矩阵打分机制

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1. 2 1. 2. 1 面
计算方法 矩阵打分的方法 , 均取得了较好的预测效果。该方法分为以下 4 步来介绍:
[9 ]
近年来矩阵打分的方法已被大量的应用于转录因子的结合位点的预测 、 超二级结构的预测等方
[8 - 12 ]
第一: 为了减小样本统计引起的误差, 引进伪计数 P ij =
, 位置概率表示为: ( 1)
[1 - 3 ]

[3 - 6 ]
在过去的几年里, 已经提出了许多预测膜蛋白类型的方法 都是由 Chou 等人在 1999 年整理给出的 个类别。2007 年 Chou 和 Shen
[7 ] [2 ]
, 这些方法所使用的数据库分为 5 类,
。 直到 2005 年 Chou 等人将数据库增大[5], 将膜蛋白分为 6
图2
6 种类型膜蛋白与脂双层结合关系示意图
Fig. 2 Schematic drawing of the six types of membrane proteins
第4 期
王婷等 表2
使用支持向量机的方法预测膜蛋白的类型
243
6 种类型膜蛋白训练集和独立检验集数据分布
Tab. 2 Training and testing datasets of the six membrane protein types Type Single - pass type I Single - pass type II Multipass Lipid - chain anchor GPI anchor Peripheral Overall Training dataset 372 151 1903 104 68 30 2628 Independent testing dataset 462 144 2402 67 83 2 3160
P0j 表示氨基酸 j 出现的背景概率。 其中, 由此得到一个 21 × L 的矩阵。 第三: 对于任意一段给定的序列片段, 运用位置权重矩阵对该序列片段进行打分 , 打分函数( S) 可以 表示为:
L
S = W ij
i =1
( 3)
对 8 类膜蛋白, 由训练集可以得到 8 个标准打分矩阵, 对于任意一待测序列片段可以由 ( 3 ) 式得到 8 个打分值。 序列片段的截取方法: 由于膜蛋白序列 N 端和 C 端包含的序列信息不同, 因此从序列两端分别截取 序列片段进行打分, 如果长度不足以空位补齐。 首先对 8 类膜蛋白的训练集和检验集的序列长度进行 统计。所有序列长的最大值和最小值分别是 5000 个氨基酸长和 50 个氨基酸长, 训练集和检验集的平均 还对膜蛋白序列长 序列长分别是 522 个氨基酸长和 514 个氨基酸长。其次为了寻找最佳的序列片段长 , 度进行了统计分析, 发现有 90% 以上序列的长度都大于 200 个氨基酸长。 分别从序列的 N 端和 C 端截 60 、 70 ……个氨基酸片段进行打分, 取 50 、 通过计算, 当选取包含 60 个氨基酸的序列片段长时预测结果 最佳 ( 计算结果见后面的表 4 ) 。 1. 2. 2 离散增量算法 离散增量算法( ID) 是一种公认的较好识别分类器。 该方法已经成功应用于亚细胞定位 、 蛋白质结构 13 - 16 ] 。 n1 , 预测和蛋白质超家族预测等方面[ 定义如下: 在 S 维状态空间, 两个 S 维离散源 X: [ n2 , ..., ns ]和 Y: [ m1 ,m2 , ..., ms] ,X 与 Y 的离散量分别定义为: D( X ) = D( n1 , n2 , …, n s ) = NLog b N - n I Log b n I
进一步整理出了 8 类膜蛋白数据库, 这是目前最新也是最具权威性的分
本文就使用了此数据库。膜蛋白的 8 种基本类型: ( 1 ) type I,( 2 ) type II,( 3 ) type III,and ( 4 ) 类数据库, type IV transmembranes,( 5 ) multipass transmembrane,( 6 ) lipid - chain - anchored membrane,( 7 ) GPI - anchored membrane,and ( 8 ) peripheral membrane。文中还使用 6 类膜蛋白数据库对计算方法进行了检 验。 本文采用矩阵打分和离散增量的方法直接从氨基酸序列中提取特征参数 , 将其组合构成的向量直 接输入支持向量机中进行分类预测 , 结果表明此算法可以获得较好的预测效果 。
1, 2 1 , 胡秀珍 ( 1 . 内蒙古工业大学理学院, 010051 ; 呼和浩特, 2 . 长治职业技术学院, 046000 ) 山西长治,
摘要: 根据膜蛋白的特点对特定的氨基酸片段进行打分, 将打分值与离散增量值共同
