The standardized annotation of biomedical related objects, often organized in dedicated catalogues, strongly promoted the organization of biological concepts into controlled vocabularies, i.e. ontologies by which related terms of the underlying biological domain are structured according to a predefined hierarchy. Indeed large ontologies have been developed by the scientific community to structure and organize the gene and protein taxonomy of all the living organisms from Archea to Metazoa, i.e. the Gene Ontology, or human specific ontologies, such as the Human Phenotype Ontology, that provides a structured taxonomy of the abnormal human phenotypes associated with diseases. These ontologies, offering a coded and well-defined classification space for biological entities such as genes and proteins, favor the development of machine learning methods able to predict features of biological objects like the association between a human gene and a disease, with the aim to drive wet lab research allowing a reduction of the costs and a more effective usage of the available research funds. Despite the soundness of the aforementioned objectives, the resulting multi-label classification problems raise so complex machine learning issues that until recently the far common approach was the “flat” prediction, i.e. simply training a classifier for each term in the controlled vocabulary and ignoring the relationships between terms. This approach was not only justified by the need to reduce the computational complexity of the learning task, but also by the somewhat “unstable” nature of the terms composing the controlled vocabularies, because they were (and are) updated on a monthly basis in a process performed by expert curators and based on biomedical literature, and wet and in-silico experiments. In this context, two main general classes of classifiers have been proposed in literature. On the one hand, “hierarchy-unaware” learning methods predict labels in a “flat” way without exploiting the inherent structure of the annotation space. On the other hand, “hierarchy-aware” learning methods can improve the accuracy and the precision of the predictions by considering the hierarchical relationships between ontology terms. Moreover these methods can guarantee the consistency of the predicted labels according to the “true path rule”, that is the biological and logical rule that governs the internal coherence of biological ontologies. To properly handle the hierarchical relationships linking the ontology terms, two main classes of structured output methods have been proposed in literature: the first one is based on kernelized methods for structured output spaces, the second on hierarchical ensemble methods for ontology-based predictions. However both these approaches suffer of significant drawbacks. The kernel-based methods for structured output space are computationally intensive and do not scale well when applied to complex multi-label bio-ontologies. Most hierarchical ensemble methods have been conceived for tree-structured taxonomies and the few ones specifically developed for the prediction in DAG-structured output spaces are, in most cases, unable to improve prediction performances over flat methods. To overcome these limitations, in this thesis novel “ontology-aware” ensemble methods have been developed, able to handle DAG-structured ontologies, leveraging previous results obtained with “true-path-rule”-based hierarchical learning algorithms. These methods are highly modular in the sense that they adopt a “two-step” learning strategy: in the first step they learn separately each term of the ontology using flat methods, and in the second they properly combine the flat predictions according to the hierarchy of the classes. The main contributions of this thesis are both methodological and experimental. From a methodological standpoint, novel hierarchical ensemble methods are proposed, including: a) HTD (Hierarchical Top-Down algorithm for DAG structured ontologies); b) TPR-DAG (True Path Rule ensemble for DAG) with several variants; c) ISO-TPR, a novel ensemble method that combines the True Path Rule approach with Isotonic Regression. For all these methods a formal proof of their consistency, i.e. the guarantee of providing predictions that “respect” the hierarchical relationships between classes, is provided. From an experimental standpoint, extensive genome and ontology-wide results show that the proposed methods: a) are competitive with state-of-the-art prediction algorithms; b) are able to improve flat machine learning classifiers, if the base learners can provide non random predictions; c) are able to predict new associations between genes and human abnormal phenotypes, a crucial step to discover novel genes associated with human diseases ranging from genetic disorders to cancer; d) scale nicely with large datasets and bio-ontologies. Finally HEMDAG, a novel R library implementing the proposed hierarchical ensemble methods has been developed and publicly delivered.

