收藏本站
《上海交通大学》 2015年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

生物复杂网络中功能模块的挖掘

焦清局  
【摘要】:网络科学作为一门交叉学科,它的基本理论正渗透到从数理科学到生命科学、工程科学甚至社会科学等众多学科中去。复杂网络的研究引起了世界不同领域科学家的广泛关注。对复杂网络的定性和定量特征的认识和理解是网络时代中一个重要而又具有挑战性的课题。作为复杂网络中一个重要特性,模块结构(或称社团结构)是一个重要而又普遍存在的结构特性。准确挖掘和分析模块结构对理解复杂网络的演化、结构和动态性都有着理论和实践的意义。模块结构作为生物复杂网络中的功能模块组织形式,在生命科学领域中有着重要的意义。人们虽然提出很多有效的算法来分析功能模块,如基于图论的方法,基于随机游走模型和谱聚类方法,但是这些方法在算法层面和生物网络局限性上都存在一定的缺陷。面对这些问题,需要我们有针对性地研究并提出新的功能模块挖掘方法。在本文中,我们主要研究了如何挖掘生物复杂网络中的功能模块,并探索了多样性的功能模块组织形式。首先,针对现有模块分析算法存在的缺陷,提出一种衡量网络中任意两个结点的新相似性ISIM,依据这种新的相似性和层次聚类思想对生物网络中的功能模块进行挖掘,并利用新结点相似性进一步揭示了生物网络中蛋白质复合物的层次性和功能模块的多尺度性。为了避免生物网络不完备性带来的影响,我们通过融合多条件下基因共表达谱数据构建完备的基因共表达网络,进而分析功能模块。接下来,我们突破模块结构是生物复杂网络中功能单元的唯一组织形式这一概念,在生物网络上发现一种新的功能模块组织形式,Bi-sparse功能模块。并相应地提出一种能同时挖掘高聚合和稀疏功能模块的二叉树搜索方法。最后,通过大规模网络的统计分析,深入研究了Bi-sparse模块的一些特性。因此,本文的研究内容和创新点主要包括以下几个方面:(1)为了有效地克服现有功能模块挖掘方法的缺点,我们使用受限的随机游走模型,提出一种新的转移概率矩阵,进而定义一种新的结点相似性ISIM来衡量网络中任意两个结点之间的距离。新的结点相似性有三个良好的特性,一是它能成功地融合网络的全局和局部拓扑信息;二是新结点相似性不仅能有效地衡量两个结点之间的距离,而且能捕捉到两个结点在网络中的拓扑结构;三是它是在一个收敛的空间定义结点相似性,因此,在一系列不完备和含有噪声的生物网络中,具有良好的稳定性和鲁棒性。使用新结点相似性和层次聚类思想,可以有效地分析生物复杂网络中的功能模块。首先,我们使用新结点相似性产生网络的相似性矩阵。然后,使用层次聚类思想建立网络模块的树状结构。最后,选择合理的目标函数自动地挖掘网络中的功能模块。在此基础上,通过改变新结点相似性中的调节因子,本文又提出一种新的方法(isimb方法)揭示生物网络中蛋白质复合物的层次结构和功能模块的多尺度特性。与现有的模块挖掘方法相比,基于新结点相似性的方法是一个无参数的方法,它能自动地确定网络中模块的个数。使用它挖掘到的模块不仅与真实的功能模块结构获得更好的匹配,而且能有效克服生物网络不完备性的缺陷。与单尺度的方法相比,本文创新性地把模块多尺度概念引入到生物网络中蛋白质复合物和功能模块的挖掘,这种新的理念不仅能成功地预测蛋白质复合物及其层次特性,而且能从具体到一般的视角揭示功能模块的动态过程。(2)针对生物网络的不完备特性和基因共表达的不传递性,本文提出一种新的方法检测基因共表达网络中的功能模块。这种方法首先融合不同条件下基因共表达谱数据构建完备的基因共表达网络,随后使用最大团算法挖掘网络中的功能模块。这种新的方法与其它方法相比,预测的结果有较强的生物功能相似性。通过转录和调控关系分析,预测功能模块中的基因有较高的概率被同一个转录因子所调控,从而为构建基因调控网络提供丰富的结果。(3)传统的生物网络中功能模块的挖掘都是基于高聚合的模块结构是功能模块组织的唯一形式。然而,这个结论在生物网络中,特别是在蛋白质相互作用网络中存在可疑性。因此,我们发现一种与高聚合模块不同的bi-sparse模块,然后结合二叉树理论和矩阵论提出一种新的方法(bts方法)来挖掘两种类型的功能模块。bts方法在蛋白质相互作用网络中挖掘的高聚合模块和bi-sparse模块都组成功能单元。与其它的方法相比,bts方法具有良好的性能:一是不需要预先设置模块的个数;二是挖掘的高聚合模块和Bi-sparse模块都具有显著性的生物功能相似性。(4)我们把高聚合模块和Bi-sparse模块作为功能单元的组织形式共存于同一网络中,这一概念进行泛化。我们整理了四种类型共25个网络,用BTS方法对25个网络中的模块进行分析,结果发现:(a)Bi-sparse模块具有普遍性;(b)在社会网络中,Bi-sparse模块中的人们充当着经纪人的角色,负责协调不同群体之间的矛盾,促进信息、技术和知识的交流等作用;在计算机软件网络中,Bi-sparse模块中的结点具有相似的软件包属性;在生物复杂网络中,Bi-sparse模块中的蛋白质或基因具有显著性的功能相似性;(c)复杂网络中的Bi-sparse模块拥有一些特性:一是Bi-sparse模块和高聚合模块相比,Bi-sparse模块含有的结点较少;二是Bi-sparse模块在不同类型的网络中,具有一定的偏好性;最后,存在复杂网络中的Bi-sparse模块有两种明显的拓扑结构。
【学位授予单位】:上海交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:O157.5

