Онтологии в биоинформатике и системной биологии

Компьютерное моделирование в настоящее время становится центральной научной парадигмой системной биологии и основным инструментом для теоретического исследования и понимания механизмов функционирования сложных живых систем. Увеличение количества и сложности этих моделей приводит к необходимости их коллективной разработки, повторного использования, верификации, описания вычислительного эксперимента и его результатов. При разработке форматов представления знаний для математического моделирования биологических систем активно применяют онтологическое моделирование предметной области. В этом смысле онтологию, связанную со всей совокупностью форматов, обеспечивающих поддержку исследований в системной биологии, в частности компьютерное моделирование биологических систем и процессов, можно считать первым приближением к онтологии системной биологии. В обзоре кратко представлены особенности предметной области (биоинформатика, системная биология, биомедицина), основные мотивации в развитии онтологий и наиболее важные примеры онтологического моделирования и семантического анализа на разных уровнях иерархии знаний: молекулярно-генетическом, клеточном, тканевом, органов и организма. Биоинформатика и системная биология являются прекрасным полигоном для отработки технологий и эффективного использования онтологического моделирования. Создание нескольких десятков базовых ссылочных онтологий и их верификация позволяют использовать эти онтологии в качестве источников знаний для интеграции и построения более сложных моделей предметной области, ориентированных на решение конкретных задач биомедицины и биотехнологии. Дальнейшая формализация и накопление онтологических знаний, а также использование формальных методов их анализа могут поднять весь цикл научных исследований в области системной биологии на новый технологический уровень.

1. Подколодный Н.Л. Онтологическое моделирование в биоинформатике и системной биологии. Онтологическое моделирование. ИПИ РАН, 2011:233-269.

2. Подколодный Н.Л., Игнатьева Е.В., Подколодная О.А., Колчанов Н.А. Информационная поддержка исследования механизмов регуляции транскрипции: онтологический подход. Вавиловский журнал генетики и селекции. 2012;16(4/1):742-755.

3. Antezana E., Egaña M., Blondé W., Illarramendi A., Bilbao I., De Baets B., Stevens R., Mironov V., Kuiper M. The Cell Cycle Ontology: an application ontology for the representation and integrated

4. analysis of the cell cycle process. Genome Biol. 2009;10(5):R58. DOI 10.1186/gb-2009-10-5-r58

5. Bada M., Hunter L. Enrichment of OBO ontologies. J. Biomed. Inform. 2007;40:300-315.

6. Beck T., Morgan H., Blake A., Wells S., Hancock J.M., Mallon A.-M. Practical application of ontologies to annotate and analyze large-scale raw mouse phenotype data. BMC Bioinformatics. 2009;10(Suppl5):S2. DOI 10.1186/1471-2105-10-S5-S2

7. Bodenreider O. Biomedical ontologies in action: Role in knowledge management, data integration and decision support. IMIA Yearbook Medical Informatics, 2008.

8. Bodenreider O., Stevens R. Bio-ontologies: Current trends and future directions. Brief Bioinform. 2006;7(3):256-274.

9. Brazma A., Hingamp P., Quackenbush J., Sherlock G., Spellman P., Stoeckert C., Aach J., Ansorge W., Ball C.A., Causton H.C., Gaasterland T., Glenisson P., Holstege F.C., Kim I.F., Markowitz V., Matese J.C., Parkinson H., Robinson A., Sarkans U., Schulze-Kremer S., Stewart J., Taylor R., Vilo J., Vingron M. Minimum information about a microarray experiment (MIAME)–toward standards for microarray data. Nat. Genet. 2001;29:365-371.

10. Carbon S., Ireland A., Mungall C.J., Shu S., Marshall B., Lewis S. AmiGO: online access to ontology and annotation data. Bioinformatics. 2009;25(2):288-289. DOI 10.1093/bioinformatics/btn615

11. Chandrasekaran B., Josephson J.R., Benjamins V.R. What are ontologies and why do we need them? IEEE Intelligent Systems. 1999;14(1): 20-26. DOI 10.1109/5254.747902

12. Chapman W.W., Cohen K.B. Current issues in biomedical text mining and natural language processing. J. Biomed. Inform. 2009;42:757-759. DOI 10.1016/j.jbi.2009.09.001

13. Chelliah V., Endler L., Juty N., Laibe C., Li C., Rodriguez N., Le Novère N. Data integration and semantic enrichment of systems biology models and simulations. Data integration in the life sciences. Lecture Notes in Computer Science. 2009;5647:5-15.

