基于计算的蛋白质复合物预测方法综述

蛋白质是生命活动的物质基础,直接参与、执行生命的活动过程。大多数蛋白质通过相互作用形成复合物来实现各种生物功能,因此预测蛋白质复合物有助于了解复合物的结构及其功能,也为细胞机制的研究奠定了重要基础。目前,随着高通量实验技术的不断发展,全基因组蛋白质相互作用(PPI)数据日益增多,领域内已经出现了很多基于计算的蛋白质复合物预测方法。虽然现有方法各具特色与优势,但也存在一些不足。首先,针对现有基于计算的蛋白质复合物预测方法进行了分类和比较全面、详细的分析评述;接着,介绍了复合物预测中常用的评价指标和主要数据集,并比较和分析了几种代表性方法的预测性能;最后,对复合物预测方法进行了总结与展望,提出了今后有待解决的若干问题。希望通过对各类方法的分析与比较,为相关人员使用和研究基于计算的蛋白质复合物预测方法提供有价值的参考和方向指引。     

蛋白质中残基远程相互作用预测算法研究综述

蛋白质是由多个氨基酸残基顺序连接而成的长链.在天然状态下,蛋白质并不是无规则的自由状态,而是自发形成特定的空间结构,以执行其特定的生物学功能.驱动蛋白质形成特定空间结构的主要因素是残基间的非共价相互作用,包括疏水作用、静电相互作用、范德华力等.因此,对残基之间远程相互作用的准确预测将有助于对蛋白质空间结构的预测,进而有助于对蛋白质生物学功能的了解.在蛋白质进化过程,有相互作用残基对之间存在一种“共进化”模式,即当一个残基发生变异时,与其有相互作用的残基也要发生相应的变异,以维持相互作用,进而维持整体空间结构以及生物学功能.基于上述生物学观察,研究者开发了多个统计模型和算法以预测残基对之间的相互作用:1)概述残基之间远程相互作用的两大类基本预测算法,包括无监督学习方法和监督学习方法;2)使用蛋白质结构预测CASP比赛结果来客观比较上述各类算法的性能,分析各个算法的特点和优势;3)从生物学观察和统计模型2个角度分析总结了未来的发展趋势.     

蛋白质相互作用预测方法研究进展

蛋白质间的相互作用是细胞实现功能的基础,其研究对疾病的诊断和治疗有着重要意义。蛋白质相互作用预测方法有实验方法和计算方法两大类。作为实验方法的有效补充和验证工具,计算方法受到越来越多人的重视。本文主要分析了预测蛋白质相互作用的主要方法及其优缺点,对当前需待解决的相关问题进行了阐述。     

基于蛋白质相互作用网络的孤立点检测

分析孤立点检测方法,总结国内外孤立点的研究现状,基于相似度系数和矩阵对蛋白质进行聚类,把大于某一阈值的蛋白质列入稀疏蛋白质集中,基于相似系数对蛋白质相互作用网络中的孤立点进行了检测.     

动态加权蛋白质相互作用网络构建及其应用研究

一个蛋白质可能在不同条件或不同时刻与不同的蛋白质发生相互作用,这称为蛋白质的动态特性.蛋白质在分子处理的不同阶段参与到不同的模块,与其他的蛋白质共同完成某项功能.因此, 动态蛋白质相互作用的研究有助于提高蛋白质功能预测的准确率.结合蛋白质相互作用网络和时间序列基因表达数据,构建动态蛋白质相互作用网络.为降低PPI网络中假阴性对功能预测产生的负面影响,结合结构域信息和复合物信息,预测和产生新的相互作用,并对相互作用加权.基于构建的动态加权网络,提出一种功能预测方法D-PIN (Dynamic protein interaction networks). 基于三个不同的酵母相互作用网络实验结果表明, D-PIN 方法的综合性能比现有方法提高了14%以上.结果验证了构建的动态加权蛋白质相互网络的有效性.     

