριβάλλοντος και πιθανά αλλάζουν φαινότυπο δυναμικά. Έτσι, κατέστη δυνατή η in silico προσομοίωση μικροβιακών κοινοτήτων που αναπτύσσονται με βάση στοχαστικά ατομοστραφή μοντέλα εξέλιξης για κάθε κύτταρο που εισέρχεται στη προσομοίωση. Δημιουργήθηκε ένας «ψηφιακός δίδυμος» (digital twin) μικροβιακής κοινότητας και εφαρμόστηκε η προτεινόμενη ενιαία στρατηγική για την περίπτωση της Σαλμονέλλας (Salmonella enterica serovar Typhimurium). Επιπλέον, ενσωματωθήκαν στα ατομοστραφη μοντέλα τα ρυθμιστικά δίκτυα γονιδιακής έκφρασης (gene regulatory networks) που αφορούν το μηχανισμό διακυτταρικής χημικής επικοινωνίας (quorum sensing), τον μηχανισμό ανάπτυξης της λοιμοτοξικότητας (virulence) της S. typhimurium, αλλά και την μεταξύ τους αλληλεπίδραση. Στη προσομοίωση λαμβάνεται υπόψη η εγγενής στοχαστικότητα που διέπει την ανάπτυξη και διαίρεση των μεμονωμένων βακτηρίων, η οποία επηρεάζει την αλλαγή φαινοτυπικής κατάστασης των κυττάρων ως προς τη λοιμοτοξικότητα. Επιβεβαιώθηκε έτσι η πρακτική εφαρμογή της ενιαίας προτεινόμενης στρατηγικής (pipeline) που είναι ικανή να αναλύει αυτόματα κυτταρικές ταινίες από πειράματα μικροσκοπίας ζωντανών κυττάρων (live cell imaging), να απεικονίζει με αποτελεσματικό τρόπο και να εξάγει στατιστικά μοντέλα για τα χαρακτηριστικά των κυττάρων σε αυτές. Επιπλέον επιδείχθηκε πως τα μοντέλα αυτά συμβάλουν στη δημιουργία ρεαλιστικών συνθετικών ταινιών που προσομοιώνουν στοχαστικά τη δυναμική συμπεριφορά μικροβιακών κοινοτήτων στο χώρο και στο χρόνο, όπως αυτές του παθογόνου S. typhimurium, σε μικροπεριβάλλον που οδηγεί στην αλλαγή φαινοτυπικής κατάστασης (phenotypic switching) κύτταρα που το καθένα ακολουθεί τη δική του εξατομικευμένη «λογική».

scholarly journals Dose-dependent spatiotemporal responses of mammalian cells to an alkylating agent

2017 ◽  
Author(s):  
Ann Rancourt ◽  
Sachiko Sato ◽  
Masahiko S. Satoh
Keyword(s):  
Cell Death ◽  
Single Cell ◽  
Cell Lines ◽  
Hela Cells ◽  
Cell Tracking ◽  
Cell Lineage ◽  
Cellular Responses ◽  
Spatiotemporal Data ◽  
Significant Heterogeneity ◽  
Lineage Tracking

AbstractCultured cell populations are composed of heterogeneous cells, and previous single-cell lineage tracking analysis of individual HeLa cells provided empirical evidence for significant heterogeneity of cell fates. Nevertheless, such cell lines have been used for investigations of cellular responses to various substances, resulting in incomplete characterizations. This problem caused by heterogeneity within cell lines could be overcome by analyzing the spatiotemporal responses of individual cells to a substance. However, no approach to investigate the responses using spatiotemporal data is currently available. Thus, the current study aimed to analyze the spatiotemporal responses of individual HeLa cells to cytotoxic, sub-cytotoxic, and non-cytotoxic doses of the well-characterized carcinogen, N-methyl-N'-nitro-N-nitrosoguanidine (MNNG). Although cytotoxic doses of MNNG are known to induce cell death, the single-cell tracking approach revealed that cell death occurred following at least four different cellular events, suggesting that cell death is induced via multiple processes. We also found that HeLa cells exposed to sub-cytotoxic doses of MNNG were in a state of equilibrium between cell proliferation and cell death, with cell death again induced through different processes. However, exposure of cells to non-cytotoxic doses of MNNG promoted growth by reducing the cell doubling time, thus promoting the growth of a sub-population of cells previously recognized as putative cancer stem cells. These results demonstrate that the responses of cells to MNNG can be analyzed precisely using spatiotemporal data, regardless of the presence of heterogeneity among cultured cells, suggesting that single-cell lineage tracking analysis can be used as a novel and accurate analytical method to investigate cellular responses to various substances.

