识别官能团的基因生物应用程序是一个具有挑战性的问题。文本挖掘的方法可用于构建分层集群或树木从生物学文献中的信息。特别是,非负矩阵分解(NMF)检查标签层次树的一种方法。通用标签算法以及评估技术,提出了和不同的NMF的影响参数对收敛性和贴标精度进行了讨论。本研究的主要目标是提供一个定性评估的NMF及其各种参数和初始化,提供了一个自动化的方法来分类生物医学数据,并提供一个方法来评估标记数据假设静态输入树。作为一个副产品,生成的方法<我t一个l我c> 黄金标准我t一个l我c>提出了树。
高通量技术在基因组学、蛋白质组学和相关生物领域产生大量数据,使研究人员能够从全球的角度研究生物系统。然而,不幸的是,信息的绝对质量是压倒性的,比如从DNA微阵列基因表达谱数据分析很难完全理解甚至对领域专家。此外,执行这些实验在实验室里可以是昂贵的时间和金钱。
近年来,生物文学库已成为另一个数据源来检查表型。许多网络文学的来源是手动策划,分配给文章的注释是主观地分配在一个不完美的和容易出错的方式。所需的时间给阅读和一篇文章进行分类,自动的方法可能有助于增加注释率以及改善现有的注释。
最近开发的工具,可以帮助改善基因的注释以及识别官能团是语义基因组织者(SGO)。SGO是基于潜在语义索引(LSI)软件环境,使研究人员视图组基因在全球背景下的分层树或系统树图
另一方面,分解产生的最近流行的非负矩阵分解(NMF)很容易解释。Paatero和攻丝机
NMF的可解释性,然而,是要付出代价的。即不能保证收敛性和稳定性,提出了许多变体(
概述( 给定一个<我nl在e-formula>
潜在语义索引(LSI),基于奇异值分解,可以用来创建一个全球性的<我t一个l我c>
图片我t一个l我c>自动的数据。在这个特殊的背景下,分层树可以由两两距离产生的低秩LSI空间。基于距离的算法如FastME可以创建层次结构,精确地近似距离矩阵<我nl在e-formula>
给定一个层次结构,存在一些行之有效的自动标注方法。将标签应用到层次结构,我们可以将加权的术语列表与每一个分类单元。一旦这些名单已经确定,标记层次结构是简单的递归地继承方面的树从每个子节点;添加权重共同的术语将确保更多的常用术语更可能有一个更大的体重在更高的水平在树上。直观地说,这些术语往往是更一般的描述符。
这个算法是强大的,它可以稍微修改,应用于任何树,排名可以适用于每一个分类单元。例如,通过查询SVD-generated为每个文档向量空间,可以创建方面的排名列表为每个文档树相应的标记。因此,假设初始排名过程是准确的,任何本体论注释可以提高从它所代表的文本。
从NMF创建一个排名列表项,占主导地位的系数<我nl在e-formula>
一旦产生了对于一个给定的分层树的标号,衡量“善良”必须计算,以确定哪些标签就是“最好的。“在处理简单返回列表的文档可以分为相关或不相关的用户的需求,信息检索(IR)方法通常默认使用精度和召回来描述一个给定的检索系统的性能。精度的比率相关物品返回的返回条目的总数,而召回相关的比例是返回项目相关项目的总数。一群单词选择标签是一个实体,单词进行毫无意义的顺序,所以精度在这个应用程序用处有限。当比较生成一个“正确”的标签,召回是一个直观的衡量。
不幸的是在这种背景下,一个标记层次结构必须相对于另一个。令人惊讶的是,相对较少的工作已经完成,解决这个问题。Kiritchenko ( 当使用基因文档,很多情况下存在的术语用于网格内没有找到文档本身的基因。即使健康的比例的精确网方面可能存在语料库,文档矩阵是严重超定的(即。,number of terms is significantly larger than the number of documents) that expecting significant recall values at any level within the tree becomes unreasonable. This is not to imply that the terms produced by NMF are without value. On the contrary, the value in those terms is exactly that they may reveal what was previously unknown. For the purposes of validation, however, some method must be developed that enables a user to discriminate between labelings even though both have little or no recall with the MeSH-labeled hierarchy. In effect, the vocabulary used to label the tree must be controlled for the purposes of validation and evaluation. 产生一个标签映射到网格的词汇,顶部<我nl在e-formula>
