蛋白质相互作用网络分析的图聚类方法研究进展

随着可获得的大规模蛋白质相互作用数据的迅速增长,从系统水平上对细胞机制的基本组件和结构的理解成为了一种可能。如今所面临的最大挑战是如何通过分析此类复杂的相互作用数据来反映细胞组织、进程以及功能的规律。基于图理论的聚类方法是分析蛋白质相互作用数据的有效手段。本文将从蛋白质相互作用网络(PPI网络)的图模型、聚类算法、评估方法及应用几个方面描述PPI网络聚类分析的最新研究进展。最后,讨论该方向研究所面临的挑战及进一步的研究方向。     

蛋白质功能模块检测的聚类方法综述

在蛋白质相互作用（Protein-Protein Interaction，PPI）网络中检测蛋白质功能模块有助于预测未知蛋白质的功能模块。随着蛋白质相互作用有效数据迅速增长，如何通过PPI网络获得有效的蛋白质功能模块成为最大挑战。阐述PPI网络的发展及现状，通过对当前蛋白质功能模块检测算法进行归纳总结，把它们分为单元聚类和多元聚类，并对每类的代表性方法进行详细阐述；讨论蛋白质相互作用网络功能模块检测研究所面临的挑战及未来研究方向。     

通用计算网络图聚类系数和环方法

二分图中不存在三角形,由标准聚类系数概念扩展二分图聚类系数将其定义为四边形所占比例,提出计算聚类系数的通用公式,并证明这两个聚类系数具有同样的聚类特征。把这两个聚类系数应用于计算大尺度环数目,得到适合于一分网络或是多分网络的通用计算大环数目公式。     

基于蛋白质相互作用网络的聚类算法研究

蛋白质相互作用网络是计算机科学技术的一个新研究领域。蛋白质相互作用网络中结点之间的距离度量需要通过基于网络的最短路径距离来重新定义,其计算代价高,这使得已有的基于欧几何距离的聚类算法不能直接运用到这种环境中。因此,通过蛋白质相互作用网络的特征提出了一种新的聚类算法。算法使用网络中的边和结点信息来缩减搜索空间,避免了一些不必要的距离计算。实验结果表明,算法对于真实的蛋白质相互作用网络中的结点聚类是高效的。     

基于人工免疫系统的蛋白质相互作用网络聚类算法

提出了一种基于人工免疫特性的蛋白质相互作用(PPI)网络聚类模型与算法以期提高其辨识准确率。在该算法中将聚类中心作为抗原,将邻接的节点作为抗体,通过计算抗体与抗原之间的亲和度,将其作为记忆细胞把节点划分到聚类中;然后选择优秀抗体作为疫苗,尝试将疫苗注入聚类模块并进行更新,通过与注射前的模块适应度进行比较,不断更新记忆细胞。对PPI数据集上的数据进行了仿真,实验结果表明,与功能流算法(FLOW)相比,所提方法的正确率和查全率的几何平均值均得到了提高。     

基于聚类准则函数的改进K-means算法

K-means算法所使用的聚类准则函数是将数据集中各个簇的误差平方值直接相加而得到的,不能有效处理簇的密度不均且大小差异较大的数据集。为此,将K-means算法的聚类准则函数定义为加权的簇内标准差之和,权重为簇内数据对象数占总数目的比例。同时,调整了传统K-means算法将数据对象重新分配给簇的方法,采用一个数据对象到中心点的加权距离代替传统K-means算法中的距离,将数据对象分配给使加权距离最小的中心点所在的簇。实验结果表明,针对模拟数据集的聚类,改进K-means算法可以明显减少大而稀的簇中数据对象被错误地分配到相邻的小而密簇的可能性,改善了聚类的质量;针对UCI数据集的聚类,改进算法使得各个簇更为紧凑,从而验证了改进K-means算法的有效性。     

蛋白质相互作用网络的蜂群信息流聚类模型与算法

蛋白质相互作用网络的聚类算法研究是充分理解分子的结构、功能及识别蛋白质的功能模块的重要方法.很多传统聚类算法对于蛋白质相互作用网络聚类效果不佳.功能流模拟算法是一种新型聚类算法,但该算法没有考虑到距离的作用效果并且需要人为地设置合并阈值,带有主观性.文中提出了一种新颖的基于蜂群优化机理的信息流聚类模型与算法.该方法中,数据预处理采用结点网络综合特征值的排序来初始化聚类中心,将蜂群算法的蜜源位置对应于其聚类中心,蜜源的收益度大小对应于模块间的相似度,采蜜蜂结点的所有邻接点按照结点网络综合特征值的降序排列,作为侦察蜂的搜索邻域.采用正确率、查全率等指标对聚类效果做出客观评价,并对算法的一些关键参数进行仿真、对比与分析.结果表明新算法不仅克服了原功能流模拟算法的缺点,且其正确率和查全率的几何平均值最高,能够有效地识别蛋白质功能模块.     

