清華交叉信息研究院曾堅(jiān)陽(yáng)課題組和藥學(xué)院陳立功課題組合作發(fā)表藥物-標(biāo)靶相互作用預(yù)測(cè)的新穎機(jī)器學(xué)習(xí)算法

清華新聞網(wǎng)9月19日電 清華大學(xué)交叉信息研究院曾堅(jiān)陽(yáng)課題組和藥學(xué)院陳立功課題組合作開(kāi)展的關(guān)于大規(guī)模異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中藥物-標(biāo)靶相互作用預(yù)測(cè)的論文《基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)信息整合的藥物-靶標(biāo)相互作用預(yù)測(cè)和藥物的重新定位》（ A Network Integration Approach for Drug-Target Interaction Prediction and Computational Drug Repositioning from Heterogeneous Information）于近日發(fā)表在《自然·通訊》（Nature Communications）期刊上。該項(xiàng)研究工作提出了一套新穎的預(yù)測(cè)藥物-標(biāo)靶相互作用的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，預(yù)測(cè)并發(fā)現(xiàn)了新的藥物-標(biāo)靶基因相互作用關(guān)系，并且得到了濕實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。該工作對(duì)大規(guī)模生物數(shù)據(jù)整合及預(yù)測(cè)、藥物開(kāi)發(fā)與重新利用具有很大意義。

藥物-標(biāo)靶相互作用機(jī)制。

藥物-標(biāo)靶相互作用預(yù)測(cè)是藥物發(fā)現(xiàn)和重定位的關(guān)鍵步驟。大規(guī)?；蚪M、化學(xué)和藥理數(shù)據(jù)的出現(xiàn)為藥物-標(biāo)靶相互作用預(yù)測(cè)提供了新的機(jī)會(huì)，但如何系統(tǒng)且高效地整合大規(guī)模異構(gòu)數(shù)據(jù)是當(dāng)前的研究難點(diǎn)。曾堅(jiān)陽(yáng)課題組和陳立功課題組提出了一套全新的藥物-標(biāo)靶相互作用預(yù)測(cè)方法，該工作從目前已有的大規(guī)模數(shù)據(jù)庫(kù)出發(fā)，構(gòu)建了一個(gè)涵蓋描述標(biāo)靶基因、藥物、藥物副作用、疾病等相互作用或者聯(lián)系的大規(guī)模異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。

另外，在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，兩個(gè)研究組共同提出了一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)散的藥物-靶標(biāo)相互作用預(yù)測(cè)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法。該算法使用特征學(xué)習(xí)算法，用低維表示刻畫(huà)了每一個(gè)藥物及基因的拓?fù)湫再|(zhì)，從而去除生物數(shù)據(jù)中的噪音，提取出藥物和基因的功能信息，并提升預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。與現(xiàn)有常見(jiàn)的預(yù)測(cè)算法的比較，該方法在預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率上取得了顯著的提高。此外，該方法所預(yù)測(cè)的新相互關(guān)系大部分能夠從已知的數(shù)據(jù)庫(kù)或者近期文獻(xiàn)中的新結(jié)果獲得證實(shí)。

曾堅(jiān)陽(yáng)研究組進(jìn)一步同清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院的陳立功實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行合作，對(duì)該方法預(yù)測(cè)的且未被之前研究工作所報(bào)道的藥物-靶標(biāo)相互作用關(guān)系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該方法預(yù)測(cè)的存在于胺丁羥磷酸鹽（Alendronate），替米沙坦 （Telmisartan）和氯磺丙脲 （Chlorpropamide）這三種藥以及PTGS1和PTGS2這兩種標(biāo)靶基因之間的作用關(guān)系在實(shí)驗(yàn)中確實(shí)顯現(xiàn)了相互作用現(xiàn)象。對(duì)這些藥物對(duì)靶標(biāo)的下游基因表達(dá)的影響的進(jìn)一步分析以及它們對(duì)炎癥因子表達(dá)的影響表明上述幾種藥也可能具有抗炎癥的功能。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)這三個(gè)藥物的重新定位及后續(xù)相關(guān)研究具有重要的意義。

該項(xiàng)工作的合作者還有美國(guó)伊利諾伊大學(xué)香檳分校彭健教授研究組。該論文的共同第一作者為交叉信息研究院計(jì)算機(jī)科學(xué)實(shí)驗(yàn)班（姚班）2012級(jí)本科生羅宇男（目前在美國(guó)伊利諾伊大學(xué)香檳分校攻讀博士學(xué)位）、藥學(xué)院博士生趙心彬以及藥學(xué)院2012級(jí)本科生周鏡天（目前在美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校攻讀博士學(xué)位）。論文通訊作者為曾堅(jiān)陽(yáng)教授、陳立功教授和彭健教授。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金和清華大學(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心的經(jīng)費(fèi)支持。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-017-00680-8

供稿：交叉信息研究院 編輯：華山