Published January 15, 2016 | Version v1
Publication Open

A Factor Graph Approach to Automated GO Annotation

  • 1. National University of Rosario
  • 2. Centro Internacional Franco-Argentino de Ciencias de la Información y de Sistemas
  • 3. Centro Científico Tecnólogico - Rosario
  • 4. National Technological University

Description

As volume of genomic data grows, computational methods become essential for providing a first glimpse onto gene annotations. Automated Gene Ontology (GO) annotation methods based on hierarchical ensemble classification techniques are particularly interesting when interpretability of annotation results is a main concern. In these methods, raw GO-term predictions computed by base binary classifiers are leveraged by checking the consistency of predefined GO relationships. Both formal leveraging strategies, with main focus on annotation precision, and heuristic alternatives, with main focus on scalability issues, have been described in literature. In this contribution, a factor graph approach to the hierarchical ensemble formulation of the automated GO annotation problem is presented. In this formal framework, a core factor graph is first built based on the GO structure and then enriched to take into account the noisy nature of GO-term predictions. Hence, starting from raw GO-term predictions, an iterative message passing algorithm between nodes of the factor graph is used to compute marginal probabilities of target GO-terms. Evaluations on Saccharomyces cerevisiae, Arabidopsis thaliana and Drosophila melanogaster protein sequences from the GO Molecular Function domain showed significant improvements over competing approaches, even when protein sequences were naively characterized by their physicochemical and secondary structure properties or when loose noisy annotation datasets were considered. Based on these promising results and using Arabidopsis thaliana annotation data, we extend our approach to the identification of most promising molecular function annotations for a set of proteins of unknown function in Solanum lycopersicum.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

مع نمو حجم البيانات الجينية، تصبح الطرق الحسابية ضرورية لتوفير لمحة أولى عن التعليقات التوضيحية الجينية. تعد طرق التعليق التوضيحي الآلية لعلم الوجود الجيني (GO) القائمة على تقنيات تصنيف المجموعة الهرمية مثيرة للاهتمام بشكل خاص عندما تكون قابلية تفسير نتائج التعليق التوضيحي مصدر قلق رئيسي. في هذه الطرق، يتم الاستفادة من التنبؤات الأولية على المدى GO المحسوبة بواسطة المصنفات الثنائية الأساسية من خلال التحقق من اتساق علاقات GO المحددة مسبقًا. تم وصف كل من استراتيجيات الاستفادة الرسمية، مع التركيز الرئيسي على دقة التعليقات التوضيحية، والبدائل الإرشادية، مع التركيز الرئيسي على قضايا قابلية التوسع، في الأدبيات. في هذه المساهمة، يتم تقديم نهج رسم بياني للعوامل لصياغة المجموعة الهرمية لمشكلة التعليق التوضيحي GO الآلية. في هذا الإطار الرسمي، يتم إنشاء رسم بياني للعامل الأساسي أولاً بناءً على بنية GO ثم يتم إثراؤه لمراعاة الطبيعة الصاخبة لتنبؤات GO. وبالتالي، بدءًا من تنبؤات GO - term الأولية، يتم استخدام خوارزمية تمرير رسالة تكرارية بين عقد الرسم البياني للعامل لحساب الاحتمالات الحدية لمصطلحات GO المستهدفة. أظهرت التقييمات على Saccharomyces cerevisiae و Arabidopsis thaliana و Drosophila melanogaster تسلسل البروتين من مجال الوظيفة الجزيئية GO تحسينات كبيرة على الأساليب المتنافسة، حتى عندما تميزت تسلسلات البروتين بسذاجة بخصائص بنيتها الفيزيائية الكيميائية والثانوية أو عندما تم النظر في مجموعات بيانات التعليقات التوضيحية الصاخبة الفضفاضة. بناءً على هذه النتائج الواعدة وباستخدام بيانات التعليقات التوضيحية لـ Arabidopsis thaliana، فإننا نوسع نهجنا لتحديد معظم التعليقات التوضيحية الواعدة للوظيفة الجزيئية لمجموعة من البروتينات ذات الوظيفة غير المعروفة في Solanum lycopersicum.

Translated Description (French)

À mesure que le volume de données génomiques augmente, les méthodes de calcul deviennent essentielles pour donner un premier aperçu des annotations géniques. Les méthodes d'annotation de l'ontologie génétique automatisée (GO) basées sur des techniques de classification d'ensembles hiérarchiques sont particulièrement intéressantes lorsque l'interprétabilité des résultats d'annotation est une préoccupation majeure. Dans ces méthodes, les prédictions brutes à terme GO calculées par les classificateurs binaires de base sont exploitées en vérifiant la cohérence des relations GO prédéfinies. Les stratégies formelles d'optimisation, axées principalement sur la précision des annotations, et les alternatives heuristiques, axées principalement sur les problèmes d'évolutivité, ont été décrites dans la littérature. Dans cette contribution, une approche graphique factorielle de la formulation d'ensemble hiérarchique du problème d'annotation automatique GO est présentée. Dans ce cadre formel, un graphique des facteurs de base est d'abord construit sur la base de la structure GO, puis enrichi pour prendre en compte la nature bruyante des prédictions GO à terme. Par conséquent, à partir des prédictions brutes à terme GO, un algorithme itératif de passage de message entre les nœuds du graphe de facteurs est utilisé pour calculer les probabilités marginales des termes GO cibles. Les évaluations sur les séquences protéiques de Saccharomyces cerevisiae, Arabidopsis thaliana et Drosophila melanogaster du domaine de la fonction moléculaire GO ont montré des améliorations significatives par rapport aux approches concurrentes, même lorsque les séquences protéiques étaient naïvement caractérisées par leurs propriétés physicochimiques et de structure secondaire ou lorsque des ensembles de données d'annotation bruyants et lâches étaient considérés. Sur la base de ces résultats prometteurs et à l'aide des données d'annotation d'Arabidopsis thaliana, nous étendons notre approche à l'identification des annotations de fonction moléculaire les plus prometteuses pour un ensemble de protéines de fonction inconnue chez Solanum lycopersicum.

