基于概率逻辑的微生物高阶相互作用提取方法研究

发布时间：2020-10-10 03:23

　　 随着人类微生物组计划的迅速发展与应用,微生物之间的互作机制研究逐渐成为生物信息学领域研究的热点,它有助于人类在健康监测、疾病诊疗、个性化用药等方面取得巨大进展。第二代测序技术的发展,使得研究学者可以获取大量微生物群落和功能基因的数据,已经提出了很多实验或者计算方法来挖掘分析微生物相互作用,但是大多数方法预测得到的是微生物之间的两两相互作用。在本研究中,我们使用基于概率逻辑的方法来推断微生物的高阶相互作用,突破微生物交互的成对关系限制,研究微生物三者之间的复杂关系,并系统应用到人类微生物组计划的数据上。根据得到的微生物高阶相互作用构建高阶交互网络,基于三均匀超图的理论方法,我们研究了基于超图的特征对样本进行关键物种识别和样本分类方法,取得了较好的效果。主要的研究工作和贡献如下:第一,基于概率逻辑提取微生物之间的高阶相互作用。本文使用基于概率逻辑的方法挖掘微生物的高阶相互作用,在人类微生物组计划提供的数据上发现了4367个微生物的高阶逻辑关系,这证明了高阶逻辑的普遍存在性。我们还比较了高阶逻辑类型在不同身体部位的分布异同。与经典的关联规则算法对比,实验结果表明概率逻辑方法比已有的关联规则方法更为有效。不仅能挖掘到频繁微生物之间的高阶相互作用,也能挖掘到稀疏微生物之间的高阶相互作用。而且能克服关联规则存在的大量冗余规则和内存开销过大的缺陷。通过分析微生物的代谢网络,我们发现微生物之间的资源交互对所得高阶相互作用具有一定程度的贡献,这解释了计算结果的生物学意义。第二,基于三均匀超图分析的微生物关键物种识别和样本分类方法。目前的微生物交互网络大多都是两两关联的简单网络,而微生物高阶交互关系难以用经典图论分析方法来分析,但超图模型提供了这样一个很好的建模方法,能更好地可视化和描述微生物的复杂相互作用。本文通过三均匀超图来分析微生物高阶关系网络,融合超图节点的度与损失度来识别微生物高阶网络中的关键物种。为验证该方法的有效性和可用性,使用该方法将属级别的253种微生物标记为关键物种或非关键物种,将标记的数据集按1:1分成训练集和测试集,利用监督算法LDA判别模型进行分类实验。计算超图的特征,包括中介中心性,接近中心性和特征向量中心性。最后使用节点移除法作为对照实验。实验结果表明,本文提出的融合方法比节点移除法能更有效地识别网络中的关键物种,基于超图的特征可以对样本进行有效的分类,准确率达到90.61%。
【学位单位】：华中师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O157.5;Q93-3
【部分图文】：

率起着主导型作用［１７］。ＺｅｌｅｚｎｉａｋｅｔａＰ８］通过使用基因组规模的代谢模型方法系统地逡逑调查了邋８００多个群落的资源竞争和代谢交换的程度。如下图１．１所示，对于所有可逡逑能的两个、三个和四个物种组合的子群落，使用Ｆｉｓｈｅｒ精确检验来评估共现关系的逡逑显著性，从而解释了涉及两个以上物种的高阶相互作用的可能性。这些研究表明存逡逑在高阶效应和探索它们的重要性。逡逑