14. Chen Q., Chen Y.-P.P., Zhang C. Detecting inconsistency in biological molecular databases using ontologies. Data Min. Knowl. Disc. 2007;15:275-296. DOI 10.1007/s10618-007-0071-0

15. Conesa A., Gotz S. Blast2GO: a comprehensive suite for functional analysis in plant genomics. Int. J. Plant Genomics. 2008;2008:619832. DOI 10.1155/2008/619832

16. Cunningham F., Moore B., Ruiz-Schultz N., Ritchie G.R., Eilbeck K. Improving the Sequence Ontology terminology for genomic variant annota­tion. J. Biomed Semantics. 2015; 6:32. DOI 10.1186/s13326- 015-0030-4

17. Dada J.O., Spasić I., Paton N.W., Mendes P. SBRML: a markup language for associating systems biology data with models. Bioinformatics. 2010;26(7):932-938. DOI 10.1093/bioinformatics/btq069

18. Day-Richter J., Harris M.A., Haendel M. Gene ontology OBO-edit working group, Lewis S. OBO-Edit – an ontology editor for biologists. Bioinformatics. 2007;23(16):2198-2200.

19. Demir E., Cary M.P., Paley S. et al. The BioPAX community standard for pathway data sharing. Nat. Biotechnol. 2010;28:935-942. DOI 10.1038/nbt.1666

20. Gene Ontology Consortium. Gene Ontology Consortium: going forward. Nucl. Acids Res. 2015;43(Database issue):D1049-D1056. DOI 10.1093/nar/gku1179

21. Graham E., Moss J., Burton N., Armit C., Richardson L., Baldock R.D. The atlas of mouse development eHistology resource. Development. 2015;142:1909-1911. DOI 10.1242/dev.124917

22. Gruber T.R. Toward principles for the design of ontologies used for knowledge sharing. Int. J. Human-Computer Studies.1995;43(5/6):907-928.

23. Онтологии в биоинформатике и системной биологии Н.Л. Подколодный О.А. Подколодная Huaiyu M.I., Lazareva-Ulitsky B., Loo R., Kejariwal A., Vandergriff J., Rabkin S., Guo N., Muruganujan A., Doremieux O., Campbell M.J., Kitano H., Thomas P.D. The PANTHER database of protein families, subfamilies, functions and pathways. Nucl. Acids Res. 2005; 33(suppl.1):D284-D288. DOI 10.1093/nar/gki078

24. Hucka M., Finney A., Sauro H.M., Bolouri H., Doyle J.C., Kitano H., Arkin A.P., Bornstein B.J., Bray D., Cornish-Bowden A., Cuellar A.A., Dronov S., Gilles E.D., Ginkel M., Gor V., Goryanin I.I., Hedley W.J., Hodgman T.C., Hofmeyr J.H., Hunter P.J., Juty N.S., Kasberger J.L., Kremling A., Kummer U., Le Novère N., Loew L.M., Lucio D., Mendes P., Minch E., Mjolsness E.D., Nakayama Y., Nelson M.R., Nielsen P.F., Sakurada T., Schaff J.C., Shapiro B.E., Shimizu T.S., Spence H.D., Stelling J., Takahashi K., Tomita M., Wagner J., Wang J. SBML Forum. The systems biology markup language (SBML): a medium for representation and exchange of biochemical network models. Bioinformatics. 2003;19(4):524-31.

25. Huntley R.P., Sawford T., Mutowo-Meullenet P., Shypitsyna A., Bonilla C., Martin M.J., O.Donovan C. The GOA database: Gene Ontology annotation updates for 2015. Nucl. Acids Res. 2015;43(Database issue):D1057-D1063. DOI 10.1093/nar/gku1113

26. Kanehisa M., Goto S., Kawashima S., Okuno Y., Hattori M. The KEGG resource for deciphering the genome. Nucl. Acids Res. 2004;32 (Database issue):D277-80.

