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生物通路智能搜索与可视化系统的设计与实现

生物通路智能搜索与可视化系统的设计与实现

作者：李建勋哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

生物通路中蕴含着生化反应机制、疾病致病机理以及生物大分子特性等丰富的生物学知识。随着生命科学领域的实验技术和方法的不断发展,越来越多的生物通路被发现。因此,如何使用计算机技术来对生物通路进行快速而准确的搜索和可视化,就... 详细信息

生物通路中蕴含着生化反应机制、疾病致病机理以及生物大分子特性等丰富的生物学知识。随着生命科学领域的实验技术和方法的不断发展,越来越多的生物通路被发现。因此,如何使用计算机技术来对生物通路进行快速而准确的搜索和可视化,就成为了一个亟待解决的科研问题。虽然现在已经有一些软件系统可以对通路进行搜索和可视化,但是现有的搜索与可视化方案仍然存在着一些问题。一方面,这些系统的搜索机制还不够智能,不能针对不同的用户给出不同的通路列表排序形式,也不能随着用户偏好的动态变化而对通路列表进行重新组织。另一方面,这些系统在对通路进行可视化时,通常仅是以图片的形式对通路进行展示,支持的交互功能非常有限。为了解决上述问题,本课题提出了一种针对通路的智能搜索方法,并在此基础上开发了通路搜索和可视化软件系统。本课题设计了基于多域特征的学习排序算法,用以完成生物通路的智能搜索任务。首先,通过对用户搜索生物通路的行为进行仿真,构造出仿真数据集,并在仿真过程中从自然语言、生物信息、历史行为相似度三个域中进行特征提取,使得仿真得到的数据集包含了更加丰富的特征信息。为了完成模型的在线训练,使用级联点击模型模拟了用户的在结果列表上的点击和浏览操作,并在这一基础上,使用成对微分梯度下降对模型进行在线优化,从而使模型具备从用户的搜索行为中不断学习和自我更新的能力。最终的实验结果证明,本课题设计的基于多域特征的学习排序算法,不但保证了模型可以为用户返回高质量的通路列表,也使得模型在收敛速度和稳定性方面有了更好的表现。最后,在上述工作的基础上,本课题设计和实现了通路搜索与可视化系统,该系统由搜索子系统和可视化子系统构成。通过从用户的行为中不断学习,搜索子系统可以为用户提供更加智能的通路搜索服务。可视化子系统以动态图的形式对通路进行可视化,并且提供丰富的交互功能,包括样式编辑、布局调整、信息获取、数据标注等。该系统可以为用户搜索和分析生物通路的过程提供极大地便利。

关键词：生物通路搜索仿真多域特征学习排序可视化

PathBubbles：生物通路的交互式可视化的研究与开发

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PathBubbles：生物通路的交互式可视化的研究与开发

作者：竺涌楠杭州电子科技大学

学位级别：硕士

随着生物技术的研究进展，产生了大量的生物通路数据和相关的实验数据。如何整合已有的生物信息数据来探索未知的生物通路信息，并且挖掘各种生物通路、各类物种之间的关系，正变得越来越重要。人类可以迅速地解释视觉信息，用综合的方... 详细信息