选择<我nl在e-formula>
确定<我nl在e-formula>
解析网标题<我nl在e-formula>
添加每个令牌<我nl在e-formula>
一旦全网状特征向量构造,这棵树可以通过中概述的过程[标记 标签树的另一种方法是改变参数<我nl在e-formula>
分解由NMF的评估是重要的,因为没有设置检查基向量的质量标准生产。在几项研究迄今为止,NMF的结果由领域专家评估。例如,Chagoyen et al。 为了测试NMF,<我t一个l我c>
50 tg我t一个l我c>收集了( 两个不同的NMF初始化策略被使用:NNDSVD [ 每个NMF的迭代,直到它达到1000次迭代或运行两个驻点<我nl在e-formula>
圣言会产生任何矩阵的低秩近似的数学最优弗罗贝尼乌斯规范,和所有其他unitarily-invariant矩阵准则。而NMF永远比圣言会产生一个更精确的近似,其靠近<我nl在e-formula>
直观地,<我nl在e-formula>
错误计算办法,最佳NMF运行和平均NMF竞选<我t一个l我c>
50 tg我t一个l我c>收集。
接下来,几种不同的初始化方法(部分中讨论 NNDSVDe执行NNDSVDa相当,相对误差,通常在百分之一的一小部分。对于较小的值<我nl在e-formula>
收敛图比较NNDSVDa NNDSVDe、NNDSVDme NNDSVDz和最佳随机NMF的运行<我t一个l我c>
50 tg我t一个l我c>集合(<我nl在e-formula>
实际的运行时间,提高性能的NNDSVD不是没有代价的。SGO的上下文中,所花费的时间计算的初始计算<我nl在e-formula>
收敛图比较NNDSVDa NNDSVDe、NNDSVDme NNDSVDz和最佳随机NMF的运行<我t一个l我c>
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测量召回是一个定量的方法来验证“已知”信息在一个层次结构。在这里,一个方法是测量召回在分层树的不同分支点(部分中描述 在应用中描述标签算法部分 关于标号的准确性,几个趋势存在。作为<我nl在e-formula>
因为NNDSVDa初始化提供了最好的收敛特性,它将作为一个新的基线,来比较。如果<我nl在e-formula>
3月的函数<我nl在e-formula>
11个节点的水平50 tg的分层树( 分层树50测试基因(50 tg)集合中描述( 回忆的函数节点级别的NNDSVD初始化<我t一个l我c>
50 tg我t一个l我c>收集。取得了3月的基线情况下是58.95%,而最好的实现MAR NNDSVD初始化是74.56%。
对不同的值<我nl在e-formula>
尽管相对误差和召回措施,可以自动评估一个标签,最终最后的评估仍然需要一些人工观察和解释。例如,假设给定的树图 树的基因组成每个叶节点图所示 十大网格条件树的叶节点图所示 十大条件树的叶节点图所示 分层树包含一组基因与阿尔茨海默氏症(叶子节点A和B),大脑发育(叶子节点C和D),或者两者都是阿尔茨海默氏症,大脑发育(叶子节点E)。
正如预期的那样,许多网格的术语太一般,也与许多5基因集群,例如,细胞遗传学、蛋白质化学、和。然而,一些网方面确实是有用的在描述基因簇的功能。例如,集群网标签提示LDL和α巨球蛋白受体蛋白质家族;集群B网标签与阿尔茨海默氏症和β淀粉样蛋白代谢相关联;集群C标签与细胞外基质和细胞粘附;集群D标签与胚胎学和inhibotrs;和集群E标签与τ蛋白和淋巴细胞。
与网格标记相比,NMF更具体的文本标签和功能描述。一般来说,前几项(排名最高计算)在每个集群定义基因名称或别名。有趣的是,每个集群还包含功能重要的条款。例如,说唱(集群)是a2m而lrp1恰巧受体的配体。此外,4基因集群C是已知分子信号通路的一部分涉及Cajal-retzius控制神经细胞在大脑中定位在开发过程中。最后,生理效应Notch1集群(D)与激活细胞内转录因子Hes1 Hes5。