蛋白质相互作用网络的相似子网搜索问题研究

蛋白质相互作用网络（Protein-Protein Interactions Network,PIN）的相似性问题是目前生物信息学领域研究的热点。将计算机科学和生物学相结合,提出了蛋白质相互作用网络邻居优先搜索算法。该算法综合蛋白质的序列信息和蛋白质相互作用网络的拓扑结构信息,适度提高与相似蛋白质有直接相互作用的蛋白质之间的相似系数,实现了不同物种间蛋白质相互作用相似子网络的搜索。与同类算法的对比实验表明,该算法可以处理更大规模的目标子网搜索,计算速度明显提高,且利用该算法获得的结果与目标子网具有更长的相似路径。论文采用该算法研究了酵母和果蝇的蛋白质相互作用网络,获得了10条相对保守的蛋白质相互作用（Protein-Protein Interactions,PPI）。     

蛋白质相互作用网络演化模型研究进展

研究蛋白质相互作用网络的演化机制及模型对于理解生物系统的进化及组织形成过程具有重要的意义。到目前为止,已经出现了多种依赖不同演化机制的蛋白质相互作用网络演化模型,这些模型有针对性地体现了真实蛋白质相互作用网络中出现的某些拓扑特征,但同时也具有一定的局限性。通过对典型蛋白质相互作用网络演化模型进行研究,从模型的构建机理、演化模型及真实蛋白质相互作用网络的拓扑特征等方面进行了分析和比较,并总结了各个模型的特点。最后,对蛋白质网络演化模型的进一步发展提出了自己的看法,为深入理解蛋白质相互作用网络演化模型提供有益参考。     

蛋白质相互作用预测算法在帕金森病中的应用

对蛋白质相互作用的研究不仅能够理解生命的过程,也能为疾病治疗提供线索.通过对现有蛋白质相互作用预测计算方法的分析,将计算方法和生命科学相结合,在利用现有的知名生物数据库获得大量蛋白质相互作用关系数据的基础上,建立人类蛋白质相互作用网络,通过计算来预测可能导致帕金森病的蛋白质.在总结前人算法的基础上,利用改进的APM[1]算法,实现了对蛋白质一级网络以及二级网络的预测工作.     

基于空间映射的蛋白质相互作用网络链接预测算法

蛋白质间的相互作用预测问题本质上是复杂网络的链接预测问题。到目前为止,已经有很多方法用于链接预测,这些方法要么只考虑拓扑信息,要么只考虑蛋白质相互作用网络内部的交互信息,但是仅考虑一种信息来预测蛋白质的交互信息是远远不够的。因此提出了一种新方法:将蛋白质相互作用网络看作是一个有权图,根据网络中两节点的拓扑结构和属性信息,分别计算它们的拓扑相似度和属性相似度来预测它们之间是否存在链接关系。在两种相似度平衡方面,考虑基于空间映射的方法,将它们独立地映射到另一空间,并且使它们分别映射的空间尽量相近,从而使得拓扑信息、属性信息有机融合。实验结果表明,提出的算法具有较好的准确率和良好的生物统计特性。     

蛋白质相互作用网络功能模块检测的研究综述

蛋白质相互作用（Protein-protein interaction,PPI）网络是生命活动中一种极其重要的生物分子关系网络,利用计算方法从PPI网络中检测功能模块是目前生物信息学中一项重要的研究课题. 本文首先总结了功能模块检测过程的基本流程,说明了预处理和后处理的作用;其次,提出了一种模块检测方法的分类体系,并对其中一些代表性的检测算法进行了阐述;再次,给出了模块检测常用的数据库、评价指标和相关软件工具,并通过实验对代表性算法进行了性能对比. 最后,通过对该领域挑战性问题的分析预测了模块检测未来的研究方向,以期对相关研究提供一定的参考.     

