HIERARCHICAL ENSEMBLE METHODS FOR ONTOLOGY-BASED PREDICTIONS IN COMPUTATIONAL BIOLOGY
Creators: name: NOTARO, MARCO
Publisher: name: Universit� degli Studi di Milano
Year: 2019

description: L'annotazione standardizzata di entit� biologiche, quali geni e proteine, ha fortemente promosso l'organizzazione dei concetti biologici in vocabolari controllati, cio� ontologie che consentono di indicizzare in modo coerente le relazioni tra le diverse classi funzionali organizzate secondo una gerarchia predefinita. Esempi di ontologie biologiche in cui i termini funzionali sono strutturati secondo un grafo diretto aciclico (DAG) sono la Gene Ontology (GO) e la Human Phenotype Ontology (HPO). Tali tassonomie gerarchiche vengono utilizzate dalla comunit� scientifica rispettivamente per sistematizzare le funzioni proteiche di tutti gli organismi viventi dagli Archea ai Metazoa e per categorizzare le anomalie fenotipiche associate a malattie umane. Tali bio-ontologie, offrendo uno spazio di classificazione ben definito, hanno favorito lo sviluppo di metodi di apprendimento per la predizione automatizzata della funzione delle proteine e delle associazioni gene-fenotipo patologico nell'uomo. L'obiettivo di tali metodologie consiste nell'?indirizzare? la ricerca ?in-vitro? per favorire una riduzione delle spese ed un uso pi� efficace dei fondi destinati alla ricerca. Dal punto di vista dell'apprendimento automatico il problema della predizione della funzione delle proteine o delle associazioni gene-fenotipo patologico nell'uomo pu� essere modellato come un problema di classificazione multi-etichetta strutturato, in cui le predizioni associate ad ogni esempio (i.e., gene o proteina) sono sotto-grafi organizzati secondo una determinata struttura (albero o DAG). A causa della complessit� del problema di classificazione, ad oggi l'approccio di predizione pi� comunemente utilizzato � quello ?flat?, che consiste nell'addestrare un classificatore separatamente per ogni termine dell'ontologia senza considerare le relazioni gerarchiche esistenti tra le classi funzionali. L'utilizzo di questo approccio � giustificato non soltanto dal fatto di ridurre la complessit� computazionale del problema di apprendimento, ma anche dalla natura ?instabile? dei termini che compongono l'ontologia stessa. Infatti tali termini vengono aggiornati mensilmente mediante un processo curato da esperti che si basa sia sulla letteratura scientifica biomedica che su dati sperimentali ottenuti da esperimenti eseguiti ?in-vitro? o ?in-silico?. In questo contesto, in letteratura sono stati proposti due classi generali di classificatori. Da una parte, si collocano i metodi di apprendimento automatico che predicono le classi funzionali in modo ?flat?, ossia senza esplorare la struttura intrinseca dello spazio delle annotazioni. Dall'altra parte, gli approcci gerarchici che, considerando esplicitamente le relazioni gerarchiche fra i termini funzionali dell'ontologia, garantiscono che le annotazioni predette rispettino la ?true-path-rule?, la regola biologica che governa le ontologie. Nell'ambito dei metodi gerarchici, in letteratura sono stati proposti due diverse categorie di approcci. La prima si basa su metodi kernelizzati per predizioni con output strutturato, mentre la seconda su metodi di ensemble gerarchici. Entrambi questi metodi presentano alcuni svantaggi. I primi sono computazionalmente pesanti e non scalano bene se applicati ad ontologie biologiche. I secondi sono stati per la maggior parte concepiti per tassonomie strutturate ad albero, e quei pochi approcci specificatamente progettati per ontologie strutturate secondo un DAG, sono nella maggioranza dei casi incapaci di migliorare le performance di predizione dei metodi ?flat?. Per superare queste limitazioni, nel presente lavoro di tesi si sono proposti dei nuovi metodi di ensemble gerarchici capaci di fornire predizioni consistenti con la struttura gerarchica dell'ontologia. Tali approcci, da un lato estendono precedenti metodi originariamente sviluppati per ontologie strutturate ad albero ad ontologie organizzate secondo un DAG e dall'altro migliorano significativamente le predizioni rispetto all'approccio ?flat? indipendentemente dalla scelta del tipo di classificatore utilizzato. Nella loro forma pi� generale, gli approcci di ensemble gerarchici sono altamente modulari, nel senso che adottano una strategia di apprendimento a due passi. Nel primo passo, le classi funzionali dell'ontologia vengono apprese in modo indipendente l'una dall'altra, mentre nel secondo passo le predizioni ?flat? vengono combinate opportunamente tenendo conto delle gerarchia fra le classi ontologiche. I principali contributi introdotti nella presente tesi sono sia metodologici che sperimentali. Da un punto di vista metodologico, sono stati proposti i seguenti nuovi metodi di ensemble gerarchici: a) HTD-DAG (Hierarchical Top-Down per tassonomie DAG strutturate); b) TPR-DAG (True-Path-Rule per DAG) con diverse varianti algoritmiche; c) ISO-TPR (True-Path-Rule con Regressione Isotonica), un nuovo algoritmo gerarchico che combina la True-Path-Rule con metodi di regressione isotonica. Per tutti i metodi di ensemble gerarchici � stato dimostrato in modo formale la coerenza delle predizioni, cio� � stato provato come gli approcci proposti sono in grado di fornire predizioni che rispettano le relazioni gerarchiche fra le classi. Da un punto di vista sperimentale, risultati a livello dell'intero genoma di organismi modello e dell'uomo ed a livello della totalit� delle classi incluse nelle ontologie biologiche mostrano che gli approcci metodologici proposti: a) sono competitivi con gli algoritmi di predizione output strutturata allo stato dell'arte; b) sono in grado di migliorare i classificatori ?flat?, a patto che le predizioni fornite dal classificatore non siano casuali; c) sono in grado di predire nuove associazioni tra geni umani e fenotipi patologici, un passo cruciale per la scoperta di nuovi geni associati a malattie genetiche umane e al cancro; d) scalano bene su dataset costituiti da decina di migliaia di esempi (i.e., proteine o geni) e su tassonomie costituite da migliaia di classi funzionali. Infine, i metodi proposti in questa tesi sono stati implementati in una libreria software scritta in linguaggio R, HEMDAG (Hierarchical Ensemble Methods per DAG), che � pubblica, liberamente scaricabile e disponibile per i sistemi operativi Linux, Windows e Macintosh.