基于信息论的基因调控网络构建算法研究

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1、学校代号：10532学密号：S11101040级：普通湖南大学硕士学位论文基于信息论的基因调控网络构建算法研究ResearchonGeneRegulatoryNetworkReconstructionAlgorithmsBasedOnInformationTheorybyPENGLingB．E．(HunanInstituteofScienceandTechnology)201AthesissubmittedinpartialsatisfactionoftheRequirementsforthedegreeofMasterofEngineeringlnInformati

2、onandCommunicationintheGraduateSchoolofHunanUniversitySupervisorLecturerCAOZhiMay，2014湖南大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：鹤论日期：加w年6月石日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文

3、的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密口，在年解密后适用本授权书。2、不保密日。(请在以上相应方框内打“√”)作者签名：嗽姨别币答名＼移气日期：乙·牛年‘月6日日期：历，9年6月6日基于信息论的基因调控网络构建算法研究摘要随着生物测序技术的不断进步，基因表达数据呈爆炸式增长，海量数据的出现为基因调控网络的构建提供了可能。详细深入地研究基因调控网络不仅能够帮助人类揭示各种

4、疾病的发病机理，而且有助于人类探索生命的内部本质。因此，从数据中挖掘出基因调控网络信息已经成为生物信息学研究的热点和重点。当前存在多种模型对基因调控网络进行构建，其中基于信息论的方法能有效衡量基因间的非线性关系并具有计算简单等特性，已成为构建基因网络强有力的方法。本文以时序基因表达数据和静态基因表达数据为研究对象，对基于信息论的基因调控网络进行建模，以提高预测准确度为最终目标，设计有效而合理的推断算法，具体工作包括以下几个方面：针对基因间的协同调控作用，使用时序基因表达数据，提出了一种基于信息论准则的协同调控动态性的研究算法。该算法分为三步：首先，确定基因间的调控时延

5、，计算出互信息矩阵。其次，使用每个互信息值作为阈值，建立模型，并使用MDL打分函数对所有模型打分，选出分值最低的模型。再次，精简模型步骤；与传统的信息论方法不同的是，该算法融合了数据处理不平衡及条件互信息，以处理迁移效应和分散效应的影响；同时，通过存储条件互信息值有效地克服了因条件互信息值偏低所导致协同调控作用被误删的缺陷。该算法在IRMA数据集和酵母细胞数据集上的实验表明，它能够有效推断出基因间的协同调控现象，更符合生物意义。针对静态基因表达数据集不能确定方向性的缺陷，提出了一种信息熵与微分方程模型相结合的通路一致性构建方法。该算法融合了微分方程模型和信息论思想的优

6、势，主要分为因果模型选择和优化过程两个阶段。因果模型阶段使用改进的通路一致算法，利用通路一致算法在计算上具有高效性的优势，克服了它在计算高阶条件互信息时出现的误差值以及输入次序不同而引起的推断结果差异性缺陷。在优化阶段，为了克服信息熵方法不能确定方向的缺陷，采用微分方程模型构建最终拓扑图。采用这种策略，既降低了微分方程模型的搜索空间，又确定了基因间的调控方向。使用DREAM数据集对该算法进行实验，实验表明该方法有很好的预测效果。关键词：基因调控网络；信息论；协同调控；微分方程模型硕士学位论文AbstractWiththecontinuousadvancementofb

7、iologicalsequencingtechnology，microarraytechnologieshaveproducedtremendousamountsofgeneexpressiondata，whichprovideopportunityforunderstandingtheunderlyingregulatorymechanism．Thein．depthandcarefulstudiesandanalysisongeneregulatorynetworkswillhelptorevealthepathogenesisofvariousd