重要的是,文本标签的具体性质,NMF允许识别未知功能基因和基因之间的连接。例如,PS1这个词出现在两个集群,集群d。这一发现是非常有趣的,PS1编码一个蛋白质的蛋白酶复合体的一部分被称为γ分泌酶。除了裂开老年蛋白质应用,γ分泌酶已被证明分裂发育重要的缺口蛋白质。因此,这些结果表明,NMF标签提供了一个有用的工具来发现新的功能基因在集群之间的关联以及跨多个基因簇。
一个
B
C
D
E
a2m
apoe
dab1
atoh1
cdk5
apba1
应用程序
lrp8
dll1
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psen1
reln
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psen2
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notch1
菲英岛
aplp2
- - - - - -
- - - - - -
- - - - - -
mapt
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- - - - - -
- - - - - -
- - - - - -
- - - - - -
shc1
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- - - - - -
- - - - - -
- - - - - -
一个
B
C
D
E
新陈代谢
蛋白质
遗传学
遗传学
新陈代谢
遗传学
淀粉样蛋白
分子
蛋白质
蛋白质
蛋白质
β
神经元
新陈代谢
遗传学
蛋白质
遗传学
附着力
膜
τ
受体
新陈代谢
细胞
细胞
蛋白质
相关的
前体
新陈代谢
生理学
淋巴细胞
低密度脂蛋白
化学
蛋白质
细胞学
p56
巨球蛋白
载脂蛋白
细胞外
胚胎学
具体的
α
疾病
矩阵
生物合成
lck
化学
阿尔茨海默
生物合成
抑制剂
酪氨酸
一个
B
C
D
E
含碘
Apoe
reelin
切口
菲英岛
受体相关
ps1
卷取机
notch1
τ
脂蛋白
淀粉样蛋白
dab1
jagged1
cdk5
fe65
β淀粉状蛋白质
vldlr
notch 1
lck
应用程序
Presenilin
apoer2
hes5
sh3
α
ε
定位
边缘
门冬氨酸
说唱
载脂蛋白
Cajal-retzius
hes-1
乙醇
β淀粉状蛋白质
阿尔茨海默
apoe
hes1
磷酸化
β-淀粉样蛋白
广告
载脂蛋白
hash1
酒精
受体
γ分泌酶
脂蛋白
ps1
细胞受体
虽然比较NMF运行时,可以观察到几个趋势对数学性质和召回倾向。首先,正如所料,<我nl在e-formula>
同时测量误差准则和收敛是有用的暴露数学性质和结构NMF的倾向,这个应用程序的最终目标是提供一个有用的标签NMF的分层树。在许多情况下,“最好”的标签可能是由一种次优的NMF运行提供。总的来说,更准确的标号是由于更高的值<我nl在e-formula>
许多研究正在进行关于NMF,这项工作检查三种方法基于多重的更新(见部分
对标记方法,网格标题标签通常是有用的,但提供了一些具体细节的功能基因在集群之间的关系。另一方面,文本标签提供了具体和详细的信息关于基因的功能在一个集群。重要的是,项标签提供了一些特定组织的基因之间的联系并不显而易见。因此,术语标记为发现新的基因之间的关系提供了明显的优势,可以帮助高吞吐量数据的解释。
不管采用的技术,永远是普遍的一个问题关于生物数据的质量和数量。本质上与这个问题相关的领域内建立的标准尤其当他们属于分层数据。努力,如基因本体论(去)正在建立和完善
SGO的情况下,发展中方法来得出“已知”数据是一个主要问题(甚至不产生一个给定一组基因的“黄金标准”层次结构)。获得更多的数据和其他层次结构将有助于测试方法的鲁棒性,但这仍然是一个固有的问题。一般来说,更在数学上的近似最优并不总是产生“最好”的标签。通常,NMF提供的分解可以被视为“足够好”,最后评价仍将是主观的。最后,如果自动化的方法能够近似主体性,更好地了解更多的数据就会结果。
这项工作是支持的信息技术研究中心和科学大学计算科学联盟倡议田纳西州和由美国国立卫生研究院的资助。HD52472-01。作者要感谢匿名裁判对他们的意见和建议改进手稿。