Computational modeling of cell-cell interactions and prediction of future gene expression inside cancerous tissues

הרקע לפרויקט:

מפות גנומיות מספקות תמונת מצב מפורטת של התאים ברקמות. במעבדה אנחנו משתמשים בטכנולוגיה חדשה שמאפשרת מדידה מרחבית של מפות גנומיות, וכך אפשר למדוד אינטראקציות בין תאים. כימות האינטראקציות בין תאים יכול לאפשר מידול של מחלות מורכבות כגון סרטן. עם זאת, תמונת המצב הנמדדת היא רגעית בלבד, ולכן אין מידע לגבי הדינמיות בתאים.
באמצעות מודל חישובי חדש בשם RNA velocity המתבסס על משוואות קצב ניתן לתאר את הדינמיות והכיווניות העתידית בביטוי הגנים בתאים. מודל נוסף המבוסס על Matrix Factorization יחשוף אילו גנים משתנים ביחד ומושפעים מהקרבה בין סוגי התאים השונים.
האם ניבוי המצב העתידי של התאים ברקמה סרטנית יחשוף אינטראקציות בין תאי סרטן לתאי מערכת חיסון? אילו קומבינציות של גנים מתארות את אותן אינטראקציות בין סוגי התאים השונים?
הפרויקט מנסה לענות על שאלות אלה תוך יישום האלגוריתמים והתאמתם למפה הגנומית המרחבית של הרקמה הסרטנית.

מטרת הפרויקט:

בפרוייקט נכתוב קוד שיממש RNA velocity model על מטריצות ביטוי גנים שהתקבלו משיטת single cell RNA sequencing. מאחר והמודל החדשני מאפשר ניבוי של ה-mRNA העתידי בתא, נחלץ מידע רחב היקף זה על התהליכים הדינמיים ברקמה הסרטנית. כמו כן, בשילוב עם המידע המרחבי של התאים ברקמה, ננסה לבדוק האם תאי מערכת החיסון מציגים דפוס ייחודי בביטוי הגנים העתידי שלהם כפונקציה של המרחק שלהם מתאי הסרטן. בנוסף, נשתמש בשיטה החישובית cNMF לזיהוי קומבינציות של גנים שמשתנים יחד ומתארים אינטראקציות בין תאי מערכת החיסון לבין תאי הסרטן.

תכולת הפרויקט:

1. ניתוח מקדים של הנתונים: הכנה מותאמת של מטריצות ביטוי גנים כקלט לאלגוריתם.
2. הכרה עמוקה של האלגוריתם לשלביו השונים, כתיבת קוד בפייתון שכולל מימוש של המודל.
3. ניתוח הנתונים וזיהוי דפוסים בדאטא הויזואלי שהתקבל מהמודל.
4. בחינת הקשר בין הדפוסים שהתקבלו במודל בקרב תאי מערכת החיסון לבין המידע על המרחק הפיזי שלהם מתאי הסרטן.
5. סיכום התוצאות.

קורסי קדם:

מבוא להסתברות וסטטיסטיקה

דרישות נוספות:

תכנות בפייתון.
רקע בביולוגיה הוא יתרון.
יתרון למי שלקח את הקורס בנוירו-גנומיקה.

מקורות:

1. Xia, C., Fan, J., Emanuel, G., Hao, J., & Zhuang, X. (2019). Spatial transcriptome profiling by MERFISH reveals subcellular RNA compartmentalization and cell cycle-dependent gene expression. Proceedings of the National Academy of Sciences, 116(39), 19490-19499.‏
2. La Manno, G., Soldatov, R., Zeisel, A., Braun, E., Hochgerner, H., Petukhov, V., ... & Kharchenko, P. V. (2018). RNA velocity of single cells. Nature, 560(7719), 494-498.‏
3. https://www.alonlab.org/technology