L'annotazione standardizzata di entità biologiche, quali geni e proteine, ha fortemente promosso l'organizzazione dei concetti biologici in vocabolari controllati, cioè ontologie che consentono di indicizzare in modo coerente le relazioni tra le diverse classi funzionali organizzate secondo una gerarchia predefinita. Esempi di ontologie biologiche in cui i termini funzionali sono strutturati secondo un grafo diretto aciclico (DAG) sono la Gene Ontology (GO) e la Human Phenotype Ontology (HPO). Tali tassonomie gerarchiche vengono utilizzate dalla comunità scientifica rispettivamente per sistematizzare le funzioni proteiche di tutti gli organismi viventi dagli Archea ai Metazoa e per categorizzare le anomalie fenotipiche associate a malattie umane. Tali bio-ontologie, offrendo uno spazio di classificazione ben definito, hanno favorito lo sviluppo di metodi di apprendimento per la predizione automatizzata della funzione delle proteine e delle associazioni gene-fenotipo patologico nell'uomo. L'obiettivo di tali metodologie consiste nell'“indirizzare” la ricerca “in-vitro” per favorire una riduzione delle spese ed un uso più efficace dei fondi destinati alla ricerca. Dal punto di vista dell'apprendimento automatico il problema della predizione della funzione delle proteine o delle associazioni gene-fenotipo patologico nell'uomo può essere modellato come un problema di classificazione multi-etichetta strutturato, in cui le predizioni associate ad ogni esempio (i.e., gene o proteina) sono sotto-grafi organizzati secondo una determinata struttura (albero o DAG). A causa della complessità del problema di classificazione, ad oggi l'approccio di predizione più comunemente utilizzato è quello “flat”, che consiste nell'addestrare un classificatore separatamente per ogni termine dell'ontologia senza considerare le relazioni gerarchiche esistenti tra le classi funzionali. L'utilizzo di questo approccio è giustificato non soltanto dal fatto di ridurre la complessità computazionale del problema di apprendimento, ma anche dalla natura “instabile” dei termini che compongono l'ontologia stessa. Infatti tali termini vengono aggiornati mensilmente mediante un processo curato da esperti che si basa sia sulla letteratura scientifica biomedica che su dati sperimentali ottenuti da esperimenti eseguiti “in-vitro” o “in-silico”. In questo contesto, in letteratura sono stati proposti due classi generali di classificatori. Da una parte, si collocano i metodi di apprendimento automatico che predicono le classi funzionali in modo “flat”, ossia senza esplorare la struttura intrinseca dello spazio delle annotazioni. Dall'altra parte, gli approcci gerarchici che, considerando esplicitamente le relazioni gerarchiche fra i termini funzionali dell'ontologia, garantiscono che le annotazioni predette rispettino la “true-path-rule”, la regola biologica che governa le ontologie. Nell'ambito dei metodi gerarchici, in letteratura sono stati proposti due diverse categorie di approcci. La prima si basa su metodi kernelizzati per predizioni con output strutturato, mentre la seconda su metodi di ensemble gerarchici. Entrambi questi metodi presentano alcuni svantaggi. I primi sono computazionalmente pesanti e non scalano bene se applicati ad ontologie biologiche. I secondi sono stati per la maggior parte concepiti per tassonomie strutturate ad albero, e quei pochi approcci specificatamente progettati per ontologie strutturate secondo un DAG, sono nella maggioranza dei casi incapaci di migliorare le performance di predizione dei metodi “flat”. Per superare queste limitazioni, nel presente lavoro di tesi si sono proposti dei nuovi metodi di ensemble gerarchici capaci di fornire predizioni consistenti con la struttura gerarchica dell'ontologia. Tali approcci, da un lato estendono precedenti metodi originariamente sviluppati per ontologie strutturate ad albero ad ontologie organizzate secondo un DAG e dall'altro migliorano significativamente le predizioni rispetto all'approccio “flat” indipendentemente dalla scelta del tipo di classificatore utilizzato. Nella loro forma più generale, gli approcci di ensemble gerarchici sono altamente modulari, nel senso che adottano una strategia di apprendimento a due passi. Nel primo passo, le classi funzionali dell'ontologia vengono apprese in modo indipendente