本文關(guān)鍵詞：基于序列和PPI網(wǎng)絡(luò)的蛋白質(zhì)功能預(yù)測方法研究

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【摘要】：蛋白質(zhì)功能預(yù)測是后基因組時代生物信息學(xué)研究中最具挑戰(zhàn)性的任務(wù)之一。目前,大量蛋白質(zhì)氨基酸序列(簡稱“序列”)和蛋白質(zhì)相互作用(Protein-Protein Interaction,PPI)數(shù)據(jù)的積累,為揭示蛋白質(zhì)功能提供了基礎(chǔ)條件。本文從蛋白質(zhì)序列和PPI出發(fā),對基于序列的蛋白質(zhì)功能預(yù)測、蛋白質(zhì)功能相似性計算、PPI網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和基于PPI網(wǎng)絡(luò)的蛋白質(zhì)功能預(yù)測等計算問題進(jìn)行深入研究,并取得了一些創(chuàng)新性的成果。本文主要包括以下四個方面的內(nèi)容:(1)提出基于序列結(jié)構(gòu)域組成的蛋白質(zhì)功能預(yù)測方法現(xiàn)有的計算方法往往需要利用除序列之外其它生物學(xué)信息才能預(yù)測蛋白質(zhì)的功能,因此難以預(yù)測僅僅具有序列信息的蛋白質(zhì)的功能。由于結(jié)構(gòu)域是蛋白質(zhì)中的保守序列片段,是其功能、結(jié)構(gòu)和進(jìn)化的基本單位,廣泛地存在于蛋白質(zhì)中,并且蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)域組成信息容易被獲取,所以本文以蛋白質(zhì)序列的結(jié)構(gòu)域組成信息為基礎(chǔ),設(shè)計一種預(yù)測蛋白質(zhì)功能的計算方法。該方法首先研究結(jié)構(gòu)域和GO(Gene Ontology)術(shù)語之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,并提出利用對稱的條件概率方法度量它們之間的關(guān)聯(lián)強(qiáng)度。接著,根據(jù)術(shù)語的語義關(guān)系擴(kuò)展結(jié)構(gòu)域與術(shù)語之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。最后,以結(jié)構(gòu)域與術(shù)語之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系為基礎(chǔ),結(jié)合蛋白質(zhì)序列的結(jié)構(gòu)域組成信息預(yù)測其功能。與同類方法相比較,本文所提出的蛋白質(zhì)功能預(yù)測方法具有較高的召回率和精確度。此外,該方法直接利用蛋白質(zhì)的序列特征進(jìn)行功能預(yù)測,不受其它生物學(xué)特征信息的限制。(2)提出基于GO術(shù)語語義的蛋白質(zhì)功能相似性計算方法GO術(shù)語被廣泛用于描述蛋白質(zhì)的功能。通過GO術(shù)語語義比較蛋白質(zhì)的功能相似性,對于預(yù)測蛋白質(zhì)功能及其功能信息的遷移十分有益。因此,基于GO術(shù)語語義計算蛋白質(zhì)功能相似性的問題受到了廣泛關(guān)注。現(xiàn)有的蛋白質(zhì)功能相似性計算方法往往忽略術(shù)語之間的語義重疊關(guān)系,從而導(dǎo)致計算存在不可預(yù)知的誤差。針對這一問題,本文提出了一種新的蛋白質(zhì)功能相似性計算方法。首先,根據(jù)語義詳盡程度和覆蓋度計算術(shù)語的語義信息量。然后,將術(shù)語語義分為繼承語義和擴(kuò)展語義兩部分,并以此為基礎(chǔ)計算術(shù)語集合的語義信息量。最后,通過術(shù)語集合之間的語義重疊率來度量兩個蛋白質(zhì)之間的功能相似性。與同類方法相比較,本文所提出的方法獲得了更準(zhǔn)確的計算結(jié)果,能夠為判斷蛋白質(zhì)之間的功能相似性提供更可靠的依據(jù)。(3)提出基于結(jié)構(gòu)域相互作用的PPI網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法蛋白質(zhì)往往通過與其他蛋白質(zhì)相互協(xié)作來執(zhí)行某一功能。研究PPI網(wǎng)絡(luò)能幫助人們從系統(tǒng)層面理解蛋白質(zhì)的功能。然而,現(xiàn)有的PPI數(shù)據(jù)中存在大量的假陽性和假陰性數(shù)據(jù),阻礙了從系統(tǒng)層面研究蛋白質(zhì)的功能。為此,本文設(shè)計了一種基于結(jié)構(gòu)域相互作用構(gòu)建PPI網(wǎng)絡(luò)的方法。首先,從蛋白質(zhì)中共現(xiàn)結(jié)構(gòu)域的組合中篩選結(jié)構(gòu)域相互作用。然后,基于結(jié)構(gòu)域相互作用挖掘潛在的PPI以擴(kuò)展原網(wǎng)絡(luò)。接著,重新分析擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)中的PPI并識別跨蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)域相互作用。最后,基于跨蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)域相互作用重新評估PPI的可靠性,剔除擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)中的假陽性PPI。與傳統(tǒng)方法相比較,本文所提出方法可以構(gòu)建較為全面、可靠的PPI網(wǎng)絡(luò)。該方法可以用于構(gòu)建新的PPI網(wǎng)絡(luò),也可用于重構(gòu)已有的PPI網(wǎng)絡(luò)。(4)提出基于PPI網(wǎng)絡(luò)的蛋白質(zhì)功能預(yù)測方法從PPI網(wǎng)絡(luò)層面研究蛋白質(zhì)功能可以較為系統(tǒng)、全面地了解蛋白質(zhì)的功能機(jī)理,也是蛋白質(zhì)功能研究的熱點(diǎn)之一。現(xiàn)有的方法通常認(rèn)為相互作用的蛋白質(zhì)具有相同的功能。實際上大多數(shù)相互作用的蛋白質(zhì)之間存在功能差異。為此,本文設(shè)計了一種基于PPI網(wǎng)絡(luò)的蛋白質(zhì)功能預(yù)測方法。該方法首先將相互作用的蛋白質(zhì)之間的關(guān)系抽象為主-被動關(guān)系,然后根據(jù)主-被動關(guān)系篩選處于同一通路的GO術(shù)語注釋相互作用的蛋白質(zhì),并設(shè)計迭代算法在相互作用網(wǎng)絡(luò)中預(yù)測蛋白質(zhì)功能。從預(yù)測的精確度、召回率和F值三個指標(biāo)來看,基于PPI網(wǎng)絡(luò)的蛋白質(zhì)功能預(yù)測方法的綜合性能優(yōu)于同類方法。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：Q51;Q811.4

【相似文獻(xiàn)】

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