Một Thuật Toán Tối Ưu Đàn Kiến Dóng Hàng Toàn Cục Mạng Tương Tác Protein

Abstract

I. GIỚI THIỆUTrước cách tiếp cận dóng hàng mạng, việc phát hiện nhóm các orthologous protein chỉ dựa trên các quan hệ tiến hóa, với tiêu chí thường được sử dụng là độ tương tự về mặt trình tự [1,23]. Tuy nhiên, chỉ tính tương đồng trình tự thường không đủ để xác định các phức hợp protein được bảo tồn [12,24,26]. Sự phát triển của các kỹ thuật công nghệ sinh học trong hơn thập kỷ qua đã cho phép xây dựng được các mạng tương tác protein Protein-Protein Interraction Network -PPI Network) cho nhiều loài sinh vật. Từ các dữ liệu này, một số bài toán về phân tích mạng PPI đã được đặt ra (xem [3,7,[15][16][17]), chẳng hạn như: phân tích cấu trúc tô pô mạng [9], phát hiện mô-đun [2]... Trong đó, đặc biệt quan trọng là các bài toán dóng hàng mạng PPI dựa trên kết hợp thông tin về sự tương tác giữa các protein cùng với mối quan hệ tiến hóa giữa các trình tự. Việc so sánh tính tương đồng của các mạng PPI này cung cấp nhiều thông tin hữu ích cho dự đoán các chức năng chưa biết hoặc kiểm định các chức năng đã biết của các proteins [8,11,25].Các phương pháp dóng hàng mạng tương tác Protein được chia thành 2 hướng tiếp cận: dóng hàng cục bộ và dóng hàng toàn cục. Mục tiêu của dóng hàng cục bộ là xác định các mạng con gần nhau về cấu trúc mạng và/hoặc tương tự nhau về trình tự) (xem [13,14,21,24]). Với mục tiêu đó, kết quả của dóng hàng cục bộ thường chứa nhiều mạng con chồng lấn nhau, vì vậy có thể dẫn tới sự nhập nhằng khi dóng hàng một protein với nhiều protein khác. Mục tiêu của phương pháp dóng hàng toàn cục giữa 2 mạng protein là tránh các nhập nhằng thường gặp ở phương pháp dóng hàng cục bộ. Bài toán này được Aladag và Erten chứng minh là bài toán NP khó [1].Thuật toán dóng hàng toàn cục đáng chú ý đầu tiên là IsoRank [25] được Sing et al. (2008) đề xuất, phát triển dựa trên dóng hàng cục bộ. Sau IsoRank, một số thuật toán tương tự đã được đề xuất như PATH và GA [25], PISwap [4,5] nhờ đưa thêm các nới lỏng thích hợp của hàm đánh giá trên tập các ma trận ngẫu nhiên hoặc ứng dụng tìm kiếm cục bộ trên dóng hàng thu được từ lời giải một thuật toán khác. MI-GRAAL [15,16] và các biến thể [19,20] dựa trên kết hợp kỹ thuật tham ăn với thông tin heuristics như: graphlet, hệ số phân nhóm, độ lập dị (eccentricities) và độ tương tự (giá trị E-values từ chương trình BLAST). Các thuật toán này đều đưa ra kết quả nhanh và tốt hơn so với các thuật toán trước đó. Tuy nhiên, những thuật toán đã nêu chỉ tối ưu cho độ chính xác (hàm mục tiêu) hoặc tính khả mở. Vì các mạng PPI có thường số đỉnh lớn nên cả tính chính xác và tính khả mở (thời gian chạy) cần được quan tâm. Aladag và Erten (2013) đề xuất thuật toánSPINAL [1] heuristic có thời gian đa thức cho kết quả tương đối tốt. Thuật toán này gồm hai pha: pha đầu tính điểm tương đồng cho tất cả cặp protein; pha sau xây dựng đơn ánh bằng cách cải tiến một cách cục bộ từng tập con của lời giải hiện có. Các thực nghiệm được chạy trên các bộ dữ liệu tiêu chuẩn là Saccharomyces cerevisiae, Drosophila melanogaster, Caenorhabditiselegans và Homo sapiens cho thấy SPINAL cho chất lượng lời giải tốt ...