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상호작용 중요도 행렬을 이용한 단백질-단백질 상호작용 예측
Protein-Protein Interaction Prediction using Interaction Significance Matrix 원문보기

정보과학회논문지. Journal of KIISE. 소프트웨어 및 응용, v.36 no.10, 2009년, pp.851 - 860  

장우혁 (KAIST 정보통신공학과) ,  정석훈 (KAIST 정보통신공학과) ,  정휘성 (KAIST 정보통신공학과) ,  현보라 (KAIST 정보통신공학과) ,  한동수 (KAIST 전산학과)

초록
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최근 계산을 통한 단백질 상호작용 예측 기법 중, 단백질 쌍이 포함하고 있는 도메인들 사이의 관계에 중점을 둔 도메인 정보 기반 예측 기법들이 다양하게 제안되고 있다. 하지만, 다수의 도메인 쌍들이 상호작용에 기여하는 정도를 정밀하게 반영하는 계산 기법은 드문 실정이다. 본 논문에서는 단백질 상호작용에 있어 도메인 조합 쌍의 상호작용 영향력을 수치화하여 반영한 상호작용 중요도 행렬을 고안하고 이를 기반으로 한 단백질 상호작용 예측 시스템을 구현한다. 일반적인 도메인 조합 기법과 달리, 상호작용 중요도 행렬에서는 상호작용을 위한 도메인간의 협업 확률이 고려된 Weighted 도메인 조합과, 다수의 Weighted 도메인 조합 중 실제 상호작용 주체가 될 확률을 도메인 조합 쌍의 힘(Domain Combination Pair Power, DCPPW)으로 수치화한다. DIP과 IntAct에서 얻어온 S. cerevisiae의 단백질 상호작용 데이터와 Pfam-A 도메인 정보를 사용한 정확도 검증 결과, 평균 63%의 민감도와 94%의 특이도를 확인하였으며, 학습집단의 증가에 따른 안정적인 예측 정확도 향상을 보였다. 본 논문에서 구현한 예측 시스템과 학습 데이터는 웹(http://code.google.com/p/prespi)을 통하여 내려 받을 수 있다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Recently, among the computational methods of protein-protein interaction prediction, vast amounts of domain based methods originated from domain-domain relation consideration have been developed. However, it is true that multi domains collaboration is avowedly ignored because of computational comple...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 사용하였다. 또한 상호작용하는 단백질 쌍의 검증 집단과 동일한 수의 무작위로 생성된 단백질 쌍의 집단을 상호작용하지 않는 집단의 검증을 위해 사용하였다. 검증 결과는 예측결과를 통계적으로 측정할 수 있는 대표적인 지표인 Sensitivity와 Specificity를 통해 나타낸다.
  • 본 논문에서는 기존의 도메인 조합 기반 출현 확률행렬 기반의 단백질 상호작용 기법을 수정 보완한 상호작용 중요도 행렬 기반의 예측 방식을 고안하였다. 출현확률 행렬 기반의 예측에서는 단백질 상호작용 쌍이 생성할 수 있는 도메인 조합 쌍의 중요도가 동일하다고가정하였다.
  • 본 논문에서는 단백질 상호작용 데이터에서 도메인조합 쌍의 상호작용 영향력을 수치화하는 상호작용 중요도 행렬(Interaction Significance)을 제안한다. 행렬의 구축을 위해, 하나의 단백질 내에 포함된 도메인 조합을 협업 가능성에 따라 차등을 둔 Weighted 도메인 조합으로 확장하였고, 이를 바탕으로 하나의 상호작용에서 단백질 쌍이 생성할 수 있는 여러 Weighted 도메인 조합 중 실제 상호작용 주체가 될 확률을 도메인 조합 쌍의 힘 (Domain Combination Pair Power, DCPPW>으로 정의하였다.
  • 관계를 가지고 있다. 본 예측 시스템에서는 단백질 상호작용이 가지는 여러 도메인 조합 쌍들 간의 상호작용들 중에 적어도 하나의 유효한 상호작용이 존재 할 경우 단백질 상호작용이 일어난다고 보고 예측을 진행하였다. 기존 예측 시스템의 AP matrix[13, 14]는 각 원소들의 전체 합이 1로 두 개의 행렬(상호작용 하는 단백질 쌍과 상호작용하지 않는 단백질 쌍에 대한 행렬) 을 서로 비교하여 상호작용 확률을 예측하였다.
  • Han[13] 그룹은 도메인 간의 상호 영향력을 확률 값에 포함하기 위해 도메인 조합(domain combination)-®- 제안하고, 이들 조합간의 상호작용 정보를 바탕으로 단백질 쌍의 상호작용을 예측하는 방법을 고안하였다. 이때, 실험적으로 밝혀진 단백질 상호작용 쌍에서 도메인조합의 줄현 빈도를 줄현 확률 행렬(Appearance Probability Matrix)로 구성하고 미지의 단백질 쌍에 대한 상호작용 가능성을 확률 값으로 제공하고자 하였다. 그러나 출현 확률 행렬에서는 모든 도메인 조합의 상호작용 기여도를 동일하다고 가정하고 있으며, 예즉에 있어서도 출현 확률 행렬에 포함되어 있지 않은 도메인을 제외함으로써, 예측 가능한 단백질 쌍의 범위가 줄어드는 문제점을 지니고 있다.

가설 설정

  • 학습에 사용하였다. 그러나, 본 연구에서는 도메인 조합 쌍이 생성될 수 있는 경우의 수가 매우 크다는 점과, 이에 반해 실험적으로 밝혀진 단백질 상호작용 쌍의 개수가 비교적 적음에도 불구하고 중복되는 도메인조합 쌍이 다수 발견됨에 주목하고, 학습에서 비 상호작용 쌍의 사용을 배제하였다.
  • 대부분의 연구에서는 단백질 쌍 각각의 도메인들이 상호작용하여 단백질 상호작용을 이룬다는 관점을 바탕으로 예측 모델을 제안하였다. 도메인 조합은 기존의 단일 도메인이 아닌 도메인 조합 쌍이 상호작용의 단위라는 가정을 바탕으로 한다. 이것은 도메인이 기본 기능 단위로 간주된다.
  • 출현확률 행렬 기반의 예측에서는 단백질 상호작용 쌍이 생성할 수 있는 도메인 조합 쌍의 중요도가 동일하다고가정하였다. 반면, 새롭게 제안하는 상호작용 중요도 행렬에서는 도메인 조합 쌍이 상호작용에서 실제로 영향을 미칠 확률을 차등 계산하도록 하였다.
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참고문헌 (14)

  1. Marcotte, E., Pellegrini, M., Ng, H., Rice, D., Yeates, T., Eisenberg, D., 'Detecting protein function and protein-protein interactions from genome sequences,' Science, 285, pp.751-753, 1999 

  2. Szilagyi A, Grimm V, Arakaki A, Skolnick J, 'Prediction of physical protein-protein interactions,' Phys Biol., 2, S1-S16, 2005 

  3. Sprinzak, E., Margalit, H., 'Correlated sequencesignatures as markers of protein-protein interaction,' J. Mol. Biol., 311, pp.681-692, 2001 

  4. Deng, M., Mehta, S., Sun, F., Chen, T., 'Inferring domain-domain interactions from protein-protein interactions,' Genome Res., 12, pp.1540-1548, 2002 

  5. Chen, L., Wu, L., Y. W., Zhang, X., 'Inferring protein interactions from experimental data by association probabilistic method,' Proteins, 62, pp.833-837, 

  6. Liu, Y., Liu, N., Zhao, H., 'Inferring proteinprotein interactions through high-throughput interaction data from diverse organisms,' Bioinformatics, 21, pp.3279-3285, 2005 

  7. Dohkan, S., Koike, A., Takagi, T., 'Support vector machines for predicting protein-protein interactions,' Genome Inform, 14, pp.502-503, 2003 

  8. Riley, R., Lee, C., Sabatti, C., Eisenberg, D., 'Inferring protein domain interactions from databases of interacting proteins,' Genome Biology, 6,R89, 2005 

  9. Moza, B., Buonpane, R., Zhu, P., Herfst, C., Rahman, A., McCormick, J., Kranz, D., Sundberg, E., 'Long-range cooperative binding effects in a T cell receptor variable domain,' Proc Natl Acad Sci, 103, pp.9867-9872, 2006 

  10. S.H. Jung, H.Y. Hur, D. Kim, D.S. Han, 'Identification of Conserved Domain Combinations in S. cerevisiae Proteins,' Bioinformatics and Bioengineering, pp.14-20, 2007 

  11. J. Brodie and I. J. McEwan, 'Intra-domain communication between the nterminal and DNAbinding domains of the androgen receptor: modulation of androgen response element DNA binding,' Journal of Molecular Endocrinology, 34, pp.603-615, 2005 

  12. N. B. E. Ronne and K. Dano, 'Domain interplay in the urokinase receptor,' J. Biol. Chem., 217(37), 22, pp.885-22 894, 1996 

  13. Han, D., Kim, H., Jang, W., Lee, S., Jung, S., 'PreSPI: a domain combination based prediction system for protein-protein interaction,' Nucl Acids Res, 32, 

  14. R.S. Wang, Y. Wang, L.Y. Wu, X.S. Zhang, L. Chen, 'Analysis on multi-domain cooperation for predicting protein-protein interactions,' BMC Bioinformatics, 8, pp.2-20, 2007 

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