随着生物技术的研究进展，产生了大量的生物通路数据和相关的实验数据。如何整合已有的生物信息数据来探索未知的生物通路信息，并且挖掘各种生物通路、各类物种之间的关系，正变得越来越重要。人类可以迅速地解释视觉信息，用综合的方式来解释这些数据的可视化形式将极具价值。然而，人类的记忆力是有限的。目前的可视化工具也仅仅只是为用户提供有限的可以用来分析大而复杂的数据的浏览和操纵的能力，例如：许多的数据分析中间过程繁多，这就需要应用不同的窗口来展示不同的信息。因此，仍然不能有效地降低生物学家的记忆和工作负担。现存的生物信息数据库，譬如：Reactome、KEGG等尽管提供了丰富的数据，不过缺少一个用户友好的交互式可视化分析界面。另外，现有的许多生物通路的可视化分析工具，只能提供最为具体的生物通路的可视化结果，无法提供全局的视图，这导致生物研究者无法把握数据分析过程中全局的观念。针对上述问题，本文设计并实现了一个基于Web的关于生物通路的交互式可视化的分析系统——PathBubbles，PathBubbles系统最大的特点是把每一个窗口(功能视图)隐喻成一个气泡(Bubble)，并把静态的多视图展示扩展到气泡隐喻界面。气泡之间不会重叠只会合组(Group)和离组(UnGroup)，这样能够帮助用户方便且快速地切换视图，降低生物学家的记忆负担。针对生物通路的特点，该系统设计了生物通路图的可视化功能气泡，Sunburst可视化功能气泡，表格气泡，该系统能够帮助生物学家探索和解释生物通路中的潜在的信息。具体的可视化功能如下：（1）生物通路图可视化气泡：PathBubbles中的生物通路图不仅仅只是用节点和线来表示的网络图，而且创造性的在生物通路图中加入细胞区室的结构信息。这有利于生物学家找出生物通路中生物分子在细胞中的具体位置。另外，本文设计了一个在线编辑生物通路图的平台，方便生物学家编辑和改善生物通路图。（2）Sunburst可视化气泡：PathBubbles以Sunburst(环状层次图)的可视化形式整合Reactome现有的全部生物通路(417条)到一个Bubble中，并用颜色来映射生物学家感兴趣的信息，方便比较和查询。Sunburst可视化能够给生物学家提供一个生物通路图的全局关系信息，具体的每一条通路信息可通过查询生成新的子Sunburst可视化。这种从全局到局部的数据选择和处理，与生物学家的数据分析过程一致。（3）交互式表格的可视化气泡：生物通路的具体信息用生物学家最为熟悉的图标形式展示。图标的查询和排序的交互式操作可以帮助提高分析效率。综上所述，本文在可视化系统的气泡隐喻界面设计上，生物通路图的排列上，生物通路的可视化展现形式等方面取得了创新性进展。不同数据集之间的动态交互设计提高了生物学家对数据的探索和分析。

关键词：生物通路生物通路可视化交互式可视化界面设计

PBSK浏览器：四种XML格式的生物通路数据展示工具

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PBSK浏览器：四种XML格式的生物通路数据展示工具

作者：黄益灵浙江大学

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近年来生物技术的高速发展使得各种生物学数据量迅速增加,其中最为突出的便是生物网络的数据大规模的产生,为了有效地对这些数据进行合理的保存、共享,产生了多种用于存储生物通路数据的格式,其中用得最广泛的是几种XML格式,包括PSI-MI... 详细信息

近年来生物技术的高速发展使得各种生物学数据量迅速增加,其中最为突出的便是生物网络的数据大规模的产生,为了有效地对这些数据进行合理的保存、共享,产生了多种用于存储生物通路数据的格式,其中用得最广泛的是几种XML格式,包括PSI-MI格式、BioPAX格式、SBML格式和KGML格式等。这些格式具有整合性能高、便于移植、计算机阅读简单等优点,在数据库整合、可视化分析等多方面领域都有着重要的作用,但是同时也带来一个问题。由于它们是为计算机处理所设计的格式,对于人工来说变得较难理解,这给一些需要进行人工筛选的数据在处理上带来了麻烦。我们开发的PBSK浏览器能够将这四种XML格式的文件转化为人工可读形式,在不损失信息的前提下将文件中的所有数据完整的呈现出来。该浏览器主要采用前台的AJAX读取XML文件并在后台的处理器中进行转化处理,最终将数据交回AJAX并将数据以表格的形式展示。该浏览器提供两种显示模式：统计模式主要用于文件的统计分析,而细节模式则展示详细信息,用户可以根据研究需要进行选择。该浏览器利用树状图展示文件的数据结构,树状图中的每个分支都包括了节点的详细信息,可以方便查看。同时该浏览器提供交集统计和内链跳转功能,便于用户进行数据分析。

