×

用ASP学习信号网络的布尔逻辑模型。 (英语) Zbl 1330.92050

概述:布尔网络在系统生物学中提供了一种简单但功能强大的定性建模方法。然而,在大多数情况下,人工识别所研究系统的逻辑规则是遥不可及的。因此,从实验数据中自动推断布尔逻辑网络是该领域的一个基本问题。本文讨论了从描述伪稳态因果相互作用和磷酸化活动的先验知识网络学习的问题,即信号转导网络中即时早期响应的布尔逻辑模型。到目前为止,基本的优化问题已经通过数学规划方法和专用遗传算法的使用得到了解决。在最近的一项工作中,我们展示了随机方法在该领域的严重局限性,并建议考虑到更简单的问题设置,使用答案集编程(ASP)。在此,我们扩展了我们之前的工作,以考虑更现实的生物条件,包括数值数据集、反馈的存在在先验知识网络中以及多目标优化的必要性。为了应对这种扩展,我们提出了几个离散化方案,并详细阐述了我们以前的ASP编码。针对真实生物数据,我们评估了我们方法的性能生物信息学基于真实大规模先验知识网络的数值数据集。我们的编码和离散化方案的正确性在附录a-B中进行了讨论。

MSC公司:

92立方厘米 系统生物学、网络
68N17号 逻辑编程
PDF格式BibTeX公司 XML格式引用
全文: 内政部 哈尔

参考文献:

[1] Akutsu,T。;Kuhara,S。;O.丸山。;Miyano,S.,通过布尔模型下的战略基因中断和基因过度表达识别遗传网络,Theoret。计算。科学。,298,1235-251(2003年3月)·Zbl 1038.68090号
[2] Akutsu,T。;田村,T。;Horimoto,K.,使用观测数据完成网络,(算法学习理论(2009),施普林格:施普林格柏林,海德堡),126-140·Zbl 1262.68046号
[3] Apt,K.R。;van Emden,M.H.,对逻辑编程理论的贡献,J.ACM,29,3,841-862(1982)·Zbl 0483.68004号
[4] Banga,J.,《计算系统生物学中的优化》,BMC系统。生物,2,1,47(2008)
[5] Baral,C.,《知识表示、推理和陈述式问题解决》(2003),剑桥大学出版社·Zbl 1056.68139号
[6] Baral,C。;英国财政大臣。;Tran,N.公司。;Tran,北。;乔伊·A。;Berens,M.,《一种基于知识的信号网络表示和推理方法》,(第十二届分子生物学智能系统国际会议/第三届欧洲计算生物学会议论文集(ISMB'04/ECCB'04)(2004)),15-22
[7] 北卡罗来纳州贝雷斯托夫斯基。;Nakhleh,L.,《从时间序列数据推断布尔网络的方法评估》,《公共科学图书馆·综合》,8,6(2013),e66031
[8] Bollobás,B.,《组合数学:集合系统、超图、向量族和组合概率》(1986),剑桥大学出版社·Zbl 0595.05001号
[9] Calzone,L。;北卡罗来纳州查布里埃尔·里维尔。;Fages,F。;Soliman,S.,从时间逻辑属性的机器学习生物化学网络,(Priami,C.;Plotkin,G.,计算系统生物学汇刊VI。计算系统生物学汇刊VI,计算机科学讲义,第4220卷(2006),施普林格:施普林格-柏林,海德堡),68-94·Zbl 1136.92301号
[10] Cerami,E.G。;毛重,B.E。;Demir,E。;罗德琴科夫,I。;O.巴布尔。;N.安瓦尔。;北卡罗来纳州舒尔茨。;巴德,G.D。;Sander,C.,Pathway Commons,生物途径数据网络资源,核酸研究,39,数据库问题(2011),D685-D690
[11] 科莱,G。;Eveillard,D。;Gebser,M。;Prigent,S。;Schaub,T.等人。;西格尔,A。;Thiele,S.,使用答案集编程扩展Ectocarpus siliculosus的代谢网络,(Cabalar,P.;Son,T.,《第十二届逻辑编程和非单调推理国际会议论文集》(LPNMR’13)。《第十二届逻辑编程和非单调推理国际会议论文集》(LPNMR’13),《人工智能讲义》,第8148卷(2013),Springer-Verlag),245-256·Zbl 1405.68046号
[12] 科尔布林,F。;Fanchon,E。;Trilling,L.,《形式化方法在解读离散遗传网络中的应用》,BMC Bioninform。,11, 1, 385 (2010)
