Please wait a minute...
Quantitative Biology

ISSN 2095-4689

ISSN 2095-4697(Online)

CN 10-1028/TM

Postal Subscription Code 80-971

Quant. Biol.    2017, Vol. 5 Issue (2) : 191-198    https://doi.org/10.1007/s40484-017-0104-7
PERSPECTIVE
Global quantitative biology can illuminate ontological connections between diseases
Guanyu Wang()
Department of Biology, Southern University of Science and Technology, Shenzhen 518055, China
 Download: PDF(642 KB)   HTML
 Export: BibTeX | EndNote | Reference Manager | ProCite | RefWorks
Abstract

Owing to its interdisciplinary nature, quantitative biology is playing ever-increasing roles in biological researches. To make quantitative biology even more powerful, it is important to develop a holistic perspective by integrating information from multiple biological levels and by considering related biocomplexity simultaneously. Using complex diseases as an example, I show in this paper how their ontological connections can be revealed by considering the diseases on a common ground. The obtained insights may be useful to the prediction and treatment of the diseases. Although the example involves only with cancer and diabetes, the approaches are applicable to the study of other diseases, or even to other biological problems.

Author Summary  Deep connections may exist between seemingly disparate things. Using complex diseases as an example, the author shows that the connections between diseases can be revealed by using powerful approaches of mathematics and quantitative biology. The obtained insights may be useful to the prediction and treatment of the diseases. It is promising to apply the approaches to study other biological problems.
Keywords quantitative biology      disease modeling      systems biology      nonlinear dynamics     
Corresponding Author(s): Guanyu Wang   
Online First Date: 24 April 2017    Issue Date: 07 June 2017
 Cite this article:   
Guanyu Wang. Global quantitative biology can illuminate ontological connections between diseases[J]. Quant. Biol., 2017, 5(2): 191-198.
 URL:  
https://academic.hep.com.cn/qb/EN/10.1007/s40484-017-0104-7
https://academic.hep.com.cn/qb/EN/Y2017/V5/I2/191
Fig.1  Evolution of diseases.
Fig.2  The four types of nonpersistent points (the middle column) and their perturbations (the left and right columns).
Fig.3  A phase diagram of physiologic and pathologic phenotypes arising from the PI3K/Akt/mTOR pathway.
1 Guan, L., Yang,  Q., Gu, M. ,  Chen, L.  and  Zhang, X.  (2014) Exon expression qtl (eeqtl) analysis highlights distant genomic variations associated with splicing regulation. Quant. Biol., 2, 71–79
https://doi.org/10.1007/s40484-014-0031-9
2 Chen, L., Liu,  R., Liu, Z.-P. ,  Li, M. and Aihara, K. (2012) Detecting early-warning signals for sudden deterioration of complex diseases by dynamical network biomarkers. Sci. Rep., 2, 342
https://doi.org/10.1038/srep00342 pmid: 22461973
3 Servedio, M. R. ,  Brandvain, Y. ,  Dhole, S. ,  Fitzpatrick, C. L. ,  Goldberg, E. E. ,  Stern, C. A. ,  Van Cleve, J.  &  Yeh, D. J.  (2014) Not just a theory—the utility of mathematical models in evolutionary biology. PLoS. Biol.,  12, e1002017 
https://doi.org/10.1371/journal.pbio.1002017
4 Nagel, E. and Hawkins,  D. (1961) The structure of science. Am. J. Phys., 29, 716
https://doi.org/10.1119/1.1937571
5 Bruggeman, F. J. ,  Westerhoff, H. V.  and  Boogerd, F. C.  (2002) Biocomplexity: a pluralist research strategy is necessary for a mechanistic explanation of the “live” state. Philos. Psychol., 15, 411–440
https://doi.org/10.1080/0951508021000041996