27. Karp P.D., Weaver D., Paley S., Fulcher C., Kubo A., Kothari A., Krummenacker M., Subhraveti P., Weerasinghe D., Gama-Castro S., Huerta A.M., Muñiz-Rascado L., Bonavides-Martinez C., Weiss V., Peralta-Gil M., Santos-Zavaleta A., Schröder I., Mackie A., Gunsalus R., Collado-Vides J., Keseler I.M., Paulsen I. The EcoCyc Database. Ecosal Plus. 2014;2014. DOI 10.1128/ecosalplus

28. Keet C.M., Roos M., Marshall M.S. A survey of requirements for automated reasoning services for bio-ontologies in owl. Workshop on OWL: Experiences and Directions. Innsbruck, Austria, 2007.

29. Khatri P., Draghici S. Ontological analysis of gene expression data: current tools, limitations, and open problems. Bioinformatics. 2005; 21(18):3587-3595.

30. Kitano H. Systems biology: a brief overview. Science. 2002;295:1662-1664.

31. Klein T.E., Chang J.T., Cho M.K., Easton K.L., Fergerson R., Hewett M., Lin Z., Liu Y., Liu S., Oliver D.E., Rubin D.L., Shafa F., Stuart J.M., Altman R.B. Integrating genotype and phenotype information: an overview of the PharmGKB project. Pharmacogenomics J. 2001;1: 167-170.

32. Le Novère N., Finney A., Hucka M., Bhalla U.S., Campagne F., ColladoVides J., Crampin E.J., Halstead M., Klipp E., Mendes P., Nielsen P., Sauro H., Shapiro B., Snoep J.L., Spence H.D., Wanner B.L. Minimum information requested in the annotation of biochemical models (MIRIAM). Nat. Biotechnol. 2005;23(12):1509-1515.

33. Livingston K.M., Bada M., Baumgartner W.A. Jr, Hunter L.E. KaBOB: ontology-based semantic integration of biomedical databases. BMC Bioinformatics. 2015;16:126. DOI 10.1186/s12859-015-0559-3

34. Lloyd C.M., Halstead M.D.B., Nielsen P.F. CellML: its future, present and past. Progr. Biophys. Mol. Biol. 2004;85(2/3):433-450.

35. Martin D., Brun C., Remy E., Mouren P., Thieffry D., Jacq B. GOToolBox: functional analysis of gene datasets based on Gene Ontology. Genome Biol. 2004;5(12):R101.

36. Mi H., Lazareva-Ulitsky B., Loo R., Kejariwal A., Vandergriff J., Rabkin S., Guo N., Muruganujan A., Doremieux O., Campbell M.J., Kitano H., Thomas P.D. The PANTHER database of protein families, subfamilies, functions and pathways. Nucl. Acids Res. 2005;1:33 (Database issue):D284-8.

37. Noy N.F., Shah N.H., Whetzel P.L., Dai B., Dorf M., Griffith N., Jonquet C., Rubin D.L., Storey M.A., Chute C.G., Musen M.A. BioPortal: ontologies and integrated data resources at the click of a mouse. Nucl. Acids Res. 2009;37:W170-W173. DOI 10.1093/nar/gkp440

38. Orchard S., Salwinski L., Kerrien S., Montecchi-Palazzi L., Oesterheld M., Stmpflen V., Ceol A., Chatr-aryamontri A., Armstrong J., Woollard P., Salama J.J., Moore S., Wojcik J., Bader G.D., Vidal M., Cusick M.E., Gerstein M., Gavin A.C., Superti-Furga G., Greenblatt J., Bader J., Uetz P., Tyers M., Legrain P., Fields S., Mulder N., Gilson M., Niepmann M., Burgoon L., De Las Rivas J., Prieto C., Perreau V.M., Hogue C., Mewes H.W., Apweiler R., Xenarios I., Eisenberg D., Cesareni G., Hermjakob H. The minimum information required for reporting a molecular interaction experiment (MIMIx). Nat. Biotechnol. 2007;25(8):894-898.

39. Rosse C., Mejino J.L.Jr. A reference ontology for biomedical informatics: the Foundational Model of Anatomy. J. Biomed. Inform. 2003;36(6): 478-500.