一种新的聚类初始化方法

K-means聚类算法会收敛到求解问题的多个局部最优解中的一个,而且它对初始条件十分敏感.给出了一种基于数据集的多个子集和山函数的初始条件方法,它可以较稳定地收敛到一个更好的局部最优解.此初始方法同时适用于原空间和核空间的K-means算法,相对作用于完整数据集的山函数方法,该方法的时间复杂度和空间复杂度都只有它的p2(p是采样率,p＜1).     

基于模糊谱聚类的不确定蛋白质相互作用网络功能模块挖掘

针对谱聚类融合模糊C-means（FCM）聚类的蛋白质相互作用（PPI）网络功能模块挖掘方法准确率不高、执行效率较低和易受假阳性影响的问题，提出一种基于模糊谱聚类的不确定PPI网络功能模块挖掘（FSC-FM）方法。首先，构建一个不确定PPI网络模型，使用边聚集系数给每一条蛋白质交互作用赋予一个存在概率测度，克服假阳性对实验结果的影响；第二，利用基于边聚集系数流行距离（FEC）策略改进谱聚类中的相似度计算，解决谱聚类算法对尺度参数敏感的问题，进而利用谱聚类算法对不确定PPI网络数据进行预处理，降低数据的维数，提高聚类的准确率；第三，设计基于密度的概率中心选取策略（DPCS）解决模糊C-means算法对初始聚类中心和聚类数目敏感的问题，并对预处理后的PPI数据进行FCM聚类，提高聚类的执行效率以及灵敏度；最后，采用改进的边期望稠密度（EED）对挖掘出的蛋白质功能模块进行过滤。在酵母菌DIP数据集上运行各个算法可知，FSC-FM与基于不确定图模型的检测蛋白质复合物（DCU）算法相比，F-measure值提高了27.92%，执行效率提高了27.92%；与在动态蛋白质相互作用网络中识别复合物的方法（CDUN）、演化算法（EA）、医学基因或蛋白质预测算法（MGPPA）相比也有更高的F-measure值和执行效率。实验结果表明，在不确定PPI网络中，FSC-FM适合用于功能模块的挖掘。     

基于K-means的最佳聚类数确定方法研究

确定数据集的最佳聚类数是聚类研究中的一个重要难题。为了更有效地确定数据集的最佳聚类数,该文提出了通过改进K-means算法并结合一个不依赖于具体算法的有效性指标Q(c)对数据集的最佳聚类数进行确定的方法。理论分析和实验结果证明了该方法具有良好的性能和有效性。     

基于模块度优化的蛋白质网络集团探测与分析

探测蛋白质相互作用网络中的功能模块对于理解生物系统的组织和功能具有重要的意义。目前,普遍的做法是将蛋白质相互作用网络表示成一个图,利用各种图聚类算法来挖掘功能模块。本文采用了基于模块度优化的图聚类算法来探测蛋白质相互作用网络中的集团,从具有2617个节点11855个相互作用的酵母蛋白相互作用网络中探测出68个集团。对于得到的集团,首先从拓扑结构的角度验证其的确是内部连接稠密的子图,然后分析了MIPS数据库中ComplexCat提供的已知的蛋白质复合体与这些集团的重叠情况,发现很多蛋白质复合体完全包含在某些集团中,最后使用超几何聚集分布的P值来分析一个集团对某个特定功能的富集程度,并根据最小的P值对应的功能来注释该集团的主要功能,发现集团中大部分的蛋白质具有相同的功能。研究结果表明,该方法探测的集团具有重要的生物学功能意义。     

基于不确定PPI网络的功能模块挖掘*

近年来,挖掘具有生物学意义的功能模块,吸引了很多人的关注.但是,生物信息学中的蛋白质交互(PPI)网络和其他的一些生物数据常常会由于实验检测方法的局限性而呈现出不确定性.以具有不确定性的PPI数据为研究对象,挖掘蛋白质复合物.引入了一些新概念,并给出了一个深度优先算法.使用MIPS数据库评估实验结果表明,该算法在精确度和覆盖率两个方面性能优良.在基因拓扑上分析实验结果证实了所得到的大多数蛋白质复合物具有很高的相似性.最后也对算法的可扩展性进行了验证.总之,可以有效地从不确定PPI网络中挖掘出功能模块.     