【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 王红;王希诚;;随机走步软聚类识别蛋白质网交叠功能模块[J];计算机工程与应用;2011年09期
2 王宁生;;教学媒体资源管理系统的功能模块[J];科技信息;2012年08期
3 ;国外撷英[J];今日科技;1996年04期
4 丁德武;;酵母蛋白网络的功能模块与关键蛋白研究[J];计算机与应用化学;2012年03期
5 ;封面说明[J];遗传;2014年02期
6 马念;;学生信息管理系统的设计与实现[J];高等函授学报(自然科学版);2006年S1期
7 张汉君,魏炜,柳辉;高校学生收费系统的开发[J];新疆大学学报(理工版);2001年02期
8 陈宪章;程静;;浅议房产测绘制图、面积分摊系统的开发[J];现代测绘;2007年05期
9 刘节明;;Geomedia功能模块应用于地面信息系统[J];油气田地面工程;2014年07期
10 任鸣鸣,任汴,汤跃明;提高管理信息系统可重用性的一种设计方法[J];河南师范大学学报(自然科学版);1995年04期
中国重要会议论文全文数据库 前9条
1 张娣;金周;;能源管理分析预测功能模块[A];第十一届全国自动化应用技术学术交流会论文集[C];2006年
2 覃如贤;;电子商务网站重要功能模块的设计和实现[A];2011高等职业教育电子信息类专业学术暨教学研讨会论文集[C];2011年
3 侯永恒;杨建平;;“围术期液体管理”软件的研制和应用[A];2008年第七次华东六省一市麻醉学学术会议暨浙江省麻醉学术年会论文汇编(下册)[C];2008年
4 余紫莹;纪伟;杨军;邱小军;;用于导盲系统的定位功能模块实现[A];中国声学学会2009年青年学术会议[CYCA’09]论文集[C];2009年
5 廖锦川;;小型机载数据采集系统[A];加入WTO和中国科技与可持续发展——挑战与机遇、责任和对策(下册)[C];2002年
6 付举磊;;城市消防空间决策支持系统设计与实现[A];第七届中国通信学会学术年会论文集[C];2010年
7 徐加豹;蔡浩洋;张义正;李校;;基于基因网络预测哺乳动物线粒体蛋白质的功能[A];中国遗传学会第八次代表大会暨学术讨论会论文摘要汇编(2004-2008)[C];2008年
8 李旭;;服装CAD的技术现状和评价体系[A];2005现代服装纺织高科技发展研讨会论文集[C];2005年
9 孙大巍;姜显景;刘绍岭;曾艳彬;;多功能钻井船大型功能模块结构设计[A];第十四届中国科协年会第5分会场:绿色船舶与海洋装备创新发展及产业化论坛论文集[C];2012年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 魏小猛 郭宏伦 袁昌平;耦合:模块化编组的关键[N];中国国防报;2011年
2 金声 车志阳 闫睿 记者 姜雪松;机器人变“工种”只需换个“芯”[N];哈尔滨日报;2012年
3 记者 曾庆斌 杨珂;河南联通信息下乡工作获肯定[N];人民邮电;2009年
4 本报记者 小白;用行动书写ERP的外延[N];计算机世界;2003年
5 贾明;看清云中CRM的“本”与“末”[N];中华合作时报;2012年
6 凡晓芝;把管理软件当冰箱卖?[N];计算机世界;2005年
7 那宝魁;ERP与ISO9001的关系[N];中国冶金报;2005年
8 海文;未来电脑:您怎么想 我就怎么做[N];中国工商报;2001年
9 ;IDC系统架构中的功能模块[N];网络世界;2001年
10 伍粮壹;国际包裹退费支局统版系统的操作规程[N];中国邮政报;2009年
中国博士学位论文全文数据库 前4条
1 杨雷;基于网络拓扑的蛋白质互作预测及相关内容的研究[D];哈尔滨工业大学;2014年
2 焦清局;生物复杂网络中功能模块的挖掘[D];上海交通大学;2015年
3 李敏;蛋白质网络中复合物和功能模块挖掘算法研究[D];中南大学;2008年
4 曹英秀;大肠杆菌底盘细胞模块化合成烃醇类燃料[D];天津大学;2014年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 张慧;基于互联网的小学学习平台设计与实现[D];华中师范大学;2015年
2 刘春英;工程机械制造企业资产管理系统(EAM)的开发与实现[D];山东大学;2015年
3 明卿枢;铁路建设工程项目管理系统的设计和实现[D];电子科技大学;2015年
4 刘科;基于C/S的局域网内远程控制系统的设计与实现[D];电子科技大学;2015年
5 李姗;基于.NET的TER数据处理分析软件设计与实现[D];大连交通大学;2015年
6 吴欢;智能手机导航系统设计与实现[D];电子科技大学;2014年
7 宁小波;送变电工程项目管理系统的设计与实现[D];电子科技大学;2014年
8 魏吉光;中国移动BBOSS CRM的设计与实现[D];电子科技大学;2013年
9 谭楷祥;基于微信公众平台的点餐系统的设计与实现[D];南京大学;2014年
10 李黎;静海供电固定资产管理系统设计与实现[D];电子科技大学;2014年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026