[13] 科尔布林,F。;Fanchon,E。;特里林,L。;Chaouiya,C。;Thieffry,D.,《从不完整的基因相互作用和表达数据自动推断调控和动力学特性》,(Lones,M.;Smith,S.;Teichmann,S.,Naef,F.;Walker,J.;Trefzer,M.,《细胞和组织中的信息处理》,《计算机科学讲义》,第7223卷(2012),施普林格:施普林格柏林,海德堡),25-30
[14] Durzinsky,M。;马尔万,W。;奥斯特罗斯基,M。;Schaub,T。;Wagler,A.,使用ASP的自动网络重建,理论与实践。日志。程序。,11, 749-766 (2011) ·Zbl 1219.92020号
[15] 费鲁佐夫,T。;De Cock,M。;科内利斯,C。;Vermeir,D.,用答案集编程建模蛋白质相互作用网络,(IEEE生物信息学和生物医学国际会议(2009年))。(IEEE国际生物信息学和生物医学会议(2009年)),BIBM’09,99-104(2009年11月)
[16] 费鲁佐夫,T。;詹森,J。;Vermeir,D。;科内利斯,C。;Cock,M.D.,《用答案集编程模拟基因和蛋白质调控网络》,《国际期刊数据最小生物信息》。,5, 2, 209-229 (2011)
[17] Folschette,M。;Paulevé,L。;井上,K。;Magnin,M。;Roux,O.,《将过程具体化为生物调控网络》,(Gilbert,D.;Heiner,M.,《系统生物学中的计算方法》,系统生物学的计算方法,LNCS(2012),Springer:Springer Berlin,Heidelberg),166-186
[18] Freitas,A.A.,《数据挖掘中多目标优化的批判性评论》,ACM SIGKDD Explor。新闻。,6、2、77(2004年12月)
[19] 加洛,G。;朗戈,G。;帕洛蒂诺,S。;Nguyen,S.,有向超图和应用,离散应用。数学。,177-201年第42期,第2-3期(1993年)·Zbl 0771.05074号
[20] Gebser,M。;考夫曼,B。;Neumann,A。;Schaub,T.,CLASP:冲突驱动的答案集求解器,(Baral,C.;Brewka,G.;Schlipf,J.,《第九届逻辑编程和非单调推理国际会议论文集》(LPNMR’07)。第九届逻辑编程和非单调推理国际会议论文集(LPNMR'07),人工智能讲义,第4483卷(2007),Springer-Verlag,260-265
[21] Gebser,M。;卡明斯基,R。;奥斯特罗斯基,M。;Schaub,T。;Thiele,S.,《关于ASP grounder Gringo的输入语言》,(Erdem,E.;Lin,F.;Schaub,T.,《第十届逻辑编程和非单调推理国际会议论文集》(LPNMR’09)。《第十届逻辑编程和非单调推理国际会议论文集》(LPNMR’09),《人工智能课堂讲稿》,第5753卷(2009),斯普林格·弗拉格出版社,502-508
[22] Gebser,M。;古齐奥洛夫斯基,C。;伊万奇夫,M。;Schaub,T.等人。;西格尔,A。;Thiele,S。;Veber,P.,《具有答案集编程的大型生物网络中的修复和预测(不一致情况下)》,(Lin,F.;Sattler,U.,《第十二届知识表示和推理原理国际会议论文集》(KR’10)(2010),AAAI出版社),497-507
[23] Gebser,M。;卡明斯基,R。;Schaub,T.,《答案集编程中的复杂优化》,理论与实践。日志。程序。,11, 4-5, 821-839 (2011) ·Zbl 1222.68059号
[24] Gebser,M。;Schaub,T.等人。;Thiele,S。;Veber,P.,《用答案集编程检测大型生物网络中的不一致性》,理论与实践。日志。程序。,11, 2-3, 323-360 (2011) ·Zbl 1220.68036号
[25] Gebser,M。;卡明斯基,R。;考夫曼,B。;Schaub,T.,《实践中的答案集求解》。《人工智能和机器学习综合讲座》(2012年),Morgan和Claypool出版社
[26] Gebser,M。;考夫曼,B。;Schaub,T.,《带卡环的多线程ASP求解》,理论与实践。日志。程序。,12, 4-5, 525-545 (2012) ·Zbl 1260.68061号
