Exploring ensemble learning techniques to optimize the reverse engineering of gene regulatory networks

• Ano de defesa: 2014
• Autor(a) principal: Recamonde-Mendoza, Mariana
• Orientador(a): Bazzan, Ana Lucia Cetertich
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: eng
• Palavras-chave em Português: Bioinformática; Aprendizagem : Maquina; Inteligência artificial; Engenharia reversa
• Palavras-chave em Inglês: Bioinformatics; Machine learning; Gene regulatory networks; Reverse engineering; Ensemble learning
• Link de acesso: http://hdl.handle.net/10183/95693

Nesta tese estamos especificamente interessados no problema de engenharia re- versa de redes regulatórias genéticas a partir de dados de pós-genômicos, um grande desafio na área de Bioinformática. Redes regulatórias genéticas são complexos cir- cuitos biológicos responsáveis pela regulação do nível de expressão dos genes, desem- penhando assim um papel fundamental no controle de inúmeros processos celulares, incluindo diferenciação celular, ciclo celular e metabolismo. Decifrar a estrutura destas redes é crucial para possibilitar uma maior compreensão à nível de sistema do desenvolvimento e comportamento dos organismos, e eventualmente esclarecer os mecanismos de doenças causados pela desregulação dos processos acima mencio- nados. Devido ao expressivo aumento da disponibilidade de dados experimentais de larga escala e da grande dimensão e complexidade dos sistemas biológicos, métodos computacionais têm sido ferramentas essenciais para viabilizar esta investigação. No entanto, seu desempenho ainda é bastante deteriorado por importantes desafios com- putacionais e biológicos impostos pelo cenário. Em particular, o ruído e esparsidade inerentes aos dados biológicos torna este problema de inferência de redes um difícil problema de otimização combinatória, para o qual métodos computacionais dispo- níveis falham em relação à exatidão e robustez das predições. Esta tese tem como objetivo investigar o uso de técnicas de ensemble learning como forma de superar as limitações existentes e otimizar o processo de inferência, explorando a diversidade entre um conjunto de modelos. Com este intuito, desenvolvemos métodos computa- cionais tanto para gerar redes diversificadas, como para combinar estas predições em uma solução única (solução ensemble ), e aplicamos esta abordagem a uma série de cenários com diferentes fontes de diversidade a fim de compreender o seu potencial neste contexto específico. Mostramos que as soluções propostas são competitivas com algoritmos tradicionais deste campo de pesquisa e que melhoram nossa capa- cidade de reconstruir com precisão as redes regulatórias genéticas. Os resultados obtidos para a inferência de redes de regulação transcricional e pós-transcricional, duas camadas adjacentes e complementares que compõem a rede de regulação glo- bal, tornam evidente a eficiência e robustez da nossa abordagem, encorajando a consolidação de ensemble learning como uma metodologia promissora para decifrar a estrutura de redes regulatórias genéticas.