6 Bergman, M. (2013) Pathophysiology of prediabetes and treatment implications for the prevention of type 2 diabetes mellitus. Endocrine, 43, 504–513
https://doi.org/10.1007/s12020-012-9830-9 pmid: 23132321
7 Smyth, S. and Heron,  A. (2006) Diabetes and obesity: the twin epidemics. Nat. Med., 12, 75–80
https://doi.org/10.1038/nm0106-75 pmid: 16397575
8 Mukherjee, S. (2010) The Emperor of All Maladies: a Biography of Cancer. New York: Scribner
9 Giovannucci, E., Harlan,  D. M., Archer, M. C. ,  Bergenstal, R. M. ,  Gapstur, S. M. ,  Habel, L. A. ,  Pollak, M. ,  Regensteiner, J. G.  and  Yee, D.  (2010) Diabetes and cancer: a consensus report. CA Cancer J. Clin., 60, 207–221
https://doi.org/10.3322/caac.20078 pmid: 20554718
10 Pischon, T., Nöthlings,  U. and Boeing, H.  (2008) Obesity and cancer. Proc. Nutr. Soc., 67, 128–145
https://doi.org/10.1017/S0029665108006976 pmid: 18412987
11 Hsu, I. R., Kim,  S. P., Kabir, M.  and  Bergman, R. N.  (2007) Metabolic syndrome, hyperinsulinemia, and cancer. Am. J. Clin. Nutr., 86, s867–s871
pmid: 18265480
12 Larsson, S. C. ,  Mantzoros, C. S.  and  Wolk, A.  (2007) Diabetes mellitus and risk of breast cancer: a meta-analysis. Int. J. Cancer, 121, 856– 862
https://doi.org/10.1002/ijc.22717 pmid: 17397032
13 Engelman, J. A. ,  Luo, J.  and  Cantley, L. C.  (2006) The evolution of phosphatidylinositol 3-kinases as regulators of growth and metabolism. Nat. Rev. Genet., 7, 606–619
https://doi.org/10.1038/nrg1879 pmid: 16847462
14 Liao, Y. and Hung,  M.-C. (2010) Physiological regulation of Akt activity and stability. Am. J. Transl. Res., 2, 19–42
pmid: 20182580
15 Li, T. &Wang,  G. (2014) Computer-aided targeting of the PI3K/Akt/mTOR pathway: toxicity reduction and therapeutic opportunities. Int. J. Mol. Sci., 15, 18856–18891
https://doi.org/10.3390/ijms151018856
16 Zoncu, R., Efeyan,  A. and Sabatini, D. M.  (2011) mTOR: from growth signal integration to cancer, diabetes and ageing. Nat. Rev. Mol. Cell Biol., 12, 21–35
https://doi.org/10.1038/nrm3025 pmid: 21157483
17 Wang, G. (2010) Singularity analysis of the AKT signaling pathway reveals connections between cancer and metabolic diseases. Phys. Biol.  7, 046015
18 Arnold, V. (1986) Catastrophe Theory.Berlin: Springer-Verlag
19 Golubitsky, M. and Schaeffer, D. G.  (1985) Singularities and Groups in Bifurcation Theory. New York: Springer-Verlag
20 Liu, R., Aihara,  K. and Chen, L.  (2013) Dynamical network biomarkers for identifying critical transitions and their driving networks of biologic processes. Quant. Biol., 1, 105–114
https://doi.org/10.1007/s40484-013-0008-0
21 Liu, R., Chen,  P., Aihara, K.  &  Chen, L.  (2015) Identifying early-warning signals of critical transitions with strong noise by dynamical network markers. Sci. Rep.,  5, 17501 
https://doi.org/10.1038/srep17501
22 Hong, S. Y., Yu,  F.-X., Luo, Y.  and  Hagen, T.  (2016) Oncogenic activation of the PI3K/Akt pathway promotes cellular glucose uptake by downregulating the expression of thioredoxin-interacting protein. Cell. Signal., 28, 377–383
https://doi.org/10.1016/j.cellsig.2016.01.011 pmid: 26826652
23 Zhu, X., Song,  Y., Wu, C. ,  Pan, C. ,  Lu, P., Wang,  M., Zheng, P. ,  Huo, R. ,  Zhang, C. ,  Li, W.et al. (2016) Cyr61 participates in the pathogenesis of acute lymphoblastic leukemia by enhancing cellular survival via the Akt/NFB signaling pathway. Sci. Rep.,  6, 34018 
https://doi.org/10.1038/srep34018
24 Wang, H., Fan,  L., Wei, J. ,  Weng, Y. ,  Zhou, L. ,  Shi, Y. ,  Zhou, W. ,  Ma, D. &  Wang, C.  (2012) Akt mediates metastasis-associated gene 1 (MTA1) regulating the expression of E-cadherin and promoting the invasiveness of prostate cancer cells. PloS One  7, e46888 
