構造列挙と最適化に基づく化合物と代謝ネットワークの解析法

基于结构枚举和优化的化合物和代谢网络分析方法

• 批准号: 13J02920
• 负责人: 趙 楊
• 金额: $ 1.32万
• 依托单位: Kyoto University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2013
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2013 至 2014
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-13J02920/
• 关键词: 代謝ネットワーク頑健性; weighted-FBID; 線形SVM; 学習的FBID; 遺伝子ノックアウト; 複数木圧縮; 整数計画法; 木状化合物の列挙; 幅優先探索順; 探索空間; FBID; 代謝ネットワークの頑健性; 線形計画法

本研究は計画の通り、現在までに(1)「大規模代謝ネットワークの頑健性のモデル化」の引き続きとして、機械学習による新たな解析手法の提案・実装を行った。(2)「整数計画法による木の分割型文法圧縮」を改良するために、効率の良い新たな解析手法の提案・実装・計算機実験・論文化を行った。(1)に関しては、代謝ネットワークの頑健性解析における提案した指標FBIDを改良し、新指標のweighted-FBID及び学習的FBIDを提案した。改良した指標weighted-FBIDについて、ネットワークのcentrality及びbetweennessの概念を導入し、それぞれのcentrality-FBID及びbetweenness-FBIDを定義した。更に線形SVMを用いて交差検証法によるFBIDを学習し、新たな学習的FBIDを提案した。計算機実験として、実際の代謝ネットワークデータを用いて遺伝子ノックアウトによる改良した指標を計算し、各遺伝子の重要度の予測を行った。(2)に関しては、生体内の異なる化合物の共通構造探索のために、与えられた複数の順序木及び無順序木に対してそれらの木のみ全てを生成するような最小の文法を見つける問題を考えた。そのために現在まで提案した整数計画法を改良し、複数の木構造的データに対する効率の良い圧縮法を提案した。生体内で細胞接着や抗原抗体反応などに重要な役割を果たす糖鎖などの木構造データを無順序木として計算機実験を行い、興味深い結果を得た。順序木に対しては異なるファミリからRNA二次構造を選択し、計算機実験を行った。更に過去に提案した手法との比較を行い、本研究で提案した複数木圧縮法の正確性及び効率性を検証した。以上の(1)の研究に対してはより多くの計算機実験を行い、改良した指標の評価及び論文化をする予定である。(2)の研究成果をまとめて論文を作成し、論文誌に投稿した。

按照计划，本研究迄今为止提出并实施了一种使用机器学习的新分析方法，作为（1）“大规模代谢网络的鲁棒性建模”的延续。 (2)为了改进“使用整数规划的树分割语法压缩”，我们提出、实现、计算机试验并发表了一种新的高效分析方法。关于（1），我们改进了所提出的用于代谢网络鲁棒性分析的指标FBID，并提出了新的指标加权FBID和学习FBID。针对改进的指标加权FBID，引入了网络中心性和介数的概念，并分别定义了中心性-FBID和介数-FBID。此外，我们使用线性 SVM 的交叉验证方法来学习 FBID，并提出了一种新的学习 FBID。作为计算机实验，我们使用实际的代谢网络数据计算了基于基因敲除的改进指数，并预测了每个基因的重要性。关于（2），为了寻找生物体中不同化合物的共同结构，问题是找到在给定多个有序和无序树的情况下仅生成所有有序和无序树的最小语法。为此，我们改进了迄今为止提出的整数规划方法，并提出了一种针对多个树结构数据的高效压缩方法。我们利用无序树，利用在细胞粘附和体内抗原抗体反应中发挥重要作用的糖链等树结构数据进行了计算机实验，并获得了有趣的结果。对于有序树，我们选择了来自不同家族的RNA二级结构并进行了计算机实验。此外，我们通过与先前提出的方法进行比较，验证了本研究中提出的多树压缩方法的准确性和效率。对于上述（1）的研究，我们计划进行更多的计算机实验，评估改进的指标，并以论文形式发表。总结(2)中的研究结果撰写了一篇论文并提交给期刊。

项目成果

Grammar-based compression for multiple trees using integer programming

使用整数规划对多树进行基于语法的压缩

• 发表时间: 2014
• 作者: Y. Zhao;M. Hayashida;J. Jindalertudomdee;H. Nagamochi and T. Akutsu;趙楊
• 通讯作者: 趙楊

Breadth-first search approach to enumeration of tree-like chemical compounds

树状化合物枚举的广度优先搜索方法

• DOI: 10.1142/s0219720013430075
• 发表时间: 2013
• 期刊: Journal of Bioinformatics and Computational Biology
• 影响因子: 1
• 作者: Y. Zhao;M. Hayashida;J. Jindalertudomdee;H. Nagamochi and T. Akutsu
• 通讯作者: H. Nagamochi and T. Akutsu

Enumeration of tree-like compounds in breadth first search order

按广度优先搜索顺序枚举树状化合物

• 发表时间: 2013
• 作者: Y. Zhao;M. Hayashida;J. Jindalertudomdee;H. Nagamochi and T. Akutsu;趙楊;趙楊;趙 楊;趙 楊
• 通讯作者: 趙 楊