[27] 盖尔方德,M。;Lifschitz,V.,《逻辑编程的稳定模型语义》(The stable model semantics for logic programming),(Kowalski,R.;Bowen,K.,《第五届逻辑编程国际会议和研讨会论文集》(ICLP'88)(1988),麻省理工学院出版社,1070-1080
[28] 格林伯格,H.J。;哈特·W·E。;Lancia,G.,《计算生物学中组合优化的机会》,INFORMS J.Comput。,16、3、211-231(2004年6月)·Zbl 1239.90003号
[29] 古齐奥洛夫斯基,C。;基塔斯,A。;迪特曼,F。;Grabe,N.,将生长因子刺激与功能细胞状态变化联系起来的因果网络的自动生成,FEBS J.,279,18,3462-3474(2012)
[30] 古齐奥洛夫斯基,C。;维德拉,S。;Eduate,F。;Thiele,S。;科克莱尔,T。;西格尔,A。;Saez-Rodriguez,J.,《使用答案集编程详尽描述信令网络的可行逻辑模型》,生物信息学(2013年),出版社,http://dx.doi.org/10.1093/bioinformatics/btt393
[31] Handl,J。;Kell博士。;Knowles,J.,《生物信息学和计算生物学中的多目标优化》,IEEE/ACM Trans。计算。生物信息学。,4、2、279-292(2007年4月)
[32] Ideker,T.E。;托尔森,V。;Karp,R.M.,《通过扰动发现调节相互作用:推理和实验设计》,太平洋。交响乐团。生物计算。,305-316(2000年)
[33] Inoue,K.,布尔网络的逻辑编程,(Walsh,T.,《第二十二届国际人工智能联合会议论文集》(IJCAI'11)。IJCAI/AAAI(2011)),924-930
[34] 卡明斯基,R。;Schaub,T。;西格尔,A。;Videla,S.,《逻辑信号网络中的最小干预策略与答案集编程》,理论与实践。日志。程序。,13, 4-5, 675-690 (2013) ·Zbl 1286.68048号
[35] Kanehisa,M。;Goto,S。;Furumichi,M。;Tanabe,M。;Hirakawa,M.,KEGG,关于涉及疾病和药物的分子网络的表示和分析,核酸研究,38,数据库问题(2010年1月),D355-D360
[36] Kauffman,S.,随机构建遗传网络中的代谢稳定性和表观发生,J.Theoret。生物学,22,3437-467(1969年2月)
[37] 克拉姆特,S。;Saez-Rodriguez,J。;林德奎斯特,J。;西蒙尼,L。;Gilles,E.,《信号和调节网络的结构和功能分析方法》,BMC Bioninform。,7,1,56(2006年)
[38] 克拉姆特,S。;豪斯,U.-U。;Theis,F.J.,超图和蜂窝网络,《公共科学图书馆·计算》。生物,5,5,e1000385(2009)
[39] Liang,S。;Fuhrman,S。;Somogyi,R.,REVEAL,遗传网络结构推理的通用逆向工程算法,Pac。交响乐团。生物计算。,3, 19-29 (1998)
[40] Macnamara,A。;特尔夫,C。;亨利克斯,D。;伯纳贝,B.P。;Saez-Rodriguez,J.,《信号转导逻辑模型的状态时间谱》,《物理学》。生物学,9,4,045003(2012年8月)
[41] 马勒,R.T。;Arora,J.S.,工程多目标优化方法综述,结构。多磁盘。最佳。,26、6、369-395(2004年4月)·Zbl 1243.90199号
[42] McCluskey,E.J.,布尔函数最小化,贝尔系统。《技术杂志》(1956)
[43] 米索斯,A。;梅拉斯,I。;Siminelakis,P。;Chareakaki,A。;萨兹·罗德里格斯,J。;Alexopoulos,L.G.,《利用磷蛋白组数据的整数线性规划优化公式通过通路改变识别药物效应》,PLoS Compute。生物,5,12,e1000591(2009年9月)
[44] 莫里斯,M。;Saez-Rodriguez,J。;Sorger,P。;Lauffenburger,D.A.,基于逻辑的细胞信号网络分析模型,生物化学,49,15,3216-3224(2010)
[45] 帕帕西奥多罗,I。;齐姆,M。;维瑟,D。;Alic,N。;帕特里奇。;Thornton,J.M.,《使用答案集编程将RNA表达与信号通路信息集成以推断突变如何影响衰老》,《公共科学图书馆·综合》,7,12,e50881(2012年12月)
