Given the large size and complexity of most biochemical regulation and signaling networks, there is a non-trivial relationship between the micro-level logic of component interactions and the observed macro-dynamics. Here we address this issue by formalizing the existing concept of pathway modules, which are sequences of state updates that are guaranteed to occur (barring outside interference) in the dynamics of automata networks after the perturbation of a subset of driver nodes. We present a novel algorithm to automatically extract pathway modules from networks and we characterize the interactions that may take place between modules. This methodology uses only the causal logic of individual node variables (micro-dynamics) without the need to compute the dynamical landscape of the networks (macro-dynamics). Specifically, we identify complex modules, which maximize pathway length and require synergy between their components. This allows us to propose a new take on dynamical modularity that partitions complex networks into causal pathways of variables that are guaranteed to transition to specific states given a perturbation to a set of driver nodes. Thus, the same node variable can take part in distinct modules depending on the state it takes. Our measure of dynamical modularity of a network is then inversely proportional to the overlap among complex modules and maximal when complex modules are completely decouplable from one another in the network dynamics. We estimate dynamical modularity for several genetic regulatory networks, including the Drosophila melanogaster segment-polarity network. We discuss how identifying complex modules and the dynamical modularity portrait of networks explains the macro-dynamics of biological networks, such as uncovering the (more or less) decouplable building blocks of emergent computation (or collective behavior) in biochemical regulation and signaling.


翻译:鉴于大多数生化调控和信号网络的规模和复杂性,组分相互作用的微观逻辑和观察到的宏观动力学之间存在一种非平凡的关系。在本文中,我们通过正式化现有的通路模块概念来解决这个问题,该概念是指在驱动节点的子集干扰后,自动机网络动力学中保证发生的状态更新序列。我们提出了一种新的算法,用于自动从网络中提取通路模块,并表征可能发生在模块之间的相互作用。该方法仅使用单个节点变量(微观动力学)的因果逻辑,而无需计算网络的动态景观(宏观动力学)。具体而言,我们识别了复杂模块,这些模块可以最大程度地延长通路长度,并要求其组件之间的协同作用。这使我们能够提出一种新的动态模块性观点,将复杂网络分为因果通路,这些通路中变量在给定一组驱动节点的干扰后可以转换为特定状态。因此,相同的节点变量可以根据其所采取的状态参与不同的模块。我们对几个基因调控网络进行了动态模块性估计,包括果蝇分段极性网络。我们讨论了如何识别复杂模块以及网络的动态模块性图描绘了生物网络的宏观动力学,例如揭示生化调控和信号处理中新兴计算(或集体行为)的(更多或更少)解耦的构建模块。

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