Una percentuale sempre più ampia della popolazione sta invecchiando e si prevede che l'onere delle malattie legate all'età, come la neurodegenerazione, aumenterà notevolmente nei prossimi decenni1. Il morbo di Alzheimer è il tipo più comune di malattia neurodegenerativa2. I progressi nella ricerca di un trattamento sono stati lenti data la nostra scarsa comprensione dei meccanismi molecolari fondamentali che guidano l'insorgenza e il progresso della malattia. La maggior parte delle informazioni sulla malattia di Alzheimer viene ottenuta post-mortem dall'esame del tessuto cerebrale, il che ha reso difficile distinguere le cause e leconseguenze. Il Religious Orders Study/Memory and Aging Project (ROSMAP) è uno sforzo ambizioso per ottenere una comprensione più ampia della neurodegenerazione, che coinvolge lo studio di migliaia di individui che si sono impegnati a sottoporsi a esami medici e psicologici ogni anno e a contribuire con i loro cervelli alla ricerca dopo laloro morte. Lo studio si concentra sulla transizione dal normale funzionamento del cervello al morbo di Alzheimer2. Nell'ambito del progetto, i campioni cerebrali post-mortem sono stati analizzati con una pletora di approcci omici, tra cui genomica, epigenomica, trascrittomica, proteomica5 e metabolomica.
Le tecnologie omiche che offrono letture funzionali degli stati cellulari (i.e., proteomica e metabolomica)6,7 sono fondamentali per interpretare la malattia 8,9,10,11,12, a causa della relazione diretta tra l'abbondanza di proteine e metaboliti e le attività cellulari. Le proteine sono i principali esecutori dei processi cellulari, mentre i metaboliti sono i substrati e i prodotti per le reazioni biochimiche. L'analisi dei dati multi-omici offre la possibilità di comprendere le complesse relazioni tra i dati di proteomica e metabolomica invece di apprezzarli isolatamente. La multi-omica è una disciplina che studia più strati di dati biologici ad alta dimensionalità, inclusi i dati molecolari (sequenza e mutazioni del genoma, trascrittoma, proteoma, metaboloma), i dati di imaging clinico e le caratteristiche cliniche. In particolare, l'analisi dei dati multi-omici mira a integrare tali strati di dati biologici, comprendere la loro regolazione reciproca e le dinamiche di interazione e fornire una comprensione olistica dell'insorgenza e della progressione della malattia. Tuttavia, i metodi per integrare i dati multi-omici rimangono nelle prime fasi di sviluppo13.
Gli autoencoder, un tipo di rete neurale non supervisionata14, sono un potente strumento per l'integrazione dei dati multi-omici. A differenza delle reti neurali supervisionate, gli autoencoder non mappano i campioni a valori target specifici (come sano o malato), né vengono utilizzati per prevedere i risultati. Una delle loro applicazioni principali risiede nella riduzione della dimensionalità. Tuttavia, gli autoencoder offrono diversi vantaggi rispetto ai metodi di riduzione della dimensionalità più semplici, come l'analisi delle componenti principali (PCA), l'inclusione stocastica dei vicini t-distribuiti (tSNE) o l'approssimazione e la proiezione uniforme della varietà (UMAP). A differenza della PCA, gli autoencoder possono acquisire relazioni non lineari all'interno dei dati. A differenza di tSNE e UMAP, sono in grado di rilevare relazioni gerarchiche e multimodali all'interno dei dati poiché si basano su più livelli di unità computazionali, ciascuno contenente funzioni di attivazione non lineari. Pertanto, rappresentano modelli interessanti per catturare la complessità dei dati multi-omici. Infine, mentre l'applicazione principale di PCA, tSNE e UMAP è quella di raggruppare i dati, gli autoencoder comprimono i dati di input in funzionalità estratte che sono adatte per le attività predittive a valle15,16.
In breve, le reti neurali comprendono diversi livelli, ognuno contenente più unità computazionali o "neuroni". Il primo e l'ultimo livello sono indicati rispettivamente come livelli di input e di output. Gli autoencoder sono reti neurali con una struttura a clessidra, costituita da uno strato di input, seguito da uno a tre strati nascosti e da un piccolo strato "latente" che contiene tipicamente da due a sei neuroni. La prima metà di questa struttura è nota come encoder ed è combinata con un decoder che rispecchia l'encoder. Il decodificatore termina con un livello di output contenente lo stesso numero di neuroni del livello di input. Gli autoencoder prendono l'input attraverso il collo di bottiglia e lo ricostruiscono nel livello di output, con l'obiettivo di generare un output che rispecchi il più fedelmente possibile le informazioni originali. Ciò si ottiene riducendo matematicamente al minimo un parametro chiamato "perdita di ricostruzione". L'input consiste in una serie di caratteristiche, che nell'applicazione qui illustrata saranno l'abbondanza di proteine e metaboliti e le caratteristiche cliniche (ad esempio, sesso, istruzione ed età alla morte). Il livello latente contiene una rappresentazione compressa e ricca di informazioni dell'input, che può essere utilizzata per applicazioni successive come i modelli predittivi17,18.
Questo protocollo presenta un flusso di lavoro, DeepOmicsAE, che prevede: 1) la pre-elaborazione di dati proteomici, metabolomici e clinici (ad esempio, normalizzazione, ridimensionamento, rimozione dei valori anomali) per ottenere dati con una scala coerente per l'analisi dell'apprendimento automatico; 2) selezionare le caratteristiche di ingresso dell'autoencoder appropriate, poiché il sovraccarico di funzionalità può oscurare i modelli di malattia rilevanti; 3) l'ottimizzazione e l'addestramento dell'autoencoder, compresa la determinazione del numero ottimale di proteine e metaboliti da selezionare, e di neuroni per lo strato latente; 4) estrazione di elementi dallo strato latente; e 5) utilizzare le caratteristiche estratte per l'interpretazione biologica identificando i moduli di segnalazione molecolare e la loro relazione con le caratteristiche cliniche.
Questo protocollo mira ad essere semplice e applicabile da biologi con limitata esperienza computazionale che hanno una conoscenza di base della programmazione con Python. Il protocollo si concentra sull'analisi dei dati multi-omici, tra cui proteomica, metabolomica e caratteristiche cliniche, ma il suo utilizzo può essere esteso ad altri tipi di dati di espressione molecolare, inclusa la trascrittomica. Un'importante nuova applicazione introdotta da questo protocollo è la mappatura dei punteggi di importanza delle caratteristiche originali sui singoli neuroni nello strato latente. Di conseguenza, ogni neurone nello strato latente rappresenta un modulo di segnalazione, che descrive in dettaglio le interazioni tra specifiche alterazioni molecolari e le caratteristiche cliniche dei pazienti. L'interpretazione biologica dei moduli di segnalazione molecolare è ottenuta utilizzando MetaboAnalyst, uno strumento disponibile al pubblico che integra dati genetici/proteici e metaboliti per derivare vie metaboliche e di segnalazione cellularearricchite 17.