l'una dall'altra, mentre nel secondo passo le predizioni “flat” vengono combinate opportunamente tenendo conto delle gerarchia fra le classi ontologiche. I principali contributi introdotti nella presente tesi sono sia metodologici che sperimentali. Da un punto di vista metodologico, sono stati proposti i seguenti nuovi metodi di ensemble gerarchici: a) HTD-DAG (Hierarchical Top-Down per tassonomie DAG strutturate); b) TPR-DAG (True-Path-Rule per DAG) con diverse varianti algoritmiche; c) ISO-TPR (True-Path-Rule con Regressione Isotonica), un nuovo algoritmo gerarchico che combina la True-Path-Rule con metodi di regressione isotonica. Per tutti i metodi di ensemble gerarchici è stato dimostrato in modo formale la coerenza delle predizioni, cioè è stato provato come gli approcci proposti sono in grado di fornire predizioni che rispettano le relazioni gerarchiche fra le classi. Da un punto di vista sperimentale, risultati a livello dell'intero genoma di organismi modello e dell'uomo ed a livello della totalità delle classi incluse nelle ontologie biologiche mostrano che gli approcci metodologici proposti: a) sono competitivi con gli algoritmi di predizione output strutturata allo stato dell'arte; b) sono in grado di migliorare i classificatori “flat”, a patto che le predizioni fornite dal classificatore non siano casuali; c) sono in grado di predire nuove associazioni tra geni umani e fenotipi patologici, un passo cruciale per la scoperta di nuovi geni associati a malattie genetiche umane e al cancro; d) scalano bene su dataset costituiti da decina di migliaia di esempi (i.e., proteine o geni) e su tassonomie costituite da migliaia di classi funzionali. Infine, i metodi proposti in questa tesi sono stati implementati in una libreria software scritta in linguaggio R, HEMDAG (Hierarchical Ensemble Methods per DAG), che è pubblica, liberamente scaricabile e disponibile per i sistemi operativi Linux, Windows e Macintosh.

HIERARCHICAL ENSEMBLE METHODS FOR ONTOLOGY-BASED PREDICTIONS IN COMPUTATIONAL BIOLOGY / M. Notaro ; advisor: G. Valentini ; co-advisor: M. Re' ; school director: P. Boldi. - : . DIPARTIMENTO DI INFORMATICA Giovanni Degli Antoni, 2019 Feb 01. ((31. ciclo, Anno Accademico 2018. [10.13130/notaro-marco_phd2019-02-01].

HIERARCHICAL ENSEMBLE METHODS FOR ONTOLOGY-BASED PREDICTIONS IN COMPUTATIONAL BIOLOGY

M. Notaro
2019-02-01

Abstract

L'annotazione standardizzata di entità biologiche, quali geni e proteine, ha fortemente promosso l'organizzazione dei concetti biologici in vocabolari controllati, cioè ontologie che consentono di indicizzare in modo coerente le relazioni tra le diverse classi funzionali organizzate secondo una gerarchia predefinita. Esempi di ontologie biologiche in cui i termini funzionali sono strutturati secondo un grafo diretto aciclico (DAG) sono la Gene Ontology (GO) e la Human Phenotype Ontology (HPO). Tali tassonomie gerarchiche vengono utilizzate dalla comunità scientifica rispettivamente per sistematizzare le funzioni proteiche di tutti gli organismi viventi dagli Archea ai Metazoa e per categorizzare le anomalie fenotipiche associate a malattie umane. Tali bio-ontologie, offrendo uno spazio di classificazione ben definito, hanno favorito lo sviluppo di metodi di apprendimento per la predizione automatizzata della funzione delle proteine e delle associazioni gene-fenotipo patologico nell'uomo. L'obiettivo di tali metodologie consiste nell'“indirizzare” la ricerca “in-vitro” per favorire una riduzione delle spese ed un uso più efficace dei fondi destinati alla ricerca. Dal punto di vista dell'apprendimento automatico il problema della predizione della funzione delle proteine o delle associazioni gene-fenotipo patologico nell'uomo può essere modellato come un problema di classificazione multi-etichetta strutturato, in cui le predizioni associate ad ogni esempio (i.e., gene o proteina) sono sotto-grafi organizzati secondo una determinata struttura (albero o DAG). A causa della complessità del problema di classificazione, ad oggi l'approccio di predizione più comunemente utilizzato è quello “flat”, che consiste nell'addestrare un classificatore separatamente per ogni termine dell'ontologia senza considerare le relazioni gerarchiche esistenti tra le classi funzionali. L'utilizzo di questo approccio è giustificato non soltanto