关键词： PBSK浏览器生物通路 XML格式 AJAX

基因本体和生物通路数据在筛选潜在疾病基因中的应用

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基因本体和生物通路数据在筛选潜在疾病基因中的应用

作者：何戈锐南华大学

学位级别：硕士

疾病基因的确定是基因组学从科研走向应用的重要步骤,目前已经有了大量的相关研究,其中筛选潜在疾病基因是生物信息学领域目前的研究热点。疾病基因的确定流程周期长,需要筛选出潜在疾病基因,进行生物实验来确定疾病基因。传统的筛选方... 详细信息

疾病基因的确定是基因组学从科研走向应用的重要步骤,目前已经有了大量的相关研究,其中筛选潜在疾病基因是生物信息学领域目前的研究热点。疾病基因的确定流程周期长,需要筛选出潜在疾病基因,进行生物实验来确定疾病基因。传统的筛选方法,例如定位克隆、全基因组关联分析、连锁分析等方法存在候选基因数量多,真正疾病基因少的问题。在筛选潜在疾病基因中,准确且不遗漏的找出尽可能多的疾病基因是核心问题。本文研究了基因本体和生物通路两种模式数据在筛选潜在疾病基因中的应用,分别使用两种数据计算基因功能相似度,以基因功能相似度为特征应用机器学习分类模型,筛选潜在疾病基因。与传统的方法相比,筛选出的潜在疾病基因数量更少,能缩短疾病基因确定的时间周期,降低疾病基因确定的成本。主要工作包括:（1）提出了一种改进的基于基因本体识别疾病基因的方法。现有的方法认为“疾病基因会在基因本体的生物过程分支上聚集”。本文认为“疾病基因会在基因本体的所有分支上聚集”,提出了全分支聚集方法（Full Branch Aggreation,FBA）。在计算基因本体术语相似度和基因功能相似度时,使用基因本体的所有分支。在自闭谱系障碍疾病基因数据集上进行了实验,测试了四种不同的基因本体术语相似度算法:Resnik、Rel、Wang、Netsim。实验结果表明,改进后的方法平均识别准确率从72%提升到了78%。最高的分类准确率从79.3%提升到了91.4%。（2）提出了一种基于生物通路的疾病基因识别方法,使用典型的Pathcard生物通路数据库,通过基因和生物通路之间的相关程度来计算基因之间的功能相似度,在自闭谱系障碍疾病基因上进行了实验。实验结果显示识别准确率（Accuracy）达到了95.98%,查准率（Precision）达到了93.94%,召回率（Recall）在98%以上,表明基于生物通路的方法可以有效的识别疾病基因。此外,还和基于基因本体的方法进行了对比,在查准率（Precision）方面以93.94%略低于基于基因本体的97.96%,而在召回率（Recall）方面以98.30%高于基于基因本体的83.84%,表明基于生物通路的方法会误判一些非疾病基因,但是更少地遗漏疾病基因。本文主要研究了在生物信息学领域应用较为广泛的基因本体和Pathcard两种数据,对现有的基于基因本体的方法进行改进,探讨了Pathcard在计算基因功能相似度的可行性,并应用于疾病基因分类。受限于研究所采用的分类模型,只使用了自闭谱系障碍一种疾病基因,下一步将修改模型以求能应用于其他疾病基因。

关键词：疾病基因基因功能相似度基因本体生物通路 pathcard

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基于在线排序学习的生物通路检索方法研究

基于在线排序学习的生物通路检索方法研究

作者：谢康哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

生物通路是细胞中各分子之间的一系列相互作用,可以导致细胞发生变化或产生某些产物。生物通路在人类的生命活动中扮演着重要的角色,我们人体内各类生理、化学反应都与此息息相关。研究人员可以通过研究生物通路来探寻疾病产生原因,或... 详细信息

生物通路是细胞中各分子之间的一系列相互作用,可以导致细胞发生变化或产生某些产物。生物通路在人类的生命活动中扮演着重要的角色,我们人体内各类生理、化学反应都与此息息相关。研究人员可以通过研究生物通路来探寻疾病产生原因,或是对相关疾病进行预防,也可以据此开发新的药物。随着生物信息学的技术不断的发展,越来越多的生物通路被发现。如何在海量的生物通路数据中快速的检索出研究人员需要的数据,进而进行展示和编辑,已成为一个亟待解决的问题。针对生物通路的检索问题,我们设计了一种面向生物通路的检索方法,实现对生物通路的个性化检索,使得我们的检索结果更加符合研究人员的需求。同时对现有的生物通路检索系统进行优化,提高生物通路的可视化能力。并为研究人员提供一系列的生物通路编辑功能,使其能够一站式的完成生物通路的检索、编辑、保存、信息查询等功能。在检索模型中,我们首先设计了面向生物通路的特征空间,并将面向一般检索模型的优化算法进行迁移,应用到生物通路的检索中来。其次,我们基于该特征空间,设计了仿真数据集以用来对模型的性能进行评估。最后,我们将多种优化算法与我们使用的算法进行比较,证明了我们设计检索模型拥有较高的性能。在系统设计方面,我们对生物通路实现了动态的可视化,支持对生物通路进行样式编辑、信息标注、网络分析等一系列功能,同时还能够获取与通路相关的信息,大大地提高了用户的使用效率。

关键词：在线排序学习生物通路可视化

八珍汤促宫颈成熟分子机制和生物通路的网络药理学研究

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西部中医药 2021年第11期34卷 56-64页

作者：郑丹如卢海霞许禄华任利容广州中医药大学附属深圳市宝安中医院广东深圳518101 南京中医药大学附属医院

目的:基于网络药理学方法探讨八珍汤促宫颈成熟的分子作用机制和生物通路。方法:通过中药系统药理学数据库与分析平台(traditional Chinese medicine systems pharmacology database and analysis platform,TCMSP)获取八珍汤药物的有效... 详细信息

目的:基于网络药理学方法探讨八珍汤促宫颈成熟的分子作用机制和生物通路。方法:通过中药系统药理学数据库与分析平台(traditional Chinese medicine systems pharmacology database and analysis platform,TCMSP)获取八珍汤药物的有效化学成分并预测有效化学成分对应的靶点和基因,通过人类基因数据库(GeneCards)、孟德尔人类遗传数据库(online Mendelian inheritance in man,OMIM)、DiGSeE数据库、Drug Bank数据库和治疗靶标数据库(therapeutic target database,TTD)搜索得到宫颈成熟相关的疾病靶点基因,将药物靶点和疾病靶点进行比对,获得八珍汤促宫颈成熟的作用靶点并绘制韦恩(Venn)图。通过STRING官网(https://***/)构建蛋白互作(protein protein interac-tion,PPI)网络,并运用软件Cytoscape 3.7.2构建“促宫颈成熟-基因-靶点-八珍汤有效成分”的调控网络,筛选出核心基因。最后进行基因本体(gene ontology,GO)功能富集分析、京都基因与基因组百科全书(ryo-to encyclopedia of genes and genomes,KEGG)通路富集分析其生物过程、细胞成分、分子功能和生物作用通路。结果:共筛选出160个化学成分,175个与促宫颈成熟相关的作用靶点,β-谷固醇、芒柄花黄素、谷甾醇、山柰酚、原阿片碱等为关键药物化学成分,前列腺素过氧化物合酶2(prostaglandin-endoperoxide syn-thase 2,PTGS2)、雌激素受体(estrogen receptor,ESR1)、雄激素受体(androgen receptor,AR)、肾上腺素能受体2(adrenrgic receptor 2,ADRB2)、核受体辅激活蛋白2(nuclear receptor coactivator 2,NCOA2)等为关键靶标。经过GO功能富集分析和KEGG通路富集分析,发现八珍汤通过参与了雌激素、催产素、松弛素信号通路等内分泌激素信号通路和白细胞介素17(interleukin-17,IL-17)信号通路、白细胞跨内皮转移等炎症反应信号通路促宫颈成熟。结论:八珍汤促宫颈成熟的有效成分、靶标和生物通路体现了中药多成分-多靶点-多途径的特点,与中医的“整体观念”一致,可为阐释八珍汤促宫颈成熟的基础研究和药物研究提供依据和参考;其关键化学成分和靶标揭示八珍汤中关键药物促宫颈成熟的作用可为八珍汤促宫颈成熟的用药用量规律基础研究和临床研究提供参考。

关键词：促宫颈成熟分子机制生物通路网络药理学八珍汤

基于Web的生物通路图可视化与编辑工具的设计

维普期刊数据库

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电子科技 2015年第10期28卷 83-85页

作者：竺涌楠方景龙杭州电子科技大学计算机学院浙江杭州310012

生物通路图是生物通路的一种可视化形式。当前许多生物通路数据库均提供生物通路图分析工具,但缺少一个在线可视化与编辑软件。针对这一不足,文中开发了一种基于HTML5的生物通路图可视化与编辑软件,介绍了开发本系统所用的关键技术及设... 详细信息

生物通路图是生物通路的一种可视化形式。当前许多生物通路数据库均提供生物通路图分析工具,但缺少一个在线可视化与编辑软件。针对这一不足,文中开发了一种基于HTML5的生物通路图可视化与编辑软件,介绍了开发本系统所用的关键技术及设计。该系统方便了生物研究者浏览,编辑生物通路信息,并帮助生物学家理解生物学过程,探索生物通路之间的关系。

关键词： HTML5 生物通路可视化

联合激光捕获显微切割与基因芯片研究低恶性膀胱移行上皮癌基因表达谱和生物通路

维普期刊数据库

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联合激光捕获显微切割与基因芯片研究低恶性膀胱移行上皮癌基因表...

第四届中国肿瘤学术大会暨第五届海峡两岸肿瘤学术会议

作者：王海涛畅继武天津市泌尿外科研究所天津市泌尿外科研究所

膀胱移行上皮癌从生物学行为到病理形态基本可分成两种类型:即低恶性与高恶性膀胱癌。为了阐明低恶性膀胱上皮癌发生发展的分子机制,联合应用激光捕获显微切割（LCM）和Agilent公司人全基因组寡核苷酸基因芯片比较了低恶性膀胱癌与相... 详细信息

膀胱移行上皮癌从生物学行为到病理形态基本可分成两种类型:即低恶性与高恶性膀胱癌。为了阐明低恶性膀胱上皮癌发生发展的分子机制,联合应用激光捕获显微切割（LCM）和Agilent公司人全基因组寡核苷酸基因芯片比较了低恶性膀胱癌与相应癌旁正常组织之间的差异表达基因谱。芯片数据分析获得215个共同上调基因和53个共同下调基因, 其中部分结果为膀胱癌或其他肿瘤中的已知差异表达基因, 初步证明了LCM样本芯片结果的可靠性。运用Pathway Explorer和GenMAPP程序在整个生物通路系统水平上对上述差异表达基因进行功能聚类,这些基因主要归属于下列生物通路:WNT信号通路、MAPK信号通路、聚合粘附（Focal adhesion）、细胞增殖、泛素-蛋白酶体降解通路（Ubiquitin mediated proteolysis）、紧密连接（tight junction）、钙信号通路、细胞周期调控等,这些通路很可能在膀胱癌的发生和发展过程中发挥重要作用。联合LCM和基因芯片是获取肿瘤差异表达基因的有效途径,排除间质组织干扰所获得的基因表达谱可能会更真实地反应肿瘤本质,基于整个生物通路水平上的基因功能聚类有助于从系统生物学的角度对肿瘤发生和发展进行再认识。进一步深入研究这些差异表达基因及功能通路不仅有助于阐明膀胱癌发生发展的机制,而且还可能会为膀胱癌提供新的诊断和治疗靶点。

关键词：低恶性膀胱移行上皮癌激光捕获显微切割基因芯片表达基因谱系统生物学基因功能聚类生物通路

来源： cnki会议评论

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基于生物通路的药效评价

基于生物通路的药效评价