[發(fā)明專利]一種基于相似性和雙隨機(jī)游走的微生物?疾病關(guān)系預(yù)測方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201711293802.6
• 申請日: 2017-12-08
• 公開（公告）號: CN107887023A
• 公開（公告）日: 2018-04-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王建新;嚴(yán)承;張雅妍;李敏
• 申請（專利權(quán)）人: 中南大學(xué)
• 主分類號: G16H50/20
• 分類號: G16H50/20;G06F19/24
• 代理公司: 長沙市融智專利事務(wù)所43114
• 代理人: 楊萍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于系統(tǒng)生物學(xué)領(lǐng)域，涉及一種基于相似性和雙隨機(jī)游走的微生物-疾病關(guān)系預(yù)測方法。

背景技術(shù)

越來越多的研究表明微生物在許多人類復(fù)雜疾病中起著非常重要的作用。隨著目前下一代DNA測序技術(shù)的快速發(fā)展促進(jìn)了人類身體之間微生物與疾病關(guān)聯(lián)關(guān)系的發(fā)現(xiàn)，比如微生物群和各種癌癥疾病，心血管疾病，代謝綜合征(例如肥胖癥和糖尿病)，中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病和自身炎癥性疾病等。這些研究不但有助于對疾病機(jī)制的了解，也有利于對疾病的新治療和診斷方案的發(fā)展。比如，確認(rèn)糞便微生物群移植是治療梭菌感染的安全有效的治療方案，其通過重新引入正常的菌群到供體糞便，校正不平衡并重新建立正常的腸功能。所以對生物與疾病的關(guān)系的系統(tǒng)理解變得越來越緊迫。

目前普遍使用的是通過常規(guī)的基于實(shí)驗(yàn)的方法發(fā)現(xiàn)微生物與疾病的關(guān)系，其缺點(diǎn)是耗時(shí)且昂貴，同時(shí)也受到實(shí)驗(yàn)環(huán)境的限制，比如一些細(xì)菌不能在現(xiàn)有的種植實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行培養(yǎng)。與此同時(shí)，通過計(jì)算模型對微生物與疾病之間的關(guān)系進(jìn)行預(yù)測方式并沒有得到大力的應(yīng)用發(fā)展。到目前為止，很少有通過計(jì)算模型對微生物與疾病的關(guān)系進(jìn)行預(yù)測的方法出現(xiàn)。KATZHMDA方法是目前通過已知的微生物與疾病的關(guān)系來進(jìn)行預(yù)測新的微生物與疾病的關(guān)系的第一個(gè)模型，其通過集成疾病表征相似性、高斯核相似性以及微生物高斯核相似性，利用KATZ度信息來預(yù)測新的微生物與疾病的關(guān)系。當(dāng)前微生物在計(jì)算方面的研究，大都集中在微生物分類方面，而對其與疾病的關(guān)系的關(guān)注嚴(yán)重不夠。當(dāng)前對微生物與疾病的關(guān)系的計(jì)算預(yù)測模型的發(fā)展程度和預(yù)測結(jié)果還不足以讓生物實(shí)驗(yàn)人員認(rèn)識計(jì)算模型預(yù)測的有效性，并進(jìn)一步以此作為后續(xù)實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)。

受制于生物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的效率、通過計(jì)算模型預(yù)測微生物與疾病的關(guān)系的關(guān)注和進(jìn)展不夠以及其預(yù)測結(jié)果的有待進(jìn)一步提高，當(dāng)前對微生物與疾病的關(guān)系的系統(tǒng)理解還是有限的。迫切需要提出更加有效的預(yù)測模型，充分利用已有的生物信息，通過更加科學(xué)的方式發(fā)現(xiàn)新的微生物與疾病的關(guān)系，為后續(xù)其關(guān)系預(yù)測的研究奠定基礎(chǔ)，并進(jìn)一步為生物實(shí)驗(yàn)研究提供重要的基本依據(jù)。此外，隨著當(dāng)前計(jì)算生物學(xué)和下一代DNA測序技術(shù)的發(fā)展，了解到微生物對疾病的重要程度越來越高，進(jìn)而對微生物與疾病的關(guān)系預(yù)測模型的發(fā)展提出了緊迫的需求。因此，為了進(jìn)一步確認(rèn)微生物與疾病的關(guān)系的重要性，為后續(xù)其關(guān)系預(yù)測模型的發(fā)展和生物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證提供幫助，有必要設(shè)計(jì)一種有效的微生物疾病關(guān)聯(lián)關(guān)系預(yù)測的方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于相似性和雙隨機(jī)游走的微生物-疾病關(guān)系預(yù)測方法，能夠較準(zhǔn)確的預(yù)測微生物與疾病的關(guān)系，為后續(xù)其關(guān)系預(yù)測模型的發(fā)展提供基礎(chǔ)并進(jìn)一步有效的避免生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)所消耗的大量人力物力。

發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：

一種基于相似性和雙隨機(jī)游走的微生物-疾病關(guān)系預(yù)測方法,包括以下步驟：

步驟1：分別構(gòu)建疾病功能相似性矩陣D_funsim、疾病高斯核相似性矩陣K_GIP,d和微生物高斯核相似性矩陣K_GIP,m；

步驟2：集成疾病功能相似性矩陣D_funsim和疾病高斯核相似性矩陣K_GIP,d得到疾病最終相似性矩陣S_d；將微生物高斯核相似性矩陣K_GIP,m作為微生物最終相似性矩陣S_m；

步驟3：根據(jù)已知的微生物-疾病關(guān)系、微生物最終相似性矩陣S_m和疾病最終相似性矩陣S_d，構(gòu)建一個(gè)雙層的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，利用雙隨機(jī)游走方法對微生物-疾病對進(jìn)行關(guān)聯(lián)分?jǐn)?shù)預(yù)測；關(guān)聯(lián)分?jǐn)?shù)越大，則對應(yīng)的微生物-疾病對存在關(guān)系的可能性越大。

進(jìn)一步地，所述步驟1中，首先根據(jù)已知的疾病-基因關(guān)系和基因的功能相似性計(jì)算兩種疾病之間的功能相似性，然后由所有疾病兩兩之間的功能相似性構(gòu)建疾病功能相似性矩陣D_funsim；

對于任意兩種疾病A和B，其功能相似性計(jì)算公式如下：