醫(yī)學數(shù)據(jù)挖掘網(wǎng)絡分析專家講座

生物網(wǎng)絡數(shù)據(jù)取得與分析徐娟Email：xujuan8475@163.com生物信息教研室分子學館106辦公室醫(yī)學數(shù)據(jù)挖掘網(wǎng)絡分析第1頁生物分子網(wǎng)絡概述生物分子網(wǎng)絡分析生物分子網(wǎng)絡重構和應用醫(yī)學數(shù)據(jù)挖掘網(wǎng)絡分析第2頁引言網(wǎng)絡是復雜系統(tǒng)存在普遍形式鐵路交通網(wǎng)社會關系網(wǎng)…醫(yī)學數(shù)據(jù)挖掘網(wǎng)絡分析第3頁生物分子網(wǎng)絡是指生命系統(tǒng)中形態(tài)與功效上特化細胞集團之間，以及各種生物大分子在組合上相互關聯(lián)結(jié)構形式。圖作為基本工具用來強調(diào)相互作用并直觀表示復雜節(jié)點代表生物分子，邊代表他們之間在生命過程中某種關系醫(yī)學數(shù)據(jù)挖掘網(wǎng)絡分析第4頁醫(yī)學數(shù)據(jù)挖掘網(wǎng)絡分析第5頁網(wǎng)絡基本概念網(wǎng)絡定義以圖G=(V,E)表示網(wǎng)絡，其中：V是網(wǎng)絡節(jié)點集合，每個節(jié)點代表一個要分析對象；E是邊集合，每條邊代表節(jié)點之間相互關系。無向網(wǎng)絡有向網(wǎng)絡醫(yī)學數(shù)據(jù)挖掘網(wǎng)絡分析第6頁加權網(wǎng)絡與等權網(wǎng)絡二分網(wǎng)絡第三期生物信息學培訓班年8月中國·哈爾濱醫(yī)學數(shù)據(jù)挖掘網(wǎng)絡分析第7頁網(wǎng)絡表示方式AEABADAFAGFGDCBCABCDEFGA0101111B1010000

C0101000

D1010000

E1000000

F1000001

G1000010

邊對：矩陣：醫(yī)學數(shù)據(jù)挖掘網(wǎng)絡分析第8頁網(wǎng)絡表示方式列表式基因1 基因2 邊權重基因1 基因3 邊權重……基因n-1 基因n邊權重矩陣式0-1矩陣權重矩陣醫(yī)學數(shù)據(jù)挖掘網(wǎng)絡分析第9頁醫(yī)學數(shù)據(jù)挖掘網(wǎng)絡分析第10頁二、基因調(diào)控網(wǎng)絡(一)基因調(diào)控檢測技術2.ChIP-chip芯片技術

1.

染色質(zhì)免疫沉淀技術(chromatinImmunoprecipitation,ChIP)

Node:TFandgenes,Edge:regulationrelationships,Directed醫(yī)學數(shù)據(jù)挖掘網(wǎng)絡分析第11頁醫(yī)學數(shù)據(jù)挖掘網(wǎng)絡分析第12頁三、蛋白質(zhì)互作網(wǎng)絡醫(yī)學數(shù)據(jù)挖掘網(wǎng)絡分析第13頁三、蛋白質(zhì)互作網(wǎng)絡(一)蛋白質(zhì)互作檢測技術1.免疫共沉淀技術（co-immunoprecipitation）

醫(yī)學數(shù)據(jù)挖掘網(wǎng)絡分析第14頁2.酵母雙雜交（yeasttwohybrid，Y2H）

Node:proteins,Edge:interactionrelationships,Un-directed醫(yī)學數(shù)據(jù)挖掘網(wǎng)絡分析第15頁醫(yī)學數(shù)據(jù)挖掘網(wǎng)絡分析第16頁蛋白質(zhì)互作數(shù)據(jù)庫1.HPRD數(shù)據(jù)庫

/數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫僅收錄人類數(shù)據(jù)，是一個包含了蛋白注釋信息，蛋白轉(zhuǎn)錄后修飾以及蛋白互作等各種信息人類綜合性數(shù)據(jù)庫。

第三期生物信息學培訓班年8月中國·哈爾濱醫(yī)學數(shù)據(jù)挖掘網(wǎng)絡分析第17頁四、代謝網(wǎng)絡和信號轉(zhuǎn)導網(wǎng)絡代謝通路

是指細胞中代謝物在酶作用下轉(zhuǎn)化為新代謝物過程中所發(fā)生一系列生物化學反應。信號轉(zhuǎn)導

是指細胞將一個類型生物信號或刺激轉(zhuǎn)換為其它生物信號最終激活細胞反應過程。第三期生物信息學培訓班年8月中國·哈爾濱醫(yī)學數(shù)據(jù)挖掘網(wǎng)絡分析第18頁醫(yī)學數(shù)據(jù)挖掘網(wǎng)絡分析第19頁SignaltransductionnetworkNode:proteins,signalmolecules,Edge:interactionrelationships,醫(yī)學數(shù)據(jù)挖掘網(wǎng)絡分析第20頁醫(yī)學數(shù)據(jù)挖掘網(wǎng)絡分析第21頁Metabolicnetwork醫(yī)學數(shù)據(jù)挖掘網(wǎng)絡分析第22頁醫(yī)學數(shù)據(jù)挖掘網(wǎng)絡分析第23頁網(wǎng)絡生物學--經(jīng)過分析各種生物分子網(wǎng)絡拓撲和動態(tài)特征來研究細胞內(nèi)部組織形式、進化和功效等醫(yī)學數(shù)據(jù)挖掘網(wǎng)絡分析第24頁生物分子網(wǎng)絡概述生物分子網(wǎng)絡分析網(wǎng)絡拓撲屬性無標度網(wǎng)絡功效模塊分析生物分子網(wǎng)絡重構和應用醫(yī)學數(shù)據(jù)挖掘網(wǎng)絡分析第25頁一、網(wǎng)絡拓撲屬性連通度（degree）節(jié)點v連通度是指網(wǎng)絡中直接與v相連邊數(shù)目。對于有向網(wǎng)絡往往還要區(qū)分邊方向，由節(jié)點v發(fā)出邊數(shù)目稱為節(jié)點v出度，指向節(jié)點v邊數(shù)則稱為節(jié)點v入度。節(jié)點A連通度為3

