[發(fā)明專利]基于多時(shí)滯因果熵的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法及系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010013036.9
• 申請(qǐng)日: 2020-01-06
• 公開（公告）號(hào): CN111223523B
• 公開（公告）日: 2023-10-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李敏;馮浩楠;鄭瑞清
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中南大學(xué)
• 主分類號(hào): G16B20/00
• 分類號(hào): G16B20/00;G16B45/00
• 代理公司: 長(zhǎng)沙正奇專利事務(wù)所有限責(zé)任公司 43113
• 代理人: 馬強(qiáng);王娟

1.一種基于多時(shí)滯因果熵的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法，其特征在于，包括以下步驟：

1)將輸入的時(shí)序基因表達(dá)數(shù)據(jù)根據(jù)時(shí)滯τ劃分成不同的時(shí)間窗口；

2)對(duì)劃分窗口后的t個(gè)時(shí)間片的基因表達(dá)數(shù)據(jù)，分別構(gòu)建t-τ個(gè)時(shí)間窗口下的時(shí)序基因表達(dá)矩陣，從t-τ到t-1的基因表達(dá)矩陣；

3)對(duì)t-τ個(gè)時(shí)間窗口下的時(shí)序基因表達(dá)矩陣中的每一個(gè)基因，目標(biāo)基因選擇t窗口下的表達(dá)譜，調(diào)控因子選擇t-τ窗口到t-1時(shí)間窗口下的表達(dá)譜，計(jì)算基因之間的多時(shí)滯轉(zhuǎn)移熵，得到基因相關(guān)性矩陣；

4)對(duì)基因相關(guān)性矩陣的全連通網(wǎng)絡(luò)，將邊聚類分成兩類，過(guò)濾掉低概率值的一類邊，對(duì)剩下的每一條邊，計(jì)算在不同條件基因下的多時(shí)滯因果熵，過(guò)濾掉最大因果熵低于閾值θ的間接調(diào)控的邊，得到最終的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多時(shí)滯因果熵的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法，其特征在于，步驟1)中，根據(jù)時(shí)滯τ劃分不同的時(shí)間窗口Gτ的表達(dá)式為：

其中，表示在時(shí)間窗口表達(dá)矩陣Gτ中基因N在樣本M時(shí)間窗口T下的表達(dá)值；T表示在哪個(gè)移動(dòng)時(shí)間窗口下的基因表達(dá)向量；N代表基因的下標(biāo)N∈基因的數(shù)目；M代表樣本細(xì)胞的下標(biāo)M∈樣本的數(shù)目。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多時(shí)滯因果熵的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法，其特征在于，步驟3)中，基因之間的多時(shí)滯轉(zhuǎn)移熵T_X→Y的計(jì)算公式為：

T_X→Y＝I(Y_t,X_t-1:t-τ|Y_t-1:t-τ)

＝H(Y_t|Y_t-1:t-τ)-H(Y_t|Y_t-1::t-τ,X_t-1:t-τ)；

其中I(Y_t,X_t-1:t-τ|Y_t-1:t-τ)代表Y_t，X_t-1:t-τ在條件變量Y_t-1:t-τ的條件互信息：

其中Px,y,z(x,y,z)代表聯(lián)合概率密度，Pz(z)代表邊際概率密度，Px,z(x,z)代表變量x，z之間的邊際概率密度；

X_t-1:t-τ表示基因x在t-1到t-τ時(shí)間窗口下的表達(dá)值，H(·|·)代表?xiàng)l件熵：

其中P(x,y)代表聯(lián)合概率，p(x)代表邊際概率密度。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多時(shí)滯因果熵的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法，其特征在于，步驟4)中，過(guò)濾掉最大因果熵低于閾值θ的間接調(diào)控的邊的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程包括：

1)對(duì)于基因相關(guān)性矩陣G_zero-order，過(guò)濾低表達(dá)值的邊，根據(jù)k-means將邊聚類分成兩簇，過(guò)濾掉低概率值的簇中的邊；所述基因相關(guān)性矩陣中的元素代表基因之間存在調(diào)控關(guān)系的概率；

2)基于路徑一致性算法過(guò)濾間接調(diào)控的邊，對(duì)過(guò)濾后的網(wǎng)絡(luò)中存在的每一條邊(X,Y)，如果存在邊(Y,Z)和邊(X,Z)對(duì)每一條邊存在的相鄰的點(diǎn)Z，視作條件基因，計(jì)算條件基因下的因果熵CE_X→Y|Z＝I(Y_t；X_t-1:t-τ|Z_t-1:t-τ)；

3)對(duì)基因X，Y的條件基因集合K∈{K₁,K₂,K₃…K_n}，過(guò)濾多個(gè)條件基因的最大的因果熵max_Z∈k{CE_X→Y|Z}小于閾值θ的邊。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多時(shí)滯因果熵的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法，其特征在于，閾值＝0.03。

6.一種基于多時(shí)滯因果熵的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建系統(tǒng)，其特征在于，包括以下步驟：

輸入單元，用于將輸入的時(shí)序基因表達(dá)數(shù)據(jù)根據(jù)時(shí)滯τ劃分成不同的時(shí)間窗口；

基因表達(dá)矩陣構(gòu)建單元，用于對(duì)劃分窗口后的t個(gè)時(shí)間片的基因表達(dá)數(shù)據(jù)，分別構(gòu)建t-τ個(gè)時(shí)間窗口下的時(shí)序基因表達(dá)矩陣，從t-τ到t-1的基因表達(dá)矩陣；

基因相關(guān)性矩陣構(gòu)建單元，用于對(duì)t-τ個(gè)時(shí)間窗口下的時(shí)序基因表達(dá)矩陣中的每一個(gè)基因，目標(biāo)基因選擇t窗口下的表達(dá)譜，調(diào)控因子選擇t-τ窗口到t-1時(shí)間窗口下的表達(dá)譜，計(jì)算基因之間的多時(shí)滯轉(zhuǎn)移熵，得到基因相關(guān)性矩陣；

聚類單元，用于對(duì)基因相關(guān)性矩陣的全連通網(wǎng)絡(luò)，將邊聚類分成兩類，過(guò)濾掉低概率值的一類邊，對(duì)剩下的每一條邊，計(jì)算在不同條件基因下的多時(shí)滯因果熵，過(guò)濾掉最大因果熵低于閾值θ的間接調(diào)控的邊，得到最終的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。