scholarly journals Identification of SNA-I-positive cells as stem-like cells in an established cell line using computerized single-cell lineage tracking

2018 ◽  
Author(s):  
Sachiko Sato ◽  
Ann Rancourt ◽  
Masahiko S. Satoh
Keyword(s):  
Single Cell ◽  
Cell Line ◽  
Cell Population ◽  
Cell Tracking ◽  
Cell Lineage ◽  
Live Cell ◽  
Wide Range ◽  
A Cell ◽  
Analysis System ◽  
Lineage Tracking

AbstractSingle-cell tracking analysis is a potential research technique for the accurate investigation of cellular behaviors and events occurring within a cell population. However, this analysis is challenging because of a lack of microscope hardware and software suitable for single-cell tracking analysis of a wide range of cell types and densities. We therefore developed a computerized single-cell lineage tracking analysis system based on a microscope optimized for differential interference contrast-based long-term live cell imaging, with software designed to automatically generate live cell videos, perform image segmentation, carry out single-cell tracking, and create and analyze a cell lineage database. We previously reported that minor cell sub-populations (3%–7%) within a cultured cancer cell line could play a critical role in maintaining the cell population. Given that sub-population characterization requires large-scale single-cell tracking analysis, we tracked single cells using the above computerized system and identified a minor cell population (1.5%) composed ofSambucus nigraagglutinin-I-positive cells, which acted as stem-like cells for the established culture. These results demonstrate the potential value of this computerized single-cell lineage tracking analysis system as a routine tool in cell biology, opening new avenues for research aimed at identifying previously unknown characteristics of individual cultured cells with high accuracy.

scholarly journals High-throughput single-cell chromatin accessibility CRISPR screens enable unbiased identification of regulatory networks in cancer

2021 ◽  
Vol 12 (1) ◽  
Author(s):  
Sarah E. Pierce ◽  
Jeffrey M. Granja ◽  
William J. Greenleaf
Keyword(s):  
Transcription Factor ◽  
Single Cell ◽  
Cancer Cells ◽  
High Throughput ◽  
Regulatory Networks ◽  
Temporal Dynamics ◽  
Chromatin Accessibility ◽  
Regulatory Regions ◽  
Factor Binding ◽  
Genome Wide

AbstractChromatin accessibility profiling can identify putative regulatory regions genome wide; however, pooled single-cell methods for assessing the effects of regulatory perturbations on accessibility are limited. Here, we report a modified droplet-based single-cell ATAC-seq protocol for perturbing and evaluating dynamic single-cell epigenetic states. This method (Spear-ATAC) enables simultaneous read-out of chromatin accessibility profiles and integrated sgRNA spacer sequences from thousands of individual cells at once. Spear-ATAC profiling of 104,592 cells representing 414 sgRNA knock-down populations reveals the temporal dynamics of epigenetic responses to regulatory perturbations in cancer cells and the associations between transcription factor binding profiles.

scholarly journals EPEN-21. IMPAIRED NEURONAL-GLIAL FATE SPECIFICATION IN PEDIATRIC EPENDYMOMA REVEALED BY SINGLE-CELL RNA-SEQ

2020 ◽  
Vol 22 (Supplement_3) ◽  
pp. iii311-iii312
Author(s):  
Bernhard Englinger ◽  
Johannes Gojo ◽  
Li Jiang ◽  
Jens M Hübner ◽  
McKenzie L Shaw ◽  
...  
Keyword(s):  
Dna Methylation ◽  
Single Cell ◽  
Regulatory Networks ◽  
Target Genes ◽  
Target Identification ◽  
Rna Seq ◽  
Cell Models ◽  
Pediatric Ependymoma ◽  
Glial Fate ◽  
Anatomic Locations

