Inferencia de interacciones causales génicas usando técnicas basadas en Manto de Markov

Abstract

Conocer cómo interactúan los genes en las células es un objetivo importante en biología y medicina. Este conocimiento permitiría la creación de terapias celulares precisas para corregir disfunciones de los mecanismos moleculares detrás de condiciones patológicas como el cáncer [1,2]. El estudio de estas interacciones ha sido realizado tradicionalmente por medio de experimentos que involucran perturbaciones a los sistemas celulares, y con ello una alta demanda de tiempo y mano de obra. La premisa común para realizar estos costosos experimentos de intervención es que ellos permiten detectar relaciones de causalidad entre genes sin ambigüedad, a diferencia de realizar únicamente observaciones en los sistemas celulares que no permitirían distinguir de forma confiable relaciones causales de correlaciones estadísticas generadas indirectamente por mecanismos no observados. En redes génicas, es necesario distinguir entre una causa de un efecto y el efecto de una causa, ya que esto permitiría saber cómo funciona la regulación génica en las células. No obstante, Maathius et al. [6] demostró que inferir relaciones causales en redes moleculares es posible usando datos de observaciones de los componentes del sistema (genes) y una metodología de análisis de datos. Estos trabajos generaron interés en el tema motivando diversos trabajos en consecuencia con el enfoque de estadística inferencial y causalidad. Sin embargo, las metodologías propuestas incorporan fuertes consideraciones en los modelos, como aciclicidad de las interacciones y gausianidad en los niveles de expresión de los genes, consideraciones que son biológicamente cuestionables, así como un elevado costo computacional para su procesamiento. Es en dicho contexto donde el presente proyecto propone aplicar un enfoque basado en Aprendizaje Máquina (AM). Este campo estudia cómo generar modelos que aprendan a discriminar objetos o instancias en categorías o clases conocidas, con base a un conjunto de instancias ya clasificadas (datos de entrenamiento). La idea de usar Aprendizaje Máquina en la detección de interacciones causales entre genes es aprender las diferencias mínimas que puedan existir dentro de las observaciones temporales de las expresiones de los genes que pueden caracterizar comportamientos causales entre genes. Sin embargo, al aplicar Aprendizaje Máquina en problemas de alta dimensionalidad como el descrito, es común hallar un alto costo computacional para su ejecución, lo cual genera la necesidad de métodos de reducción de dimensionalidad. En el presente proyecto se propone investigar un enfoque basado en el concepto de Manto de Markov (MM), cuyos estimadores han probado ser teóricamente óptimos para la detección del conjunto de variables causalmente relevante respecto a una variable de interés.