Revealing Adverse Outcome Pathways from Public High-Throughput Screening Data to Evaluate New Toxicants by a Knowledge-Based Deep Neural Network Approach

不良结局途径 结果(博弈论) 人工神经网络 计算生物学 吞吐量 计算机科学 生物 人工智能 数理经济学 数学 电信 无线
作者
Heather L. Ciallella,Daniel P. Russo,Lauren M. Aleksunes,Fabian A. Grimm,Hao Zhu
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:55 (15): 10875-10887 被引量:36
标识
DOI:10.1021/acs.est.1c02656
摘要

Traditional experimental testing to identify endocrine disruptors that enhance estrogenic signaling relies on expensive and labor-intensive experiments. We sought to design a knowledge-based deep neural network (k-DNN) approach to reveal and organize public high-throughput screening data for compounds with nuclear estrogen receptor α and β (ERα and ERβ) binding potentials. The target activity was rodent uterotrophic bioactivity driven by ERα/ERβ activations. After training, the resultant network successfully inferred critical relationships among ERα/ERβ target bioassays, shown as weights of 6521 edges between 1071 neurons. The resultant network uses an adverse outcome pathway (AOP) framework to mimic the signaling pathway initiated by ERα and identify compounds that mimic endogenous estrogens (i.e., estrogen mimetics). The k-DNN can predict estrogen mimetics by activating neurons representing several events in the ERα/ERβ signaling pathway. Therefore, this virtual pathway model, starting from a compound's chemistry initiating ERα activation and ending with rodent uterotrophic bioactivity, can efficiently and accurately prioritize new estrogen mimetics (AUC = 0.864–0.927). This k-DNN method is a potential universal computational toxicology strategy to utilize public high-throughput screening data to characterize hazards and prioritize potentially toxic compounds.
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