Abstract Ependymoma represents a heterogeneous disease affecting the entire neuraxis. Extensive molecular profiling efforts have identified molecular ependymoma subgroups based on DNA methylation. However, the intratumoral heterogeneity and developmental origins of these groups are only partially understood, and effective treatments are still lacking for about 50% of patients with high-risk tumors. We interrogated the cellular architecture of ependymoma using single cell/nucleus RNA-sequencing to analyze 24 tumor specimens across major molecular subgroups and anatomic locations. We additionally analyzed ten patient-derived ependymoma cell models and two patient-derived xenografts (PDXs). Interestingly, we identified an analogous cellular hierarchy across all ependymoma groups, originating from undifferentiated neural stem cell-like populations towards different degrees of impaired differentiation states comprising neuronal precursor-like, astro-glial-like, and ependymal-like tumor cells. While prognostically favorable ependymoma groups predominantly harbored differentiated cell populations, aggressive groups were enriched for undifferentiated subpopulations. Projection of transcriptomic signatures onto an independent bulk RNA-seq cohort stratified patient survival even within known molecular groups, thus refining the prognostic power of DNA methylation-based profiling. Furthermore, we identified novel potentially druggable targets including IGF- and FGF-signaling within poorly prognostic transcriptional programs. Ependymoma-derived cell models/PDXs widely recapitulated the transcriptional programs identified within fresh tumors and are leveraged to validate identified target genes in functional follow-up analyses. Taken together, our analyses reveal a developmental hierarchy and transcriptomic context underlying the biologically and clinically distinct behavior of ependymoma groups. The newly characterized cellular states and underlying regulatory networks could serve as basis for future therapeutic target identification and reveal biomarkers for clinical trials.

scholarly journals Optical and genetic tools for in vivo single cell tracking

2021 ◽  
Vol 358 ◽  
pp. 109192
Author(s):  
Yajie Liang ◽  
Liset M. de la Prida
Keyword(s):  
Single Cell ◽  
Cell Tracking ◽  
Genetic Tools

scholarly journals Gene coexpression networks reveal molecular interactions underlying cichlid jaw modularity

2021 ◽  
Vol 21 (1) ◽  
Author(s):  
Pooja Singh ◽  
Ehsan Pashay Ahi ◽  
Christian Sturmbauer
Keyword(s):  
In Silico ◽  
Regulatory Networks ◽  
Evolutionary Significance ◽  
Cichlid Species ◽  
Cichlid Fishes ◽  
Gene Coexpression ◽  
Modular Evolution ◽  
Jaw Apparatus ◽  
Coexpression Networks ◽  
Pharyngeal Jaw

Abstract Background The oral and pharyngeal jaw of cichlid fishes are a classic example of evolutionary modularity as their functional decoupling boosted trophic diversification and contributed to the success of cichlid adaptive radiations. Most studies until now have focused on the functional, morphological, or genetic aspects of cichlid jaw modularity. Here we extend this concept to include transcriptional modularity by sequencing whole transcriptomes of the two jaws and comparing their gene coexpression networks. Results We show that transcriptional decoupling of gene expression underlies the functional decoupling of cichlid oral and pharyngeal jaw apparatus and the two units are evolving independently in recently diverged cichlid species from Lake Tanganyika. Oral and pharyngeal jaw coexpression networks reflect the common origin of the jaw regulatory program as there is high preservation of gene coexpression modules between the two sets of jaws. However, there is substantial rewiring of genetic architecture within those modules. We define a global jaw coexpression network and highlight jaw-specific and species-specific modules within it. Furthermore, we annotate a comprehensive in silico gene regulatory network linking the Wnt and AHR signalling pathways to jaw morphogenesis and response to environmental cues, respectively. Components of these pathways are significantly differentially expressed between the oral and pharyngeal jaw apparatus. Conclusion This study describes the concerted expression of many genes in cichlid oral and pharyngeal jaw apparatus at the onset of the independent life of cichlid fishes. Our findings suggest that – on the basis of an ancestral gill arch network—transcriptional rewiring may have driven the modular evolution of the oral and pharyngeal jaws, highlighting the evolutionary significance of gene network reuse. The gene coexpression and in silico regulatory networks presented here are intended as resource for future studies on the genetics of vertebrate jaw morphogenesis and trophic adaptation.

Sign in / Sign up

Export Citation Format

Share Document