https://doi.org/10.1371/journal.pone.0046888
25 Tyson, J. J., Albert,  R., Goldbeter, A. ,  Ruoff, P.  and  Sible, J.  (2008) Biological switches and clocks. J. R. Soc. Interface, 5, S1–S8
https://doi.org/10.1098/rsif.2008.0179.focus pmid: 18522926
26 Xiong, W. and Ferrell,  J. E. Jr. (2003) A positive-feedback-based bistable “memory module” that governs a cell fate decision. Nature, 426, 460–465
https://doi.org/10.1038/nature02089 pmid: 14647386
27 Tsai, T. Y.-C. ,  Choi, Y. S. ,  Ma, W., Pomerening,  J. R., Tang, C.  and  Ferrell, J. E.  Jr. (2008) Robust, tunable biological oscillations from interlinked positive and negative feedback loops. Science, 321, 126–129
https://doi.org/10.1126/science.1156951 pmid: 18599789
28 Wang, G. (2012) Optimal homeostasis necessitates bistable control. J. R. Soc. Interface, 9, 2723–2734
https://doi.org/10.1098/rsif.2012.0244 pmid: 22535698
29 Tzu, L. (1972) Tao De Ching, translated by Feng, G. and English, J.New York: Vintage (Original work published CA. 350–250 BC)
30 Meng, H. and Wang,  Y. (2015) Cis-acting regulatory elements: from random screening to quantitative design. Quant. Biol., 3, 107–114
https://doi.org/10.1007/s40484-015-0050-1
31 Zhou, T. and Liu,  T. (2015) Quantitative analysis of gene expression systems. Quant. Biol., 3, 168–181
https://doi.org/10.1007/s40484-015-0056-8
32 Cui, H., Li,  Y. and Zhang, X.  (2016) An overview of major metagenomic studies on human microbiomes in health and disease. Quant. Biol., 4, 192–206
https://doi.org/10.1007/s40484-016-0078-x
33 Li, R., Chen,  T. and Li, S.  (2015) Network-based method to infer the contributions of proteins to the etiology of drug side effects. Quant. Biol., 3, 124–134
https://doi.org/10.1007/s40484-015-0051-0
34 Li, S. (2016) Exploring traditional chinese medicine by a novel therapeutic concept of network target. Chin. J. Integr. Med., 22, 647–652
https://doi.org/10.1007/s11655-016-2499-9 pmid: 27145941
35 Tengholm, A., Teruel,  M. N. and Meyer, T.  (2003) Single cell imaging of PI3K activity and glucose transporter insertion into the plasma membrane by dual color evanescent wave microscopy. Sci. STKE, 2003, pl4. 
https://doi.org/10.1126/stke.2003.http://stke.sciencemag.org/content/2003/169/pl4169.pl4 pmid: 12582202
36 Sato, M. (2006) Imaging molecular events in single living cells. Anal. Bioanal. Chem., 386, 435–443
https://doi.org/10.1007/s00216-006-0716-7 pmid: 16941159
[1] Lei Wei, Ye Yuan, Tao Hu, Shuailin Li, Tianrun Cheng, Jinzhi Lei, Zhen Xie, Michael Q. Zhang, Xiaowo Wang. Regulation by competition: a hidden layer of gene regulatory network[J]. Quant. Biol., 2019, 7(2): 110-121.
[2] Guanghui Li, Jiawei Luo, Zheng Xiao, Cheng Liang. MTMO: an efficient network-centric algorithm for subtree counting and enumeration[J]. Quant. Biol., 2018, 6(2): 142-154.
[3] Marc Turcotte. Delineating the respective impacts of stochastic curl- and grad-forces in a family of idealized core genetic commitment circuits[J]. Quant. Biol., 2016, 4(2): 69-83.
[4] Amal Katrib, William Hsu, Alex Bui, Yi Xing. “RADIOTRANSCRIPTOMICS”: A synergy of imaging and transcriptomics in clinical assessment[J]. Quant. Biol., 2016, 4(1): 1-12.
[5] Hongguang Xi, Marc Turcotte. Parameter asymmetry and time-scale separation in core genetic commitment circuits[J]. Quant. Biol., 2015, 3(1): 19-45.
[6] Derek Eidum,Kanishk Asthana,Samir Unni,Michael Deng,Lingchong You. Construction, visualization, and analysis of biological network models in Dynetica[J]. Quant. Biol., 2014, 2(4): 142-150.
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed