As reações químicas que resultam da expressão de genes são complexas e ainda não são total- mente compreendidas. Sabe-se que os genes enviam, recebem, e processam informações formando uma complexa rede de comunicação, mas a arquitetura e dinâmica destas redes não são totalmente conhecidas. Dessa forma, um problema importante é determinar como os genes se relacionam dentro da célula. Esse processo de determinar o relacionamento entre os genes é conhecido como inferência de redes gênicas. Uma das formas para representar o relacionamento entre os genes é usar modelos matemáticos e computacionais de Redes Gênicas. Em especial, um dos modelos de grande interesse é o de Redes Booleanas (BN - do inglês Boolean Networks), no qual os genes podem assumir dois estados, ativo ou inativo, se estão, respectivamente, expressos ou não. Estes estados podem variar ao longo do tempo, dependendo de como os genes se relacionam. Nosso interesse está em estudar um caso particular deste modelo, conhecido como Redes Booleanas Limiarizadas, onde apenas uma classe de funções booleanas é utilizada para construir as BNs. Para inferir as Redes Booleanas Limiarizadas, usamos um algoritmo constituído de dois passos. Primeiro, usamos o arcabouço do Problema de Satisfação de Restrições (CSP - do inglês Constraint Satisfaction Problem) para inferir conjuntos de soluções consistentes com uma dada série temporal de um conjunto de genes. Em seguida analisamos o comportamento dinâmico das soluções encon- tradas , filtrando conjuntos de soluções de maior interesse para testes práticos em laboratório. Usando o arcabouço do CSP, construímos um solver, usando a biblioteca Gecode,1 para inferência de redes consistentes, usando como entrada uma série temporal oriunda de dados de microarrays. Em seguida, através da simulação da dinâmica de uma amostra das redes encontradas no passo anterior, fomos capazes de determinar algumas restrições interessantes para filtrar o conjunto de redes. Aplicamos o nosso método para três conjuntos de dados: dois artificiais, e para validação, usamos uma série temporal de uma rede artificial conhecida na literatura. Com isso fomos capazes de inferir conjuntos de redes gênicas de possível interesse para testes em laboratório. / The chemical reactions that result in gene expression are complex and not yet fully understood. It is known that genes send, receive and process information to form a complex network of com- munication, but the architecture and dynamics of these networks are not fully known. Thus, one major problem is to determine how genes are linked within the cell. This process of determining the relationship between genes is known as inference of genetic networks. One way to represent the relationship between genes is to use mathematical and computer models of genetic networks. In particular, one of the models of great interest are Boolean Networks (BN), in which genes can take two states, active or inactive, if they are, respectively, expressed or not. These states may vary over time, depending on how genes are related. Our interest is in studying a case of this particular model, known as thresholded Boolean networks, where only one class of Boolean functions is used to build the GNs. To infer the thresholded Boolean networks, we use an algorithm that consists of two steps. First, we use the framework of Constraint Satisfaction Problem (CSP) to infer sets of solutions consistent with a time series of a given set of genes. Then analyze the dynamic behavior of the solutions, filtering sets of solutions with interest for practical tests in the laboratory. Using the framework of the CSP, we constructed a solver, using the library Gecode, 2 for in- ference of consistent networks, using as input a time series arising from microarrays data. Then, by simulating the dynamics of a sample of networks found in the previous step, we were able to determine some interesting constraints to filter the set of networks. We apply our method to three datasets: two artificial, and for validation, we use a time series of an artificial network known from literature. Thus we were able to infer genetic networks sets of possible interest for laboratory tests.

As reações químicas que resultam da expressão de genes são complexas e ainda não são total- mente compreendidas. Sabe-se que os genes enviam, recebem, e processam informações formando uma complexa rede de comunicação, mas a arquitetura e dinâmica destas redes não são totalmente conhecidas. Dessa forma, um problema importante é determinar como os genes se relacionam dentro da célula. Esse processo de determinar o relacionamento entre os genes é conhecido como inferência de redes gênicas. Uma das formas para representar o relacionamento entre os genes é usar modelos matemáticos e computacionais de Redes Gênicas. Em especial, um dos modelos de grande interesse é o de Redes Booleanas (BN - do inglês Boolean Networks), no qual os genes podem assumir dois estados, ativo ou inativo, se estão, respectivamente, expressos ou não. Estes estados podem variar ao longo do tempo, dependendo de como os genes se relacionam. Nosso interesse está em estudar um caso particular deste modelo, conhecido como Redes Booleanas Limiarizadas, onde apenas uma classe de funções booleanas é utilizada para construir as BNs. Para inferir as Redes Booleanas Limiarizadas, usamos um algoritmo constituído de dois passos. Primeiro, usamos o arcabouço do Problema de Satisfação de Restrições (CSP - do inglês Constraint Satisfaction Problem) para inferir conjuntos de soluções consistentes com uma dada série temporal de um conjunto de genes. Em seguida analisamos o comportamento dinâmico das soluções encon- tradas , filtrando conjuntos de soluções de maior interesse para testes práticos em laboratório. Usando o arcabouço do CSP, construímos um solver, usando a biblioteca Gecode,1 para inferência de redes consistentes, usando como entrada uma série temporal oriunda de dados de microarrays. Em seguida, através da simulação da dinâmica de uma amostra das redes encontradas no passo anterior, fomos capazes de determinar algumas restrições interessantes para filtrar o conjunto de redes. Aplicamos o nosso método para três conjuntos de dados: dois artificiais, e para validação, usamos uma série temporal de uma rede artificial conhecida na literatura. Com isso fomos capazes de inferir conjuntos de redes gênicas de possível interesse para testes em laboratório. / The chemical reactions that result in gene expression are complex and not yet fully understood. It is known that genes send, receive and process information to form a complex network of com- munication, but the architecture and dynamics of these networks are not fully known. Thus, one major problem is to determine how genes are linked within the cell. This process of determining the relationship between genes is known as inference of genetic networks. One way to represent the relationship between genes is to use mathematical and computer models of genetic networks. In particular, one of the models of great interest are Boolean Networks (BN), in which genes can take two states, active or inactive, if they are, respectively, expressed or not. These states may vary over time, depending on how genes are related. Our interest is in studying a case of this particular model, known as thresholded Boolean networks, where only one class of Boolean functions is used to build the GNs. To infer the thresholded Boolean networks, we use an algorithm that consists of two steps. First, we use the framework of Constraint Satisfaction Problem (CSP) to infer sets of solutions consistent with a time series of a given set of genes. Then analyze the dynamic behavior of the solutions, filtering sets of solutions with interest for practical tests in the laboratory. Using the framework of the CSP, we constructed a solver, using the library Gecode, 2 for in- ference of consistent networks, using as input a time series arising from microarrays data. Then, by simulating the dynamics of a sample of networks found in the previous step, we were able to determine some interesting constraints to filter the set of networks. We apply our method to three datasets: two artificial, and for validation, we use a time series of an artificial network known from literature. Thus we were able to infer genetic networks sets of possible interest for laboratory tests.

Orientador: Prof. Dr. David Corrêa Martins Júnior / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação, 2017.