粉土壤降解细菌组合分析组合的淀粉分解功能发现高阶相互作用对于淀粉分解速逡逑率起着主导型作用［１７］。ＺｅｌｅｚｎｉａｋｅｔａＰ８］通过使用基因组规模的代谢模型方法系统地逡逑调查了邋８００多个群落的资源竞争和代谢交换的程度。如下图１．１所示，对于所有可逡逑能的两个、三个和四个物种组合的子群落，使用Ｆｉｓｈｅｒ精确检验来评估共现关系的逡逑显著性，从而解释了涉及两个以上物种的高阶相互作用的可能性。这些研究表明存逡逑在高阶效应和探索它们的重要性。逡逑Ａ邋Ｓａｍｐｔｅｌ逦ＳｕｍｐｉｅＮ逦Ｄ逦Ｐ？ａｎｃｔｏｍｙｃ？ｔｅｓ逡逑Ｓ＾ｎｐｌ＊邋ｔｘｘｎｍｕｎｆｙ逦＾逦＾邋＾逡逑ｃ邋 …ｍｈｍｈｉ邋＾逡逑？邋１ＨＰ．６Ｂ逦？逦ＢＡｃｔｏｏｔｅｃＷｒ－逡逑ＯＰｈ．ｎｃｔｏｍｙａ＾逦｜逦；逡逑０％逦２５％逦５０＊＾逦７０％邋１０ＯＳ逦＼逦＿逡逑Ｐｎｙｌｕｎｎ邋ｄｓｌｒｔＭｉｉｃｎ邋ａｍｏｎｇ邋ｃｘ＞－ｏｃｃｕｎｎｎｇ邋ｔｕｂｃｏｏｖｎｕｎｉｔＡＫ逦＊邋＾逡逑＾邋Ｗ邋＾ｒ邋－邋ＡＭＢＫ邋／逡逑Ｓｐ？ｃｉ？ｓ邋ｆｒｏｍ邋？逦＾ｈｙｔａ邋Ａ邋ａｎｄ邋Ｂ邋？？邋ｐａ＂邋0＜逦＾邋＜ｃ逡逑ｐｈｙ？ｕｍＢｃｏ－ｏｅｃｕｒｃｏ＾ｊｃｃｕｍｎｇｍｉｂｃｏｍｍｕｎｒｔｗｗ邋Ｖ逡逑ｔｘｌ？ｏｔ邋ｔｏ邋ｗｈｉｃｈ邋ｐｈ＞ｔｅ邋Ａ邋ａｎｄ邋Ｇ邋＊■、Ｓｏｒｔｅｔｌ邋（ｔｅｓｃｗｎｄｉｎｇ逦－？逡逑ｏｒ＊邋ｔｏｕｎＯ邋？0邋ｃｏ－ｏｃｃｕｍｎ0逦＾１邋Ｐ？？ｙ＊ｗｎｉ邋ｐｗｌｏｐｕｔｉｏｆｌ逦＾逦Ｓ逦

有助于更精确地表示生物知识。ＳＯＯ－．丨ｉｎ邋Ｋｉｍ邋ｅｔａｌｌ３Ｇ］从癌症基因组谱中构建高阶逡逑ｍｉＲＮＡ－ｍＲＮＡ相互作用网络，利用网络显示致癌或者肿瘤抑制特征，可以帮助假逡逑设和理解癌症的分子发病机制，具体的网络构建过程如下图１．３所示。逡逑逦Ｈｙｐｅｒｇｒａｐｈ－ｂａｓｅｄ邋ｍｏｄｅｌ邋逦逡逑ｍｉＲＮＡ＊邋？邋ｍＲＮＡ＊逡逑Ｖ－邋＇Ｃａｒ？ｃ？ｆ－？ｐ？ｃ＊ｆｉｃ邋ｍｔ？ｒ？ｃｔｉｏｎｍ逡逑ｒｒｎ邋＾逦ｍｉＲＮＡ－ｍＲＮＡ邋ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ邋ｎｅｔｗｏｒｋｓ逡逑ｍｉＲＮＡ－ｍＲＮＡ邋ｄａｔａ逦ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ邋ｗｔｔｈ邋ｔｈｅ邋ｓｐｅｃｉｆｉｃ邋ｃａｎｃｅｒ逡逑ｍａｔｒｉｘ逦ｐｖｊ逦逡逑图１．３构建高阶ｍｉＲＮＡ－ｍＲＮＡ相互作用网络的模型示意图逡逑如果可以在微生物生态学中鉴定关键物种，这可能对增强微生物群落结构认识逡逑及其与宿主或环境的相互作用的深入了解具有重要意义。在人类中，考虑到微生物逡逑群在健康和疾病中的核心重要性，目前许多研宄者对阐明维持粘膜表面宿主微生物逡逑体内平衡的机制以及干扰这种体内平衡的机制有着极大的兴趣，这些机制会导致失逡逑调和炎症疾病的发生。支持和稳定与疾病状态相关的微生物群的基石微生物在这里逡逑被称为“基石病原体”。重要的是，即使作为微生物群的次要成分定量存在，关键病逡逑原体也能引发炎症，这与显性病原体诱导的炎症形成了鲜明对比，后者成为微生物逡逑群的主要成分，同时抑制共生体。逡逑针对微生物高阶相互作用提取和网络分析识别关键物种