基于蛋白质相互作用网络预测癌症致病基因

基于现有的蛋白质相互作用数据,提出利用邻居曲线方法来分析癌症基因产物在蛋白质相互作用网络中的中心度和聚集度,据此获取与癌症高度相关的候选致病基因。癌症基因大规模测试显示,有26%的目标基因在候选基因中排名前5%,90%的目标基因在候选基因中排名前50%,该方法能有效地识别癌症致病基因。     

PPI网络的改进谱聚类算法

蛋白质相互作用(PPI)网络是生物信息学的一个新的研究领域。近年来谱聚类算法在未知蛋白质的功能预测方面发挥了重要作用,但是它要求事先确定聚类数目,为此提出了一种基于边的得分搜索的谱聚类算法。该算法采用谱聚类方法对数据进行预处理,并通过构造蛋白质节点之间的边的得分矩阵找到数据样本之间的相关性,同时融入粒子群算法来确定边的得分的最佳选择阈值,最后用广度优先遍历结点的方法得到聚类结果。算法在PPI网络数据集上进行了测试,结果表明该算法不但可以自动确定聚类数目,而且聚类结果的正确率和F-measure值都得到了提高。     

基于图编码网络的社交网络节点分类方法

针对如何融合节点自身属性以及网络结构信息实现社交网络节点分类的问题,提出了一种基于图编码网络的社交网络节点分类算法。首先,每个节点向邻域节点传播其携带的信息;其次,每个节点通过神经网络挖掘其与邻域节点之间可能隐含的关系,并且将这些关系进行融合;最后,每个节点根据自身信息以及与邻域节点关系的信息提取更高层次的特征,作为节点的表示,并且根据该表示对节点进行分类。在微博数据集上,与经典的深度随机游走模型、逻辑回归算法有以及最近提出的图卷积网络算法相比,所提算法分类准确率均有大于8%的提升;在DBLP数据集上,与多层感知器相比分类准确率提升4.83%,与图卷积网络相比分类准确率提升0.91%。     

基于图聚类的入侵检测算法研究

针对当前聚类算法仅依赖于初始聚类中心并且无法精确区别非凹形状类的不足,现将图学习知识应用到聚类算法中,提出了一种基于图聚类的入侵检测算法P-BFS。为得到较准确的分类模型,算法中引入了一种基于逼近函数的相似性度量方法。实验结果论证了图聚类思想应用于入侵检测系统的优越性;同时表明了,与K-means聚类算法相比,P-BFS图聚类算法具有较高的性能。     

基于动态扩散卷积交互图神经网络的网络流量预测

现有的网络流量预测模型存在着泛化能力弱和预测准确率低等问题,为了解决此问题,提出了一种结合动态扩散卷积模块和卷积交互模块的预测模型。动态扩散卷积模块可以提取网络流量中复杂的空间特征和动态特性,而卷积交互模块则能捕获到流量中的时间特征,两者的有机结合可以有效预测网络中的流量。通过与其他网络流量预测模型在美国能源科学网（ESnet）流量数据上进行对比实验,验证了提出的动态扩散卷积交互图神经网络模型（DDCIGNN）的有效性。实验结果表明,DDCIGNN模型的均方根误差（RMSE）在最好的情况下优化了大约13.0％,说明该模型能够进行更有效的网络流量预测。     

一种面向蛋白质复合体检测的图聚类方法

蛋白质互作用(protein-protein interaction, PPI)网络是广泛存在的一类复杂生物网络,其网络拓扑特征与功能模块分析密切相关.图聚类是对复杂网络进行分析和处理的一种重要计算方法.传统的PPI网络中蛋白质复合体检测算法通常对网络图中的对象进行硬划分,而寻找网络中的重叠簇的软聚类算法已成为当前研究热点之一.现有的软聚类算法较少关注寻找网络中具有重要生物意义的小规模非稠密簇.对此,基于网络中结点邻域给出了边关联强度的度量方法,并在此基础上提出了一种基于流模拟的PPI网络中复合体检测的图聚类(flow-simulation graph clustering, F-GCL)算法,该算法可以在快速发现PPI网络中的重叠簇的同时找到小规模非稠密簇;同时,与MCODE(molecular complex detection),MCL(Markov clustering),RNSC(restricted neighborhood search clustering)和CPM(clique percolation method)算法在6个酿酒酵母PPI网络上进行比较,该算法在F-measure,Accuracy,Separation方面表现了较好的性能.     

基于异构动态图模型的社交网络节点分类方法

在机器学习领域,与传统的神经网络相比,图神经网络在社交推荐等任务中发挥着越来越重要的作用,但是目前工作中大多数都使用静态图.针对现有静态图神经网络方法难以考虑社交用户动态特性的问题,通过引入动态图模型提出了一种基于异构动态图模型的社交网络节点分类方法.该方法在动态图建模的基础上,通过基于点边交互的节点特征更新机制和基于循环神经网络的时序聚合方法,实现了高效的动态社交网络节点分类.在多个真实数据集上的实验结果表明,提出方法在动态社交网络数据的节点分类方面有较好的效果,对比静态图和动态图的基准方法有显著的提升.