節(jié)點A入度為1，出度為2

醫(yī)學數(shù)據(jù)挖掘網(wǎng)絡分析第26頁連通度應用Barabásietal醫(yī)學數(shù)據(jù)挖掘網(wǎng)絡分析第27頁Hubnodes醫(yī)學數(shù)據(jù)挖掘網(wǎng)絡分析第28頁(二)聚類系數(shù)（clusteringcoefficient）無向網(wǎng)絡中

有向網(wǎng)絡中

第三期生物信息學培訓班年8月中國·哈爾濱醫(yī)學數(shù)據(jù)挖掘網(wǎng)絡分析第29頁醫(yī)學數(shù)據(jù)挖掘網(wǎng)絡分析第30頁疾病基因與藥品靶點距離醫(yī)學數(shù)據(jù)挖掘網(wǎng)絡分析第31頁醫(yī)學數(shù)據(jù)挖掘網(wǎng)絡分析第32頁醫(yī)學數(shù)據(jù)挖掘網(wǎng)絡分析第33頁醫(yī)學數(shù)據(jù)挖掘網(wǎng)絡分析第34頁醫(yī)學數(shù)據(jù)挖掘網(wǎng)絡分析第35頁案例：利用cytoscape軟件分析癌癥基因網(wǎng)絡拓撲屬性取得癌癥基因互作網(wǎng)絡將網(wǎng)絡導入到cytocape網(wǎng)絡可視化分析軟件中選擇plugins->Networkanalysis->analyzenetworkCytoscape：

醫(yī)學數(shù)據(jù)挖掘網(wǎng)絡分析第36頁醫(yī)學數(shù)據(jù)挖掘網(wǎng)絡分析第37頁醫(yī)學數(shù)據(jù)挖掘網(wǎng)絡分析第38頁網(wǎng)絡拓撲分析：選擇analyzeNetwork計算節(jié)點度：選擇calculateNodeDegree醫(yī)學數(shù)據(jù)挖掘網(wǎng)絡分析第39頁醫(yī)學數(shù)據(jù)挖掘網(wǎng)絡分析第40頁二、無標度網(wǎng)絡無標度網(wǎng)絡定義是指網(wǎng)絡中連通度分布符合冪率分布，即P(k)~k-r網(wǎng)絡

A為隨機網(wǎng)絡，其連通度分布符合泊松分布，在大尺度情況下近似服從正態(tài)分布。B為無標度網(wǎng)絡，其連通度分布符合冪率分布，平均聚類系數(shù)函數(shù)曲線水平C為層次網(wǎng)絡，其連通度分布與符合冪率分布，平均聚類系數(shù)與連通度倒數(shù)成正比醫(yī)學數(shù)據(jù)挖掘網(wǎng)絡分析第41頁癌癥基因網(wǎng)絡度分布醫(yī)學數(shù)據(jù)挖掘網(wǎng)絡分析第42頁無標度網(wǎng)絡形成生物模型醫(yī)學數(shù)據(jù)挖掘網(wǎng)絡分析第43頁三、生物分子網(wǎng)絡模塊性網(wǎng)絡中由許多分子相互結(jié)合形成，有著穩(wěn)定結(jié)構和功效復合體，稱為網(wǎng)絡“模塊”(module)。網(wǎng)絡模塊性指網(wǎng)絡間節(jié)點存在著內(nèi)部彼此高度連接子節(jié)點集合。由此，模塊化網(wǎng)絡連通更為緊密。類似概念：模塊（module）：簇（cluster）；小區(qū)（community）；子圖（subgraph）醫(yī)學數(shù)據(jù)挖掘網(wǎng)絡分析第44頁連通組分（connectedcomponents）模塊計算圖全部連通組分，即連通子圖。每個連通組分形成一個模塊。該網(wǎng)絡有兩個連通組分！第三期生物信息學培訓班年8月中國·哈爾濱醫(yī)學數(shù)據(jù)挖掘網(wǎng)絡分析第45頁完全圖模塊（Cliquesmodules）完全圖是每對節(jié)點都直接連接圖。在蛋白質(zhì)網(wǎng)絡中完全圖經(jīng)常對應蛋白質(zhì)混合物和共同功效。這種模塊也反應了共表示基因簇。醫(yī)學數(shù)據(jù)挖掘網(wǎng)絡分析第46頁社會網(wǎng)絡K-clique模塊社會網(wǎng)絡K-clique是全部結(jié)點間最短距離小于等于k圖。算法：設置參數(shù)k。計算網(wǎng)絡中全部最大社會網(wǎng)絡K-clique。每個k-clique形成一個模塊。3-clique醫(yī)學數(shù)據(jù)挖掘網(wǎng)絡分析第47頁案例：癌癥基因互作網(wǎng)絡功效模塊分析取得癌癥基因互作網(wǎng)絡將網(wǎng)絡導入到cytocape網(wǎng)絡可視化分析軟件中選擇plugins->cluster->communitycluster(Glay)點擊Createcluster按鈕，將得到結(jié)果點擊vivualizecl