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基因芯片聚類分析

      基因表達(dá)數(shù)據(jù)主要來自于兩個(gè)方面:(1)基因芯片,這是最主要的表達(dá)數(shù)據(jù)來源,利用基因芯片技術(shù)可以大規(guī)模并行獲取基因轉(zhuǎn)錄結(jié)果mRNA的數(shù)據(jù);(2)表達(dá)系列分析SAGE和差異顯示、蛋白質(zhì)芯片等是快速檢測蛋白質(zhì)及其含量的另一類技術(shù)。

      通過分析基因表達(dá)數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)與疾病直接相關(guān)的基因,以及發(fā)現(xiàn)這些基因的活動(dòng)規(guī)律。

      聚類分析是模式識別中一種非常有吸引力的方法,特別適用于模式分類數(shù)不知道的情況?;虮磉_(dá)數(shù)據(jù)聚類分析一般包括以下幾個(gè)步驟:(1)確定基因表達(dá)的數(shù)據(jù);(2)計(jì)算相似性矩陣,各個(gè)矩陣元素代表兩個(gè)基因的表達(dá)是否相似;(3)選擇算法進(jìn)行聚類分析;(4)顯示分析結(jié)果。對數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析之前,必須將包含在基因表達(dá)矩陣中的數(shù)據(jù)進(jìn)行相似程度分析,并且對分析結(jié)果進(jìn)行量化。通常情況下,相似往往被賦于一個(gè)較大的量化的值,而不相似則由一個(gè)較小的量化的值來表示。在實(shí)際計(jì)算中,往往以距離代替相似的概念,相似性度量被轉(zhuǎn)化為兩個(gè)基因表達(dá)模式之間的距離。距離越小,表達(dá)模式越相近,反之,則表達(dá)模式差異大。

表達(dá)模式的關(guān)系

圖1  表達(dá)模式的關(guān)系

 

      幾種常用的聚類方法:

      1、簡單聚類

      假設(shè)有n個(gè)基因,表達(dá)數(shù)據(jù)向量分別為X1, X2,…, XN;令任意一個(gè)基因的表達(dá)向量為第一個(gè)聚類的中心,依次處理其它基因。

      在處理第i個(gè)基因時(shí),首先計(jì)算該基因的表達(dá)數(shù)據(jù)向量與現(xiàn)有各類中心的距離;假設(shè)與第j類的距離Dij最小,并且Dij<T,則將基因i分配到第j類;否則生成一個(gè)新類,該類的中心為第i個(gè)基因的表達(dá)向量。

      2、層次式聚類

層次式聚類


      3、K平均聚類

      任意選取K個(gè)基因表達(dá)向量作為初始聚類中心

                   Z1, Z2,…, Zk

      反復(fù)迭代計(jì)算;如果||X-Zj(l)||< ||X-Zi(l)||(i=1,2,…,K,i?j),則將X所代表的基因歸于第j類。按照上述辦法處理所有的基因;經(jīng)過上述處理,聚類可能發(fā)生變化,因此需要重新計(jì)算K個(gè)新聚類中心:

K平均聚類

      對于所有的聚類中心,如果Zj(l+1)=Zj(l)(j=1,2,…,K),則迭代結(jié)束,得到最后的聚類結(jié)果;否則繼續(xù)進(jìn)行迭代計(jì)算。

      4、自組織映射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

SOM結(jié)構(gòu)圖

圖3  SOM結(jié)構(gòu)圖

SOM聚類結(jié)果

圖4  SOM聚類結(jié)果

 

      5、模糊聚類分析方法

      主要過程:

      (1)建立模糊相似矩陣

      (2)生成模糊等價(jià)矩陣

      (3)構(gòu)建動(dòng)態(tài)聚類圖

       6、聚類分析結(jié)果的樹圖表示

聚類分析結(jié)果樹圖

圖5  聚類分析結(jié)果樹圖

      基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)分析,一個(gè)基因網(wǎng)絡(luò)由一組生物分子(如基因、蛋白質(zhì))以及它們之間的相互作用構(gòu)成,這些生物分子共同完成一些特定的細(xì)胞功能任務(wù)。在實(shí)際分析過程中,往往以圖這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示基因網(wǎng)絡(luò),圖中的節(jié)點(diǎn)代表基因或者蛋白質(zhì),而節(jié)點(diǎn)之間的連線代表基因、蛋白質(zhì)之間的相互作用。基因網(wǎng)絡(luò)描述了特定細(xì)胞或組織中的功能路徑,如代謝、基因調(diào)控,信號傳導(dǎo)等。

      基因表達(dá)實(shí)際上是細(xì)胞、組織、器官受遺傳和環(huán)境影響的結(jié)果。一個(gè)基因的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)由細(xì)胞的生化狀態(tài)所決定,在一個(gè)基因的轉(zhuǎn)錄過程中,一組轉(zhuǎn)錄因子作用于該基因的啟動(dòng)子區(qū)域,控制該基因轉(zhuǎn)錄,而這些轉(zhuǎn)錄因子本身又是其它基因的產(chǎn)物。當(dāng)一個(gè)基因通過轉(zhuǎn)錄、翻譯形成功能基因產(chǎn)物后,它將改變細(xì)胞的生化狀態(tài),從而直接或間接地影響其它基因的表達(dá),甚至影響自身的表達(dá)。多個(gè)基因的表達(dá)不斷變化,使得細(xì)胞的生化狀態(tài)不斷地變化。

      一個(gè)基因的表達(dá)受其它基因的影響,而這個(gè)基因又會影響其它基因的表達(dá),這種相互影響、相互制約關(guān)系構(gòu)成了復(fù)雜的基因表達(dá)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)?;虮磉_(dá)數(shù)據(jù)之中隱含基因之間的相互作用關(guān)系,因而可以通過分析基因表達(dá)數(shù)據(jù),構(gòu)建基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。

幾種基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模型:

      1、布爾網(wǎng)絡(luò)模型

 

布爾網(wǎng)絡(luò)模型

圖6  布爾網(wǎng)絡(luò)模型

 

節(jié)點(diǎn)C真值表

表1  節(jié)點(diǎn)C真值表


作用規(guī)則與系統(tǒng)運(yùn)行軌跡

圖7  作用規(guī)則與系統(tǒng)運(yùn)行軌跡

 

布爾網(wǎng)絡(luò)模型狀態(tài)轉(zhuǎn)換

圖8  布爾網(wǎng)絡(luò)模型狀態(tài)轉(zhuǎn)換

 

      2、線性組合模型

      線性組合模型是一種連續(xù)網(wǎng)絡(luò)模型,在這種模型中,一個(gè)基因的表達(dá)值是若干個(gè)其它基因表達(dá)值的加權(quán)和?;颈硎拘问綖椋?/span>

線性組合模型


      3、加權(quán)矩陣模型

      加權(quán)矩陣模型與線性組合模型相似,在該模型中,一個(gè)基因的表達(dá)值是其它基因表達(dá)值的函數(shù)。

加權(quán)矩陣模型

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