不确定性PPI网络链接预测

蛋白质交互网络预测是后基因组时代生物学中很重要的研究内容。到目前为止,对蛋白质交互网络相互作用的预测都是假设相互作用是确定的。但是,蛋白质交互网络和其它的一些生物数据会因为实验检测方法的局限性而呈现出不确定性。提出了一种基于信息传播的不确定性PPI网络的链接预测算法。在每个顶点对上按其出现链接的概率定义了链接信息量,该算法将边上的链接信息量在图上以一定的概率来传播。利用标准数据集进行测试,实验结果表明,所提出的算法具有很好的准确率和良好的生物统计特性。     

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。     

CPL: Detecting Protein Complexes by Propagating Labels on Protein-Protein Interaction Network

Proteins usually bind together to form complexes, which play an important role in cellular activities. Many graph clustering methods have been proposed to identify protein complexes by finding dense regions in protein-protein interaction networks. We present a novel framework （CPL） that detects protein complexes by propagating labels through interactions in a network, in which labels denote complex identifiers. With proper propagation in CPL, proteins in the same complex will be assigned with the same labels. CPL does not make any strong assumptions about the topological structures of the complexes, as in previous methods. Tile CPL algorithm is tested on several publicly available yeast protein-protein interaction networks and compared with several state-of-the-art methods. The results suggest that CPL performs better than the existing methods. An analysis of the functional homogeneity based on a gene ontology analysis shows that the detected complexes of CPL are highly biologically relevant.     

基于支持向量机的蛋白质相互作用位点预测

蛋白质的功能常体现在生物大分子的相互作用中,识别蛋白质相互作用位点对于研究蛋白质功能发挥着重要作用。蛋白质间主要通过表面残基发生相互作用,蛋白质相互作用形成复合体时,只有部分表面残基参与了该过程。基于序列谱信息,提取序列上相邻残基的序列谱作为输入特征向量,对大小为3和7的残基信息窗（win3,win7）,分别采用支持向量机（SVM）分类器对蛋白质相互作用位点进行预测、比较和分析。最终实验结果为：win3的平均正确率为69．31％,win7的平均正确率为69．68％。     

A Distributed Framework for Large-scale Protein-protein Interaction Data Analysis and Prediction Using MapReduce

Protein-protein interactions are of great significance for human to understand the functional mechanisms of proteins.With the rapid development of high-throughput genomic technologies,massive protein-protein interaction(PPI)data have been generated,making it very difficult to analyze them efficiently.To address this problem,this paper presents a distributed framework by reimplementing one of state-of-the-art algorithms,i.e.,CoFex,using MapReduce.To do so,an in-depth analysis of its limitations is conducted from the perspectives of efficiency and memory consumption when applying it for large-scale PPI data analysis and prediction.Respective solutions are then devised to overcome these limitations.In particular,we adopt a novel tree-based data structure to reduce the heavy memory consumption caused by the huge sequence information of proteins.After that,its procedure is modified by following the MapReduce framework to take the prediction task distributively.A series of extensive experiments have been conducted to evaluate the performance of our framework in terms of both efficiency and accuracy.Experimental results well demonstrate that the proposed framework can considerably improve its computational efficiency by more than two orders of magnitude while retaining the same high accuracy.     

基于关键功能模块挖掘的蛋白质功能预测

精确注释蛋白质功能是从分子水平理解生物体的关键.由于内在的困难和昂贵的开销,实验方法注释蛋白质功能已经很难满足日益增长的序列数据.为此,提出了许多基于蛋白质相互作用（Protein-protein interaction,PPI）网络的计算方法预测蛋白质功能.当今蛋白质功能预测的趋势是融合蛋白质相互作用网络和异构生物数据.本文提出一种基于多关系网络中关键功能模块挖掘的蛋白质功能预测算法.关键功能模块由一组紧密联系且共享生物功能的蛋白质组成,它们能与网络中的剩余部分较好地区分开来.算法通过从多关系网络的每一个简单网络中挖掘高内聚、低耦合的子图形成关键功能模块.关键功能模块中邻居蛋白质的功能用于注释待预测功能的蛋白质.每一个简单网络在蛋白质功能预测中的重要性各不相同.实验结果表明,提出的方法性能优于现有的蛋白质功能预测方法.     

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.