BF-SigSim - BF-Signalwegsimulation mittels White-Box Modelling für die Prädiktion von Genexpressionen in Zellen (SigSim)

Genexpressionen sowie die damit zusammenhängende Expression von Proteinen sind die wichtigsten Einflussgrößen in inter- und intrazellulären Signalwegen. Durch gegenseitiges Beeinflussen, Aktivieren, Inaktivieren, Hemmen sowie Interaktionen zwischen diesen beteiligten Größen werden alle Prozesse in unseren Zellen gesteuert. Die exakte Funktionsweise bzw. die Abhängigkeiten und Interaktionen zwischen diesen Einflussgrößen sowie beobachtete Veränderungen bei verschiedenen Erkrankungen und Zellstatus sind – trotz der immensen Möglichkeiten – nicht vollständig geklärt. Ein besseres Verständnis dieser Mechanismen bietet hohes Potential in der Entwicklung von innovativen Therapieansätzen, einen tieferen Einblick in verschiedenste Zellmechanismen und Erkrankungen und kann auch für die Modifikation von Signaltransduktionen genutzt werden. In diesem Projekt sollen unter Anwendung von maschinellem Lernen die Auswirkungen von Genexpressionen in Signalwegen durch die Modellierung (Prädiktion) von Genexpressionen untersucht werden. Das Ziel dieses Projekts ist es, die Auswirkungen einer (In-) Aktivierung eines Gens auf andere Gene, welche damit im Zusammenhang stehen, zu simulieren. Durch eine Signalwegsimulation anhand von Daten von vermeintlich gesunden Individuen bzw. intakten Zellen soll es ermöglicht werden, abnormale Signalkaskaden in anderen Datensätzen zu erkennen bzw. zu untersuchen bis zu welchem Gen bzw. welcher Gruppe von Genen ein Signalweg „normal“ abläuft. Aufgrund der Expertisen der Projektpartner*innen im Bereich Genomics, künstliche Intelligenz (KI) und extrazellulären Vesikeln (EVs) liegt der initiale Fokus auf ausgewählten Signalwegen, welche vor allem EVs betreffen, wie beispielsweise der Clathrin-mediierten Endozytose (CME), Phagozytose und endosomalen Membranfusion. Dadurch sollen Mechanismen, die auch bei der Überquerung der Blut-Hirn-Schranke eine Rolle spielen, identifiziert werden. Bei erfolgreicher Umsetzung soll dieser Ansatz auch in weiterführenden Projekten auf weitere Signalwege angewendet werden. Eine effiziente Modellierung trägt maßgeblich zum Verständnis immunologischer sowie inter- und intrazellulärer Interaktionen bei und birgt hohes Potenzial für die Identifikation von Mechanismen, um mit der Blut-Hirn-Schranke interagieren bzw. diese überwinden zu können. Zudem eröffnet dies die Möglichkeit, potentielle Ansatzpunkte zur Modifikation dieser Signalwege zu finden – für EVs können dies Gene sein, welche das Passieren der Blut-Hirn-Schranke ermöglichen. Die Ergebnisse dieses Projekts sollen initial dem Design von Experimenten und zur Überprüfung der Modelle dienen und in weiterer Zukunft zur Etablierung von therapeutischen Ansätzen und Identifikation von Biomarkern beitragen.