Translated Description (Spanish)

A medida que crece el volumen de datos genómicos, los métodos computacionales se vuelven esenciales para proporcionar una primera visión de las anotaciones genéticas. Los métodos de anotación de ontología génica automatizada (GO) basados en técnicas de clasificación de conjuntos jerárquicos son particularmente interesantes cuando la capacidad de interpretación de los resultados de la anotación es una preocupación principal. En estos métodos, las predicciones de términos GO sin procesar calculadas por clasificadores binarios base se aprovechan verificando la consistencia de las relaciones GO predefinidas. Tanto las estrategias formales de apalancamiento, con un enfoque principal en la precisión de las anotaciones, como las alternativas heurísticas, con un enfoque principal en los problemas de escalabilidad, se han descrito en la literatura. En esta contribución, se presenta un enfoque de gráfico de factores para la formulación del conjunto jerárquico del problema de anotación GO automatizado. En este marco formal, primero se construye un gráfico de factores centrales basado en la estructura GO y luego se enriquece para tener en cuenta la naturaleza ruidosa de las predicciones de GO-term. Por lo tanto, a partir de las predicciones de términos GO sin procesar, se utiliza un algoritmo de paso de mensajes iterativo entre los nodos del gráfico de factores para calcular las probabilidades marginales de los términos GO objetivo. Las evaluaciones de las secuencias de proteínas de Saccharomyces cerevisiae, Arabidopsis thaliana y Drosophila melanogaster del dominio de función molecular GO mostraron mejoras significativas con respecto a los enfoques competidores, incluso cuando las secuencias de proteínas se caracterizaron ingenuamente por sus propiedades fisicoquímicas y de estructura secundaria o cuando se consideraron conjuntos de datos de anotaciones ruidosas sueltas. Con base en estos resultados prometedores y utilizando los datos de anotación de Arabidopsis thaliana, ampliamos nuestro enfoque a la identificación de las anotaciones de función molecular más prometedoras para un conjunto de proteínas de función desconocida en Solanum lycopersicum.

Files

journal.pone.0146986&type=printable.pdf

Files (363.1 kB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:d9792fa8c82654d470dbb893013675db
363.1 kB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
A Factor Graph Approach to Automated GO Annotation
Translated title (French)
Une approche factorielle de l'annotation automatisée GO
Translated title (Spanish)
Un enfoque de gráfico de factores para la anotación automatizada de GO

Identifiers

Other
https://openalex.org/W2236494402
DOI
10.1371/journal.pone.0146986

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Argentina

References

  • https://openalex.org/W1089543619
  • https://openalex.org/W1542426682
  • https://openalex.org/W1549656520
  • https://openalex.org/W1552011858
  • https://openalex.org/W1569364271
  • https://openalex.org/W1797354227
  • https://openalex.org/W1822105579
  • https://openalex.org/W1963550288
  • https://openalex.org/W1963701771
  • https://openalex.org/W1964421503
  • https://openalex.org/W1974748283
  • https://openalex.org/W1976300942
  • https://openalex.org/W1978088324
  • https://openalex.org/W1982573407
  • https://openalex.org/W1999432334
  • https://openalex.org/W1999746344
  • https://openalex.org/W2011995958
  • https://openalex.org/W2020832641
  • https://openalex.org/W2028993248
  • https://openalex.org/W2035412505
  • https://openalex.org/W2036652624
  • https://openalex.org/W2038759777
  • https://openalex.org/W2049695588
  • https://openalex.org/W2055043387
  • https://openalex.org/W2060900933
  • https://openalex.org/W2061453990
  • https://openalex.org/W2068055268
  • https://openalex.org/W2069849680
  • https://openalex.org/W2080582085
  • https://openalex.org/W2080729377
  • https://openalex.org/W2090822060
  • https://openalex.org/W2100990314
  • https://openalex.org/W2107662876
  • https://openalex.org/W2107915254
  • https://openalex.org/W2108230379
  • https://openalex.org/W2108256858
  • https://openalex.org/W2109886974
  • https://openalex.org/W2119043225
  • https://openalex.org/W2121893605
  • https://openalex.org/W2127634093
  • https://openalex.org/W2134634502
  • https://openalex.org/W2135043797
  • https://openalex.org/W2135764410
  • https://openalex.org/W2137813581
  • https://openalex.org/W2137917513
  • https://openalex.org/W2138618671
  • https://openalex.org/W2141885858
  • https://openalex.org/W2146122293
  • https://openalex.org/W2147526198
  • https://openalex.org/W2150859678
  • https://openalex.org/W2155440340
  • https://openalex.org/W2158698691
  • https://openalex.org/W2159663778
  • https://openalex.org/W2162300741
  • https://openalex.org/W2163485494
  • https://openalex.org/W2166985665
  • https://openalex.org/W2170282111
  • https://openalex.org/W2461608401
  • https://openalex.org/W3199143553
  • https://openalex.org/W4212774754
  • https://openalex.org/W4246066782
  • https://openalex.org/W4320301318