基于异构网络和核化逻辑矩阵分解的病毒宿主关联预测

发布时间：2020-06-19 05:00

【摘要】：病毒与细菌是人体重要的微生物组成部分,它们与人类疾病的状态密切相关。病毒与宿主所构成的微生物网络社团具有复杂的作用机制,推测病毒与宿主的关联对人类疾病的发病机制和微生物群落的理解具有重要意义。随着人类宏基因组测序技术的进步,基于序列组成、宏基因组序列同源性和丰度谱等方法在病毒-宿主关系预测中得到了广泛的应用。本文在病毒与宿主构建的异构网络上分别通过邻域正则化逻辑矩阵分解模型和宿主的相似性矩阵融合方法预测病毒与宿主的关联。第一,基于异构网络和核化逻辑矩阵分解的病毒-宿主关联预测(LMFH-VH)。首先,基于寡核苷酸频率(ONF)度量和高斯相互作用谱(GIP)核相似性分别构建病毒相似网络和宿主相似网络。然后,本文通过已知的病毒-宿主关联连接病毒相似性网络和宿主相似性网络从而构建异构网络。最后,在异构网络上执行邻域正则化逻辑矩阵分解算法以预测潜在的病毒-宿主关联。本文在NCBI的病毒和细菌基因组的基准数据集中提取了三个子数据集,并用五折交叉验证证实了LMFH-VH的性能比最近四种基于网络模型的方法更优。另外,在包含820个病毒与2699个细菌的数据集中,与最新的两种病毒-宿主关联预测方法相比,LMFH-VH的宿主预测精度分别提高了24.17%和12.8%。第二,基于多信息矩阵融合的病毒-宿主关联预测。病毒相似性网络基于寡核苷酸频率(ONF)度量构建,并通过相似性网络融合(SNF)整合宿主的寡核苷酸频率相似性和高斯相互作用谱(GIP)核相似性从而构建宿主相似性网络。然后在病毒与宿主的异构网络上执行邻域正则化逻辑矩阵分解算法来预测潜在的病毒-宿主关联(MLMF-VH)。在包含352个病毒的数据集中,与其它四种基于网络的方法相比,MLMF-VH模型的AUC和AUPR值最高。在包含820个病毒的基准数据集上,MLMF-VH在物种水平的宿主预测精确度为63.66%,比最近提出的三种病毒-宿主关联预测的方法更好。此外,案例研究结果表明该模型预测的人类肠道中的噬菌体crAssphage的宿主与之前研究中推定的宿主基本一致,而且还预测出另一个新的潜在宿主Escherichia coli。目前Escherichiacoli已经被文献证明与人类肠道的某些疾病相关,该结果表明crAssphage可能在这些疾病中发挥着重要的作用。
【学位授予单位】：华中师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：Q939;TP301.6
【图文】：

细菌细胞,噬菌体,基因组,宿主

逦－ＨＩＶ逦－邋Ｃｏｘｓａｃｋｉｅ邋Ｂ邋ｖｉｒｕｓ逡逑图１．２病毒感染的主要类型和所涉及的最显著的物种概述［３０］逡逑目前己有研宄表明病毒如何感染细菌［１６］以及细菌如何抵御病毒的入侵［１７］。当病逡逑毒感染细菌时，病毒表面的受体结合蛋白（ｒｂｐｓ）能够识别细菌细胞上的受体并与逡逑之结合。如图１．３所示，病毒附着在细菌宿主的表面，并将其基因组注入到宿主细逡逑菌体内。根据宿主细菌的繁殖特点，将病毒分为温和性病毒和裂解性病毒。温和性逡逑病毒感染宿主后不会增殖，而是将基因组整合于宿主细菌的染色体上，并随宿主细逡逑菌染色体的复制而复制，随宿主细菌的分裂而分配至子代宿主细菌的染色体中。裂逡逑解性病毒在宿主体内复制增殖并产生许多子代病毒，当子代病毒达到一定的数量时，逡逑由于病毒合成酶类的溶解，最终会致使宿主细胞的裂解，该过程中释放出的病毒将逡逑再次感染其它的宿主细胞。与此同时

序列,细菌,病毒防御,防御机制

ＤＮＡ片段，用于在随后的病毒感染过程中检测和破坏类似病毒的ＤＮＡ。因此，这逡逑些序列在原核生物的抗病毒防御系统中起着关键的作用［３６］。ＣＲＩＳＰＲ是存在于细菌逡逑中的一种基因组，该类基因组中含有攻击过该细菌的病毒的基因片段。如图２．１所逡逑示，该图描述了细菌宿主中的ＣＲＩＳＰＲ基因片段抵抗病毒的防御过程，细菌通过这逡逑些基因片段来监测并抵抗相同病毒的攻击，并摧毁其ＤＮＡ。这类基因组是细菌免疫逡逑系统的关键组成部分，通过这些基因组人类可以准确且有效地编辑生命体内的部分逡逑基因，也就是ＣＲＩＳＰＲ／Ｃａｓ９基因编辑技术［３６］。逡逑ＣＲＩＳＰＲ序列的分析揭示了宿主和病毒基因组的共同进化过程。在与真核宿主逡逑相互作用的过程中，ＣＲＩＳＰＲ／Ｃａｓ介导的基因调控可能有助于内源性细菌基因的调逡逑节。例如，弗朗西斯菌（价＜３７７￡＾／／＜３？0此此）使用独特的小型ＣＲＩＳＰＲ／Ｃａｓ相关的逡逑ＲＮＡ邋（ｓｃａＲＮＡ）来抑制编码细菌脂蛋白的内源转录物［３７］。ＣＲＩＳＰＲ进化的基本模型逡逑是合并的间隔物，它驱动了病毒的基因组突变用以避免宿主的免疫应答，并在病毒逡逑和宿主群体中产生多样性。为了抵抗病毒的感染

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