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 谢刚;张文生;;概率逻辑程序研究综述[J];山西大学学报(自然科学版);2016年03期

2 李旭燕;;对帕斯卡概率逻辑的批判性反思[J];学术论坛;2007年09期

3 王洁;鞠实儿;;概率逻辑程序[J];计算机科学;2003年07期

4 任晓明;略论非帕斯卡概率逻辑的知识创新意义[J];攀枝花大学学报;2002年01期

5 王雨田;;概率逻辑的形成与归纳逻辑史的研究[J];国内哲学动态;1984年09期

6 张晨东,谢兵,陈火旺,徐光;概率逻辑含多重原子交集分解模型的可靠性[J];计算机研究与发展;1998年08期

7 熊学亮;语言交际的概率逻辑分析[J];外国语(上海外国语大学学报);1995年02期

8 赵晓芬;;评贝叶斯方法对概率逻辑的继承和发展[J];安徽警官职业学院学报;2011年04期

9 徐光美;杨炳儒;张伟;宁淑荣;;概率逻辑模型与学习研究进展[J];计算机科学;2007年01期

10 弓肇祥;;全国归纳与概率逻辑讨论会纪要[J];国内哲学动态;1984年11期

相关会议论文 前6条

1 吴炳荣;;熵与概率逻辑[A];1995年逻辑研究专辑[C];1995年

2 夏年喜;;试析凯恩斯概率逻辑思想产生的历史条件[A];2000年逻辑研究专辑[C];2000年

3 吴强;张巍;蔡庆生;;互联网上智能Agent软件算法研究[A];2003年中国智能自动化会议论文集（下册）[C];2003年

4 张惠民;;论模糊概率逻辑[A];1995年逻辑研究专辑[C];1995年

5 刘邦凡;;论概率、概率逻辑与知识进步[A];改革开放以来逻辑的历程——中国逻辑学会成立30周年纪念文集（上卷）[C];2009年

6 季秋;王万森;王新;;人工智能中逻辑学的研究[A];逻辑与认知学术研讨会会议论文集[C];2004年

相关重要报纸文章 前2条

1 南华期货研究所 丁玉洁;日内持仓异动与期价涨跌的“概率逻辑”[N];期货日报;2011年

2 胡子悦 河北大学哲学系;卡尔纳普的概率逻辑[N];中国社会科学报;2016年

相关博士学位论文 前5条

1 惠小静;计量逻辑学及其随机化研究[D];陕西师范大学;2008年

2 耿雪娜;离散事件系统的可诊断性问题研究[D];吉林大学;2017年

3 李勇;基于条件事件代数的概率逻辑推理和概率逻辑衍推推理[D];云南大学;2010年

4 谢伟凯;智能空间关键支撑技术的研究[D];清华大学;2003年

5 肖波;模态概率逻辑[D];清华大学;2014年

相关硕士学位论文 前8条

1 余丽辉;基于概率逻辑的微生物高阶相互作用提取方法研究[D];华中师范大学;2019年

2 郑昊;归纳逻辑或然性问题研究[D];昆明理工大学;2010年

3 沈旭明;论赖欣巴哈的逻辑哲学思想[D];中南大学;2004年

4 卫兵;条件句概率逻辑：拉姆齐测验+摩尔式原则=上帝？[D];云南师范大学;2014年

5 郭加安;基于泛逻辑学的概率逻辑及其算子的研究[D];首都师范大学;2007年

6 季秋;基于发生率计算的不确定性推理理论研究[D];首都师范大学;2005年

7 许海洋;基于泛逻辑学的概率逻辑算子的研究[D];首都师范大学;2006年

8 杨恒刚;科恩归纳分级理论研究[D];燕山大学;2008年

本文编号：2834649