作为序列的信息参数, 使用支持向量机的方法对膜蛋白的类型进行预测, 获得了非常好 的预测结果。对 8 类膜蛋白的 Jackknife 检验结果达到了 91 . 81 % , 比 Chou 等人使用相 同数据集的结果提高了近 7 个百分点。 另外, 使用同样的方法对 6 类膜蛋白的类型也 作了预测, 结果再次表明该方法对于膜蛋白类型的预测是非常有效的 。
N i / 21 n ij + 槡 Ni + 槡 Ni
i = 1, 2, …, L ( L 为选取的序列片断的长度) , j 表示 20 种氨基酸和一个空 这里, 以氨基酸为参数时, N i 表示第 i 个位置上所有氨基酸出现的总数 , N ij 表示第 i 个位置上第 j 种氨基酸出现的频数。 位, 第二: 根据位置概率的定义, 构建位置权重矩阵, 也称为标准打分矩阵: W ij = log P ij P0j ( 2)
。高等生物体细胞内分布着各种亚细胞器, 细胞膜和亚细胞器膜统称为生物膜。 细
胞的能量转换, 信息识别与传递, 物质运送和分配等基本生命现象都与生物膜密切相关 。 生物膜是由蛋 白质, 脂类以及碳水化合物等组成的超分子体系。 膜蛋白是膜功能的主要体现者。 膜蛋白是一类结构 它镶嵌于膜脂的特性使其处于细胞与外界的交界部位, 是细胞执行各种功能的物质基 独特的蛋白质, 础, 且可以形成膜受体、 载体、 酶和抗原等。膜蛋白类型分类是研究膜蛋白功能的基础性环节 , 也是膜蛋 白功能识别的重要信息来源
i =1 S
( 6)
M = 。 其中 N = n1 ,
i =1 m =1
S
S
离散源 X 与 Y 的离散增量为: ID( X , Y) = D( X + Y) - D( X ) - D( Y) ( 7) Y) ≥ 0 。 这里对数底数 b = 2 , 离散量的单位为比特。 可以证明离散增量具有非负性, 即 ID( X , 离散增 量 是一个生物相似性关系的定量表示 , 它体现了两个离散源的相似性程度, 离散增量越小, 则两个离散 对 8 类膜蛋白, 给定预测参数后, 由训练集可以构成 8 个标准离散源, 对于任意一条待测膜 源就越相似。 蛋白序列由( 7 ) 式可以得到 8 个离散增量值。 蛋白质序列上氨基酸的亲疏水性质是影响蛋白质结构和功能的关键因素, 根据氨基酸的亲疏水特征把 20 种氨基酸分为以下 6 类[ 14, 17 - 19] : ( 1) 强亲水性类( R, D, E, N, Q, K, H) , ( 2) 强疏水性类( L, I, V, A,M,F) , ( 3) 弱亲水或弱疏水性类( S,T,Y,W) , ( 4) 脯氨酸( P) , ( 5) 甘氨酸( G) , ( 6) 半胱氨酸( C) 。 本文分别以膜蛋白序列中氨基酸亲疏水紧邻关联 ( HH) 和氨基酸次邻关联( A - A) 出现的频数作为 预测参数构成离散源, 计算出离散增量值, 共得到 16 个离散增量值。 1. 2. 3 支持向量机算法( SVM)
242 1. 1 1. 1. 1 数据库的选取 8 类膜蛋白数据库
内蒙古工业大学学报
2010 年
8 种类型膜蛋白与脂双层结合关系如图 1 所示, 文中使用的 8 类膜蛋 . 0 版本 ) , 其中训练集包含 3249 个蛋白质序列, 独立检验集包含 4333 个蛋白质序 列
[20 ]
支持向量机是 Vapnik 等人根据统计学习理论提出的一种新的机器学习方法 胞定位、 蛋白质超家族预测等方面都有应用
[19 , 21 , 22 ]
, 在模式识别、 亚细
, 在精度上已经超过传统的学习算法。 支持向量机算
在高维特征空间构造出最优超平面, 法的基本思想是: 用非线性映射把数据映射到一个高维特征空间, 使得超平面与不同类样本集之间的距离最大 , 从而达到最大的泛化能力, 即由有限的训练集样本得到的 由于支持向量机算法是一个凸优化问题 , 因此 小的误差能够保证对独立检验集仍保持小的误差 。另外, 局部最优解一定是全局最优解。本文使用 Chang 和 Lin 开发的 Libsvm - 2. 83 程序包
[7 ]
, 具体分类情况见表 1 :
图1
8 种类型膜蛋白与脂双层结合关系示意图
Fig. 1 Schematic drawing of the eight types of membrane proteins
表1
8 种类型膜蛋白训练集和独立检验集数据分布
Table 1 Training and testing datasets of the eight membrane protein types 〗 Type Single - pass type I Single - pass type II Single - pass type III Single - pass type IV Multipass Lipid - chain anchor GPI anchor Peripheral Overall Training dataset 610 312 24 44 1316 151 182 610 3249 Independent testing dataset 444 78 6 12 3265 38 46 444 4333