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差異分析算法研究與軟件平臺開發(fā)

發(fā)布時間:2020-11-08 19:10
   隨著基因圖譜繪制完成后,生物信息學領域也開始在分子水平上研究細胞的功能機理和復雜疾病的遺傳機制。近些年快速發(fā)展的高通量測序技術帶來了海量的基因測序數據,這為從基因組學的視角研究人類生命活動規(guī)律和疾病發(fā)生發(fā)展機制提供了新的機遇。另外,在機器學習領域,研究人員已提出了一些差異分析模型與算法,這為從基因組學數據挖掘致病基因提供了強有力的理論工具和技術支撐。在這些研究的基礎之上,本文展開了如下兩點研究:(1)提出了一個基于交互線性回歸的差異網絡構建算法。(2)開發(fā)了一個面向單細胞測序數據的差異表達基因識別的R軟件包。主要貢獻點如下:1.為了集成不同平臺的轉錄組學數據并挖掘導致基因網絡擾動的關鍵基因,本文提出了一個基于交互線性回歸模型的差異網絡構建方法。其模型借助群組稀疏正則化思想探索不同平臺數據之間的共性并挖掘網絡擾動的相關基因。本文也提出了一個基于交替方向乘子算法(Alternating Direction Method of Multipliers)求解該模型。模擬實驗驗證了本文所提出模型的有效性。本文也將該模型應用于proneural亞型和mesenchymal亞型癌癥基因表達數據中,并構建兩類癌癥亞型之間的差異網絡。實驗結果顯示所識別差異網絡中的hub基因具有重要的生物功能。2.本文開發(fā)了一個集成面向單細胞測序數據的差異基因識別算法的應用軟件平臺;赗語言,該平臺整合了當前主流的面向單細胞數據的差異基因識別算法。其貢獻如下:(1)用統(tǒng)一的輸入輸出格式整合了多種算法,方便用戶進行單細胞差異表達分析和對比不同算法之間的優(yōu)劣。(2)開發(fā)了相關的下游分析功能,如Gene Ontology富集分析和KEGG通路富集分析等。(3)開發(fā)了R軟件包和Shiny Application,提供了便利的操作界面。
【學位單位】:華中師范大學
【學位級別】:碩士
【學位年份】:2019
【中圖分類】:C81
【部分圖文】:

視角,樣本量,矩陣,數據


圖1:頂部:L個視角,每個視角下樣本量為n的數據,糢型可同時處理L個視角的數??據。⑴淡紫色矩陣:n個pxp個方陣按列排列,形成npxp的樣本矩陣。(%)綠黃色??矩陣:系數矩陣,排列方式與淡紫色矩陣相同。圖中虛線表示不同視角之間的矩??陣有共同信息。底部:左邊的部分,為單個視角下的線性交互回歸的計算形式。其??中表示姐陣之間的內積,?對于右邊的部分,表??\?'?j=l?k=l??示交互系數矩陣的形式,以及矩陣的維度。圖形中相同顏色即代表同一個矩陣。紅??色代表響應變量,淡紫色代表樣本矩陣,黃綠色代表交互系數矩陣。??組,通過Group?Lasso正則化,使其L個視角的網絡具有相同的結構。??(2)1^?[44]可以使參數島產生稀疏結構,在(2.3)和(2.4)的共同限制下,與hub節(jié)點??相連的邊可產生稀疏結構。??將線性交互模型,Group?Lasso以及Row-Column?overlap懲罰結合,本文提出??了基于節(jié)點的多視角線性交互模型(CcnPerturbed?node?Joint?Linear?Interaction??

曲線,彈性網,不同參數,腦瘤


圖2:不同參數設置下的彈性網和C/Vi//?表現效果的比較。其中,不同行代??表不同的樣本量,不同的列表示不同的/m&節(jié)點。對于C/VLZR,每幅圖中的不??同顏色曲線對應固定Ai的值,不同的》2。彈性網的曲線根據不同的Amas&值,使??用GZmnrf包繪制。以上結果為重復50次,計算均值所得結果。??2.4惡性膠質腦瘤數據分析??2.4.1惡性膠質瘤數據獲取??惡性膠質瘤是第一個被TCGA系統(tǒng)研宄的癌癥類型,現已知的惡性膠質瘤種??類有4?種:classical,?proneural,?mesenchymal,neural?[61]。proneural類腦瘤很大??概率是由于基因TP53,?PDGFRA,?IDH1引起的,mesenchymal類腦瘤大多和基??因XF1突變相聯(lián)系。我們將CP^JLIR應用于TCGA數據,以獲取兩類腦瘤之間基??因交互模式的差異,以發(fā)現引起子類變化的重要因素。首先,從Cancer?Genome??Atlas(TCGA,?Version:Februaxy?27?2016)網站獲。睿澹酰颍幔祛惡停恚澹螅澹睿悖瑁恚幔祛惖幕??表達數據。在本次研究中,數據包括3種mRNA,2種copy?number?change數據。其??中,3種mRNA數據來源于3個平臺,分別為gilent?244KCustomGeneExpression??G450.?Affymetrix?HT?Human?Genome?U133?Array?Plate?Set^DAffymetrix?Human??

流程圖,碩士學位論文,流程圖


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