[46] Paulevé,L。;Richard,A.,基于交互图的布尔网络静态分析:一项调查,《理论计算机科学电子笔记》,28493-104(2012年6月)·兹比尔1283.92044
[47] 普里尔·R·J。;Saez-Rodriguez,J。;Alexopoulos,L.G。;Sorger,P.K。;Stolovitzky,G.,众包网络推断:DREAM预测信号网络挑战,科学。信号。,4、189、mr7(2011年9月)
[48] O·雷。;Soh,T.,使用基于ASP的方法分析路径,(代数和数字生物学(2012))·Zbl 1349.92056号
[50] 雷米,E。;Ruet,P。;Thieffry,D.,《布尔动力学框架中多稳态和吸引循环的图形要求》,《应用进展》。数学。,41, 3, 335-350 (2008) ·Zbl 1169.05333号
[51] 萨达特普尔,A。;Albert,R.,《生物调控网络的布尔建模:方法教程》,方法(2012年11月)
[52] Saez-Rodriguez,J。;Alexopoulos,L.G。;Epperlein,J。;萨马加,R。;劳芬伯格博士。;克拉姆特,S。;Sorger,P.K.,离散逻辑建模作为将蛋白质信号网络与哺乳动物信号转导的功能分析联系起来的一种手段,Mol.Syst。《生物学》,5331(2009)
[53] 谢弗,C.F。;Anthony,K。;Krupa,S。;Buchoff,J。;Day,M。;Hannay,T。;Buetow,K.H.,《PID:通路相互作用数据库》,《核酸研究》,37(2009),(数据库问题),D674-D679
[54] Schaub,T。;Thiele,S.,《利用ASP进行代谢网络扩展》,(Hill,P.;Warren,D.,《第二十五届逻辑编程国际会议论文集》(ICLP'09)。《第二十五届逻辑程序设计国际会议论文集》(ICLP’09),计算机科学讲义,第5649卷(2009),Springer-Verlag),312-326
[55] 沙兰,R。;Karp,R.M.,重构信号的布尔模型,(计算分子生物学研究(2012),施普林格:施普林格柏林,海德堡),261-271
[56] 施穆列维奇,I。;多尔蒂,E.R。;Kim,S。;张伟,概率布尔网络:基因调控网络的基于规则的不确定性模型,生物信息学,18,2,261-274(2002年1月)
[57] 施穆列维奇,I。;萨里宁,A。;Yli-Harja,O。;Astola,J.,通过最佳扩展推断遗传调控网络,(Zhang,W.;Shmulevich,I.,基因组学的计算和统计方法(2003),Springer US),197-210
[58] 斯特林,J。;美国绍尔。;扎拉西,Z。;Doyle,F。;Doyle,J.,细胞功能的鲁棒性,细胞,118,6,675-685(2004)
[59] 特夫,C.D.A。;科克莱尔,T。;亨利克斯,D。;Macnamara,A。;Gonçalves,E。;莫里斯,M。;范·埃尔塞尔,M。;劳芬伯格博士。;Saez-Rodriguez,J.,CellNOptR:一个使用多种逻辑形式将蛋白质信号网络训练为数据的灵活工具包,BMC系统。生物学,6,1,133(2012年10月)
[60] Thomas,R.R.,遗传控制电路的布尔形式化,J.Theoret。生物学,42,3563-585(1973年11月)
[61] Thomas,R.,《被视为异步自动机的监管网络:逻辑描述》,J.Theoret。生物学,153,1,1-23(1991)
[62] 维德拉,S。;古齐奥洛夫斯基,C。;Eduate,F。;Thiele,S。;格拉贝,N。;Saez-Rodriguez,J。;Siegel,A.,《用ASP重新审视蛋白质信号网络的逻辑模型训练》,(Gilbert,D.;Heiner,M.,《系统生物学中的计算方法》,系统生物学的计算方法,LNCS(2012),Springer:Springer-Berlin,Heidelberg),342-361
[63] 王,R.-S.R。;Saadatpour,A.A。;Albert,R.R.,《系统生物学中的布尔建模:方法和应用概述》,Phys。生物学,9,5(2012年9月)
此参考列表基于出版商或数字数学图书馆提供的信息。其项与zbMATH标识符进行启发式匹配,可能包含数据转换错误。在某些情况下,zbMATH Open的数据对这些数据进行了补充/增强。这试图尽可能准确地反映原始论文中列出的参考文献,而不要求完整或完全匹配。