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写在前面
在前面文章(miRNA靶基因识别)中,miRNA靶基因识别方法大致划分为相关分析法、回归分析法、贝叶斯网络法和因果推理法等。本次就专门说一下基于IDA(Intervention calculus when the DAG is Absent)因果推理方法识别miRNA靶基因。有关因果推理方法简介参见以前文章(你想了解因果推理吗?)。
01
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动机
已有方法(相关分析法、回归分析法等)只是识别miRNA与靶基因之间的相关关系,然而这些统计关系又不能揭示因果调控关系。对于基因调控网络,它实际上是一个复杂的有向网络图。融合miRNA与靶基因之间的统计关系,只能生成无向网络图。为了得到准确的有向基因调控网络,有必要识别miRNA与靶基因之间的因果关系。在生物实验中,确定因果关系的标准方法是随机控制扰动实验(randomized controlled perturbation experiments)。然而,这种生物实验既昂贵又费时,难以大规模使用。因此,计算方法作为候选方法,旨在从大规模观察数据中识别miRNA和靶基因之间的因果关系。IDA因果推理方法就是这样一种计算方法。
02
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方法简介
IDA方法(如图1)主要有两个关键步骤:i)因果结构学习(Causal structure learning)和ii)因果推断(Causal inference)。因果结构学习采用PC (Peter Spirtes and Clark Glymour)算法预测miRNA与靶基因之间的完全部分有向无环图(completed partially directed acyclic graph,简称CPDAG),因果推断采用do-calculus计算miRNA与靶基因之间因果效应(causal effects)。IDA算法的详细信息,可以参见参考文献[1]描述。
图1 基于IDA因果推理方法识别miRNA与靶基因的因果效应
后话
基于IDA因果推理方法的输入数据是miRNA和靶基因表达谱数据,没有任何先验信息。因此,该方法是一种非监督方法。理论上,给定miRNA和靶基因表达谱数据,除了miRNA-mRNA因果调控关系,IDA因果推理方法能够识别所有可能的因果调控关系(其他包括miRNA-miRNA、mRNA-mRNA和mRNA-miRNA)。但是,如果考虑所有的因果调控关系,计算量势必显著性增加。根据目标决定任务导向,使用因果推理方法之前,最好先要确定感兴趣的因果调控关系。
参考文献:
[1] Le TD, Liu L, Tsykin A, et al. Inferring microRNA-mRNA causal regulatory relationships from expression data. Bioinformatics. 2013; 29(6):765-771. doi:10.1093/bioinformatics/btt048.
[2] Spirtes,P. et al. (2000) Causation, Prediction, and Search, 2nd edn. MIT Press, Cambridge, MA.
[3] Pearl,J. (2000) Causality: Models, Reasoning, and Inference. Cambridge University Press, Cambridge.
[4] Kalisch,M. and Buhlmann,P. (2007) Estimating high-dimensional directed acyclic graphs with the PC-algorithm. J. Mach. Learn. Res., 8, 613–636.
[5] Maathuis HM. et al. (2009) Estimating high-dimensional intervention effects from observational data. Ann. Stat., 37, 3133–3164.
[6] Maathuis HM. et al. (2010) Predicting causal effects in large-scale systems from observational data. Nat. Methods, 7, 247–249.
更多背景知识如下:
1. miRNA是何方神圣?
11. miRNA靶基因识别
12. miRNA靶基因识别:下一步
14. miRNA靶基因之预测型数据库
15. miRNA靶基因之综合型数据库
16. miRNA靶基因之miRLAB
18. miRNA与TF互为调控
19. miRNA与人类疾病
20. miRNA靶基因与人类疾病
21. miRNA与EMT
22. miRNA协作
23. miRNA协作之MFSN
24. miRNA协作之因果推理方法
25. 单细胞水平miRNA调控
号外,为了便于交流,我们为miRNA介导的ceRNA研究在Frontiers in Molecular Biosciences杂志( 2020_IF = 5.246)整了个专刊,主题为“Computational Identification of ceRNA Regulation”。投稿链接:https://www.frontiersin.org/research-topics/24340/。
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