1. Telling metabolic stories to explore metabolomics data: a case study on the yeast response to cadmium exposure
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Fabien Jourdan, Pierluigi Crescenzi, Christophe Junot, Andrea Marino, Michele Borassi, Etienne Birmelé, Marie-France Sagot, Ludovic Cottret, Leen Stougie, Vicente Acuña, Cecilia C. Klein, Vincent Lacroix, Alberto Marchetti-Spaccamela, Paulo Vieira Milreu, An algorithmic view on genomes, cells, and environments (BAMBOO), Laboratoire de Biométrie et Biologie Evolutive - UMR 5558 (LBBE), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-VetAgro Sup - Institut national d'enseignement supérieur et de recherche en alimentation, santé animale, sciences agronomiques et de l'environnement (VAS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-VetAgro Sup - Institut national d'enseignement supérieur et de recherche en alimentation, santé animale, sciences agronomiques et de l'environnement (VAS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria), Laboratoire d'Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés (LISBP), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National de la Recherche Agronomique (INRA), Mathomics, Universidad de Chile = University of Chile [Santiago] (UCHILE), Université d'Évry-Val-d'Essonne (UEVE), Scuola Normale Superiore di Pisa (SNS), Laboratoire d'Etude du Métabolisme des Médicaments (LEMM), Service de Pharmacologie et Immunoanalyse (SPI), Médicaments et Technologies pour la Santé (MTS), Université Paris-Saclay-Direction de Recherche Fondamentale (CEA) (DRF (CEA)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-Université Paris-Saclay-Direction de Recherche Fondamentale (CEA) (DRF (CEA)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-Médicaments et Technologies pour la Santé (MTS), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE), Dipartimento di Informatica e Sistemistica 'Antonio Ruberti' (DIS), Università degli Studi di Roma 'La Sapienza' = Sapienza University [Rome], Dipartimento di Sistemi e Informatica (DSI), Università degli Studi di Firenze = University of Florence [Firenze] (UNIFI), Department of mathematics and computing science [Eindhoven], Eindhoven University of Technology [Eindhoven] (TU/e), Métabolisme et Xénobiotiques (ToxAlim-MeX), ToxAlim (ToxAlim), Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Ecole Nationale Vétérinaire de Toulouse (ENVT), Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Ecole d'Ingénieurs de Purpan (INPT - EI Purpan), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut National de la Recherche Agronomique (INRA)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut National de la Recherche Agronomique (INRA), European Research Council under the European Community [(247073)10], French project [ANR MIRI BLAN08-1335497], ANR, Plateforme Bioinformatique de Toulouse, ANR-BBSRC Systryp, CIRIC-INRIA Chile line Natural Resources, NWO-CLS MEMESA project, 'DISCO' PRIN National Research Project, ANR-08-BLAN-0293,MIRI,Combinatorial exploration of the molecular landscape and evolution of intimate species relations(2008), European Project: 247073,EC:FP7:ERC,ERC-2009-AdG,SISYPHE(2010), Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Laboratoire de Biométrie et Biologie Evolutive - UMR 5558 (LBBE), Université de Lyon-Université de Lyon-VetAgro Sup - Institut national d'enseignement supérieur et de recherche en alimentation, santé animale, sciences agronomiques et de l'environnement (VAS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut National de la Recherche Agronomique (INRA)-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Università degli Studi di Roma 'La Sapienza' = Sapienza University [Rome] (UNIROMA), Università degli Studi di Firenze = University of Florence (UniFI), Institut National de la Recherche Agronomique (INRA)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Ecole Nationale Vétérinaire de Toulouse (ENVT), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université de Toulouse (UT)-Ecole d'Ingénieurs de Purpan (INPT - EI Purpan), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut National de la Recherche Agronomique (INRA)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT), Université de Toulouse (UT)-Ecole d'Ingénieurs de Purpan (INP - PURPAN), Institut National de la Recherche Agronomique (INRA), University of Chile [Santiago], Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Direction de Recherche Fondamentale (CEA) (DRF (CEA)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Médicaments et Technologies pour la Santé (MTS), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), Università degli Studi di Roma 'La Sapienza' [Rome], Università degli Studi di Firenze [Firenze], ANR-08-BLAN-1335497,MIRI,Combinatorial exploration of the molecular landscape and evolution of intimate species relations(2008), Econometrics and Operations Research, Amsterdam Business Research Institute, Evolutionary Intelligence, Milreu, Paulo Vieira, Lacroix, Vincent, and Sagot, Marie-France
- Subjects
Statistics and Probability ,Computer science ,[INFO.INFO-DS]Computer Science [cs]/Data Structures and Algorithms [cs.DS] ,Saccharomyces cerevisiae ,Machine learning ,computer.software_genre ,Biochemistry ,03 medical and health sciences ,chemistry.chemical_compound ,Cadmium ,Enzyme Activation ,Glutathione ,Metabolomics ,Medicine (all) ,Molecular Biology ,Computer Science Applications1707 Computer Vision and Pattern Recognition ,Computational Theory and Mathematics ,Computational Mathematics ,Statistics ,Organism ,030304 developmental biology ,0303 health sciences ,business.industry ,030302 biochemistry & molecular biology ,Glutathione biosynthesis ,Original Papers ,Structural Bioinformatics ,[SDV.BIBS]Life Sciences [q-bio]/Quantitative Methods [q-bio.QM] ,Computer Science Applications ,Variety (cybernetics) ,Enzyme inhibition ,CADMIUM EXPOSURE ,chemistry ,sense organs ,Artificial intelligence ,[INFO.INFO-BI]Computer Science [cs]/Bioinformatics [q-bio.QM] ,business ,computer - Abstract
Motivation: The increasing availability of metabolomics data enables to better understand the metabolic processes involved in the immediate response of an organism to environmental changes and stress. The data usually come in the form of a list of metabolites whose concentrations significantly changed under some conditions, and are thus not easy to interpret without being able to precisely visualize how such metabolites are interconnected. Results: We present a method that enables to organize the data from any metabolomics experiment into metabolic stories. Each story corresponds to a possible scenario explaining the flow of matter between the metabolites of interest. These scenarios may then be ranked in different ways depending on which interpretation one wishes to emphasize for the causal link between two affected metabolites: enzyme activation, enzyme inhibition or domino effect on the concentration changes of substrates and products. Equally probable stories under any selected ranking scheme can be further grouped into a single anthology that summarizes, in a unique subnetwork, all equivalently plausible alternative stories. An anthology is simply a union of such stories. We detail an application of the method to the response of yeast to cadmium exposure. We use this system as a proof of concept for our method, and we show that we are able to find a story that reproduces very well the current knowledge about the yeast response to cadmium. We further show that this response is mostly based on enzyme activation. We also provide a framework for exploring the alternative pathways or side effects this local response is expected to have in the rest of the network. We discuss several interpretations for the changes we see, and we suggest hypotheses that could in principle be experimentally tested. Noticeably, our method requires simple input data and could be used in a wide variety of applications. Availability and implementation: The code for the method presented in this article is available at http://gobbolino.gforge.inria.fr. Contact: pvmilreu@gmail.com; vincent.lacroix@univ-lyon1.fr; marie-france.sagot@inria.fr Supplementary information: Supplementary data are available at Bioinformatics online.
- Published
- 2013