dal fatto di ridurre la complessità computazionale del problema di apprendimento, ma anche dalla natura “instabile” dei termini che compongono l'ontologia stessa. Infatti tali termini vengono aggiornati mensilmente mediante un processo curato da esperti che si basa sia sulla letteratura scientifica biomedica che su dati sperimentali ottenuti da esperimenti eseguiti “in-vitro” o “in-silico”. In questo contesto, in letteratura sono stati proposti due classi generali di classificatori. Da una parte, si collocano i metodi di apprendimento automatico che predicono le classi funzionali in modo “flat”, ossia senza esplorare la struttura intrinseca dello spazio delle annotazioni. Dall'altra parte, gli approcci gerarchici che, considerando esplicitamente le relazioni gerarchiche fra i termini funzionali dell'ontologia, garantiscono che le annotazioni predette rispettino la “true-path-rule”, la regola biologica che governa le ontologie. Nell'ambito dei metodi gerarchici, in letteratura sono stati proposti due diverse categorie di approcci. La prima si basa su metodi kernelizzati per predizioni con output strutturato, mentre la seconda su metodi di ensemble gerarchici. Entrambi questi metodi presentano alcuni svantaggi. I primi sono computazionalmente pesanti e non scalano bene se applicati ad ontologie biologiche. I secondi sono stati per la maggior parte concepiti per tassonomie strutturate ad albero, e quei pochi approcci specificatamente progettati per ontologie strutturate secondo un DAG, sono nella maggioranza dei casi incapaci di migliorare le performance di predizione dei metodi “flat”. Per superare queste limitazioni, nel presente lavoro di tesi si sono proposti dei nuovi metodi di ensemble gerarchici capaci di fornire predizioni consistenti con la struttura gerarchica dell'ontologia. Tali approcci, da un lato estendono precedenti metodi originariamente sviluppati per ontologie strutturate ad albero ad ontologie organizzate secondo un DAG e dall'altro migliorano significativamente le predizioni rispetto all'approccio “flat” indipendentemente dalla scelta del tipo di classificatore utilizzato. Nella loro forma più generale, gli approcci di ensemble gerarchici sono altamente modulari, nel senso che adottano una strategia di apprendimento a due passi. Nel primo passo, le classi funzionali dell'ontologia vengono apprese in modo indipendente l'una dall'altra, mentre nel secondo passo le predizioni “flat” vengono combinate opportunamente tenendo conto delle gerarchia fra le classi ontologiche. I principali contributi introdotti nella presente tesi sono sia metodologici che sperimentali. Da un punto di vista metodologico, sono stati proposti i seguenti nuovi metodi di ensemble gerarchici: a) HTD-DAG (Hierarchical Top-Down per tassonomie DAG strutturate); b) TPR-DAG (True-Path-Rule per DAG) con diverse varianti algoritmiche; c) ISO-TPR (True-Path-Rule con Regressione Isotonica), un nuovo algoritmo gerarchico che combina la True-Path-Rule con metodi di regressione isotonica. Per tutti i metodi di ensemble gerarchici è stato dimostrato in modo formale la coerenza delle predizioni, cioè è stato provato come gli approcci proposti sono in grado di fornire predizioni che rispettano le relazioni gerarchiche fra le classi. Da un punto di vista sperimentale, risultati a livello dell'intero genoma di organismi modello e dell'uomo ed a livello della totalità delle classi incluse nelle ontologie biologiche mostrano che gli approcci metodologici proposti: a) sono competitivi con gli algoritmi di predizione output strutturata allo stato dell'arte; b) sono in grado di migliorare i classificatori “flat”, a patto che le predizioni fornite dal classificatore non siano casuali; c) sono in grado di predire nuove associazioni tra geni umani e fenotipi patologici, un passo cruciale per la scoperta di nuovi geni associati a malattie genetiche umane e al cancro; d) scalano bene su dataset costituiti da decina di migliaia di esempi (i.e., proteine o geni) e su tassonomie costituite da migliaia di classi funzionali. Infine, i metodi proposti in questa tesi sono stati implementati in una libreria software scritta in linguaggio R, HEMDAG (Hierarchical Ensemble Methods per DAG), che è pubblica, liberamente scaricabile e disponibile per i sistemi operativi Linux, Windows e Macintosh.