40. Rosse C., Mejino J.L.V. The Foundational Model of Anatomy Ontology. Anatomy Ontologies for Bioinformatics: Principles and Practice. Eds A. Burger, D. Davidson, R. Baldock. N.Y.: Springer, 2007.

41. Schober D., Smith B., Lewis S.E., Kusnierczyk W., Lomax J., Mungall C., Taylor C.F., Rocca-Serra P., Sansone S.A. Survey-based naming conventions for use in OBO foundry ontology development. BMC Bioinformatics. 2009;27;10:125. DOI 10.1186/1471-2105-10-125

42. Shah N.H., Jonquet C., Chiang A.P., Butte A.J., Chen R., Musen M.A. Ontology-driven indexing of public datasets for translational bioinformatics. BMC Bioinformatics. 2009;10(Suppl. 2):S1. DOI 10.1186/1471-2105-10-S2-S1

43. Smith B., Williams J., Schulze-Kremer S. The Ontology of the Gene Ontology. AMIA Annual Symp. Proceedings, 2003.

44. Smith B., Ashburner M., Rosse C., Bard J., Bug W., Ceusters W., Goldberg L.J., Eilbeck K., Ireland A., Mungall C.J., OBI Consortium, Leontis N., Rocca-Serra P., Ruttenberg A., Sansone S.A., Scheuermann R.H., Shah N., Whetzel P.L., Lewis S. The OBO Foundry: coordinated evolution of ontologies to support biomedical data integration. Nat. Biotech. 2007;25(11):1251-1255.

45. Srinivas K. OWL Reasoning in the Real World: Searching for Godot. Proc. of the 22nd Intern. Workshop on Description Logics (DL 2009), Oxford, UK, July 27–30, 2009.

46. Stevens R., Aranguren M.E., Wolstencroft K., Sattler U., Drummond N., Horridge M., Rector A. Using OWL to model biological knowledge. Int. J. Human-Computer Studies cfm?id=1247774. 2007;65(7):583-594.

47. Stevens R., Baker P., Bechhofer S., Ng G., Jacoby A., Paton N.W., Goble C.A., Brass A. TAMBIS: transparent access to multiple bioinformatics information sources. Bioinformatics. 2000;16(2):184-185.

48. Taylor C.F., Paton N.W., Lilley K.S., Binz P.A., Julian R.K.Jr., Jones A.R., Zhu W., Apweiler R., Aebersold R., Deutsch E.W., Dunn M.J., Heck A.J., Leitner A., Macht M., Mann M., Martens L., Neubert T.A., Patterson S.D., Ping P., Seymour S.L., Souda P., Tsugita A., Vandekerckhove J., Vondriska T.M., Whitelegge J.P., Wilkins M.R., Xenarios I., Yates J.R. 3rd, Hermjakob H. The minimum information about a proteomics experiment (MIAPE). Nat. Biotechnol. 2007;25(8):887-893.

49. Thomas P.D., Campbell M.J., Kejariwal A., Mi H., Karlak B., Daverman R., Diemer K., Muruganujan A., Narechania A. PANTHER: a library of protein families and subfamilies indexed by function.

50. Genome Res. 2003;13(9):2129-2141. PubMed PMID:12952881; PubMed Central PMCID: PMC403709.

51. Waltemath D., Adams R., Bergmann F.T., Hucka M., Kolpakov F., Miller A.K., Moraru I.I., Nickerson D., Snoep J.L., Le Novère, N. Reproducible computational biology experiments with SED-ML – the simulation experiment description markup language. BMC Systems Biol. 2011;5:198.

52. Whetzel P.L., Parkinson H., Causton H.C., Fan L., Fostel J., Fragoso G., Game L., Heiskanen M., Morrison N., Rocca-Serra P., Sansone S.A., Taylor C., White J., Stoeckert C.J.Jr. The MGED Ontology: a resource for semantics-based description of microarray experiments. Bioinformatics. 2006;22(7):866-73.

53. Winston M.E., Chaffin R., Herrman D. A taxonomy of part-whole relations. Cognitive Sci. 1987;11:417-444.