生物分子網絡拓撲結構比對的自適應方法技術

本發明專利技術涉及一種生物分子網絡拓撲結構比對的自適應方法。該方法用于尋找兩個生物分子網絡生物學意義上的最優映射，其步驟如下：A、構建第一生物分子網絡和第二生物分子網絡的初始相似矩陣?。B、基于相似矩陣，獲得第一生物分子網絡中的節點和第二生物分子網絡之間的比對映射矩陣。C、根據當前迭代步的匹配結果，自適應地更新相似矩陣，然后計算得到下一迭代步生物分子的相似矩陣。D、計算每一迭代步的映射矩陣的得分，然后判斷是否結束計算。其特點在于針對節點的網絡拓撲特點自適應地計算網絡節點之間的相似性，有效降低僅用匈牙利算法而需要的大量計算時間，同時提高僅用貪心算法的準確率，從而找出比同類算法更好的映射。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術設及一種。
技術介紹
生物分子網絡是生物體內各種分子通過相互作用來完成各種復雜的生物功能的 一個復雜網絡。復雜網絡的比對問題是一個圖的全局比對問題，設及到大量的計算，其隱含 的子圖同構問題已被證實是一個NP完全問題（Non-deterministic化lynomial的問題）， 也即是多項式復雜程度的非確定性問題。目前，普遍采用圖來表示生物分子網絡，并W圖論 的方法來研究生物分子網絡結構，圖中的節點表示生物分子，圖中的邊表示生物分子之間 的調控、相互作用各種關系。目前，生物分子網絡僅用圖論的方法來研究生物分子網絡的比對還面臨著緒多的 問題，主要包括： (1)生物分子網絡比對主要是基于相似矩陣進行最優匹配，而該最優匹配方法不 適合生物網絡的比對問題，該方法在匹配中計算復雜，耗時間長；[000引 似在生物分子網絡比對中，節點的拓撲結構是不同的，匹配節點對其鄰居節點匹 配的影響強弱不同，現有的技術沒有進行自適應的計算。
技術實現思路
本專利技術的目的在于克服現有技術存在的不足，提供一種生物分子網絡拓撲結構比 對的自適應方法，該方法對兩個不同物種的復雜生物分子網絡拓撲結構進行比對，能找到 不同生物分子網絡之間的最優匹配，降低自適應的計算時間；該方法在網絡變化后，仍可W 找到原始生物分子網絡的比對，得到更優的比對結果。 為達到上述目的，本專利技術的構思是；首先使用生物分子網絡間的生物序列相似系 數和拓撲結構相似系數，迭代計算兩個生物分子網絡中每一對生物分子的節點與節點之間 的相似系數，使用匈牙利算法和貪屯、算法進行匹配，然后根據第一生物分子網絡Ga中的節 點和第二生物分子網絡咕中的節點之間的映射矩陣M\使用節點對的鄰居節點之間的相似 性，自適應地構建更新相似矩陣SN最后，根據迭代的連續相鄰的生物分子的相似矩陣SW 和生物分子的Sk相似矩陣Sk匹配的比較，判斷是否結束運算，結束時，獲取結果最優的生物 分子網絡的相似矩陣SW的相似參數。[000引根據上述專利技術構思，本專利技術采用下述技術方案： ，其特征在于該方法的具體操作步驟如 下： a.構建兩個分子網絡的初始相似矩陣S°，該兩個分子網絡分別記為第一生物分子 網絡Ga和第二生物分子網絡Ge，所述的初始相似矩陣s°中的S° (a。bj.)表示節點和節點 bi之間的相似系數，其中aiGGA，bj.GGb表示第一生物分子網絡Ga中的節點，bj.表示第 二生物分子網絡Gb中的節點；b.根據當前迭代步的相似矩陣s\使用匈牙利算法、貪屯、算法對第一生物分子網 絡Ga中的節點和第二生物分子網絡Ge中的節點進行匹配，獲得GA中的節點和Ge中的節點 之間的映射矩陣M\其中k表示迭代步數，初始時k= 0 ;其中每一個元素Mk(a。bj.)為1或 0,1表示節點a;和節點bi匹配，0則表示不匹配；[001引C.根據步驟b所得的映射矩陣M'S使用節點的鄰居節點之間的相似性，自適應地 更新相似矩陣Sk，然后結合生物分子的初始生物相似性和生物分子在各自網絡中的拓撲相 似特征，計算得到下一生物分子的相似矩陣SW; d.計算每一迭代步的映射矩陣Mk的得分SS\然后計算生物分子的相似矩陣sw 和Sk之間對應元素差值的絕對值，判斷是否結束迭代計算，若生物分子的相似矩陣SW和 Sk之間對應元素的差值的絕對值的最大值小于闊值A，A體現允許的計算誤差，則結束計 算，取第m(0 < =m< =k)步的映射矩陣r為最終映射結果，其中m需滿足該步的映射矩 陣r的得分SS-最大；否則，若生物分子的相似矩陣sw和Sk之間對應元素的差值的絕對值 的最大值不小于闊值A，則不結束計算，返回步驟B到步驟F繼續進行計算，直到前后兩次 生物分子的相似矩陣SW和Sk之間對應元素的差值的絕對值的最大值小于設定的闊值A， 則結束計算； 根據權利要求1所述的，其特征在于所 述的步驟b的具體方法為： b-1、遍歷Ga的每一個節點，如果該個節點在網絡Gc中的相似節點數不小于一個闊 值該闊值為一經驗值，就把該個節點在相似矩陣Sk中對應的行歸入到匈牙利矩陣Hk中，否 則歸入貪屯、矩陣Gk中；b-2、使用匈牙利算法處理匈牙利矩陣化并在Gk中標記那些已經匹配的列；如果 在有效的時間內獲得結果，則進行下一步，否則結束處理，把匈牙利矩陣Hk合并到貪屯、矩陣 Gk中； b-3、使用貪屯、算法處理貪屯、矩陣Gk中由那些沒有被標記的列構成的矩陣，和b-2 中匈牙利矩陣Hk的結果合并，獲得最終映射Mk。 上述步驟C的迭代計算Ga和Ge的相似矩陣Sk其具體計算方式采用下述公式； 其中，oa康示a。和a義間存在邊，&V一表示bv和b之間存在邊，a。和bV 是在當前迭代步完成后相匹配的節點，deg(ai)為節點a;的度；結合生物分子的初始生物相 似性和生物分子在各自網絡中的拓撲相似特征，迭代計算得到生物分子的相似矩陣S^。 上述的迭代計算得到兩個分子網絡的相似矩陣SW的具體步驟如下； C-1.計算兩個分子網絡節點a;和節點bi在網絡拓撲結構上的平均相似性，其相 似性的各個方面由Ni(a。bp和馬(a。bp表示；C-2.在兩個分子網絡節點節點a;和節點bi的初始相似系數5°(3。6^基礎上集成 它們在網絡拓撲結構上的平均相似性，計算SW，其中上標k和k+1代表迭代次數，具體公式 如下：Ni(a。bj)表示a;和bj的鄰居節點之間的平均相似性，N2(a。bj)表示非鄰居節點 之間的平均相似性，max炒4)表示矩陣SW的最大值，5表示一個0到1之間的值，由用戶輸 入確定，用W控制節點生物相似性和拓撲相似性的權重。[002引上述的計算生物分子a,和bj.在網絡拓撲結構上的平均相似性的具體方法為：其中，Ni(a。bj)表示節點a;和bJ的鄰居節點，即該些節點和ai或bJ之間存在邊， 之間的平均相似性，N, (a。bj.)表示節點a,和bj.的非鄰居節點，即該些節點和ai或bj.之間不 存在邊，之間的平均相似性，由deg(ai)表示節點a;的度，一"康示a。和a義間存在邊， 入表示a。和a義間不存在邊，auGGa表示a。是Ga中的一個節點，bvEGb表示bV是Gb中的一個節點，S(a。，by)表示a。和bV的相似系數，n1為Ga的節點數，n2為Gb的節點數， 上標k代表迭代次數。 上述的映射矩陣的得分SSk側重于生物意義的打分陽Sk和表示拓撲意義的邊正確 率ECk計算得到，其具體計算方式如下；[003引SSk=PESk+100XECk[003引其中陽S哺ECk的計算方式如下；設網絡A為Ga= (V^Ei)，網絡B為Gb= (V2，E2)， 其中，Vi，V2分別代表網絡Ga，Gb的節點集合，且|Vil二叫，IV2I二叫，即Ga中有ni個節點， Gb有n2個節點巧。V康示節點a1，a。存在于GA中，扣（fl,.)，扣(a,,)分別表示在第k次 迭代時Gb中與a1，a。對應的匹配節點；E1，E2分別代表Ga，Gb的邊集合，（a。a。）=eiu表示 邊6iu的兩個端點是節點a1，a。，eiuGE康示邊eiu是GA的一條邊；護' (。，:))表示Ga的 節點a;和GB中與其對應的節點護（。,)的初始相似系數。Ga與GB的PESk為；當前第1頁1本文檔來自技高網...

【技術保護點】
生物分子網絡拓撲結構比對的自適應方法，其特征在于該方法的具體操作步驟如下：a.構建兩個分子網絡的初始相似矩陣S0，該兩個分子網絡分別記為第一生物分子網絡GA和第二生物分子網絡GB，所述的初始相似矩陣S0中的S0(ai,bj)表示節點ai和節點bi之間的相似系數，其中ai∈GA，bj∈GB?ai表示第一生物分子網絡GA中的節點，bj表示第二生物分子網絡GB中的節點；b.根據當前迭代步的相似矩陣Sk，使用匈牙利算法、貪心算法對第一生物分子網絡GA中的節點和第二生物分子網絡GB中的節點進行匹配，獲得GA中的節點和GB中的節點之間的映射矩陣Mk，其中k表示迭代步數，初始時k＝0：其中每一個元素Mk(ai,bj)為1或0，1表示節點ai和節點bi匹配，0則表示不匹配；c.根據步驟b所得的映射矩陣Mk，使用節點的鄰居節點之間的相似性，自適應地更新相似矩陣Sk，然后結合生物分子的初始生物相似性和生物分子在各自網絡中的拓撲相似特征，計算得到下一生物分子的相似矩陣Sk+1；d.計算每一迭代步的映射矩陣Mk的得分SSk，然后計算生物分子的相似矩陣Sk+1和Sk之間對應元素差值的絕對值，判斷是否結束迭代計算，若生物分子的相似矩陣Sk+1和Sk之間對應元素的差值的絕對值的最大值小于閾值λ，λ為允許的計算誤差，則結束計算，取第m，0≤m≤k步的映射矩陣Mm為最終映射結果，其中m需滿足該步的映射矩陣Mm的得分SSm最大；否則，若生物分子的相似矩陣Sk+1和Sk之間對應元素的差值的絕對值的最大值不小于閾值λ，則不結束計算，返回步驟b到步驟d繼續進行計算，直到前后兩次生物分子的相似矩陣Sk+1和Sk之間對應元素的差值的絕對值的最大值小于閾值λ，則結束計算。...

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：謝江，馬進，項超娟，譚軍，丁旺，文鐵橋，郭毅可，張武，
申請(專利權)人：上海大學，
類型：發明
國別省市：上海;31