VALENTINI, GIORGIO
BOLDI, PAOLO
The standardized annotation of biomedical related objects, often organized in dedicated catalogues, strongly promoted the organization of biological concepts into controlled vocabularies, i.e. ontologies by which related terms of the underlying biological domain are structured according to a predefined hierarchy. Indeed large ontologies have been developed by the scientific community to structure and organize the gene and protein taxonomy of all the living organisms from Archea to Metazoa, i.e. the Gene Ontology, or human specific ontologies, such as the Human Phenotype Ontology, that provides a structured taxonomy of the abnormal human phenotypes associated with diseases. These ontologies, offering a coded and well-defined classification space for biological entities such as genes and proteins, favor the development of machine learning methods able to predict features of biological objects like the association between a human gene and a disease, with the aim to drive wet lab research allowing a reduction of the costs and a more effective usage of the available research funds. Despite the soundness of the aforementioned objectives, the resulting multi-label classification problems raise so complex machine learning issues that until recently the far common approach was the “flat” prediction, i.e. simply training a classifier for each term in the controlled vocabulary and ignoring the relationships between terms. This approach was not only justified by the need to reduce the computational complexity of the learning task, but also by the somewhat “unstable” nature of the terms composing the controlled vocabularies, because they were (and are) updated on a monthly basis in a process performed by expert curators and based on biomedical literature, and wet and in-silico experiments. In this context, two main general classes of classifiers have been proposed in literature. On the one hand, “hierarchy-unaware” learning methods predict labels in a “flat” way without exploiting the inherent structure of the annotation space. On the other hand, “hierarchy-aware” learning methods can improve the accuracy and the precision of the predictions by considering the hierarchical relationships between ontology terms. Moreover these methods can guarantee the consistency of the predicted labels according to the “true path rule”, that is the biological and logical rule that governs the internal coherence of biological ontologies. To properly handle the hierarchical relationships linking the ontology terms, two main classes of structured output methods have been proposed in literature: the first one is based on kernelized methods for structured output spaces, the second on hierarchical ensemble methods for ontology-based predictions. However both these approaches suffer of significant drawbacks. The kernel-based methods for structured output space are computationally intensive and do not scale well when applied to complex multi-label bio-ontologies. Most hierarchical ensemble methods have been conceived for tree-structured taxonomies and the few ones specifically developed for the prediction in DAG-structured output spaces are, in most cases, unable to improve prediction performances over flat methods. To overcome these limitations, in this thesis novel “ontology-aware” ensemble methods have been developed, able to handle DAG-structured ontologies, leveraging previous results obtained with “true-path-rule”-based hierarchical learning algorithms. These methods are highly modular in the sense that they adopt a “two-step” learning strategy: in the first step they learn separately each term of the ontology using flat methods, and in the second they properly combine the flat predictions according to the hierarchy of the classes. The main contributions of this thesis are both methodological and experimental. From a methodological standpoint, novel hierarchical ensemble methods are proposed, including: a) HTD (Hierarchical Top-Down algorithm for DAG structured ontologies); b) TPR-DAG (True Path Rule ensemble for DAG) with several variants; c) ISO-TPR, a novel ensemble method that combines the True Path Rule approach with Isotonic Regression. For all these methods a formal proof of their consistency, i.e. the guarantee of providing predictions that “respect” the hierarchical relationships between classes, is provided. From an experimental standpoint, extensive genome and ontology-wide results show that the proposed methods: a) are competitive with state-of-the-art prediction algorithms; b) are able to improve flat machine learning classifiers, if the base learners can provide non random predictions; c) are able to predict new associations between genes and human abnormal phenotypes, a crucial step to discover novel genes associated with human diseases ranging from genetic disorders to cancer; d) scale nicely with large datasets and bio-ontologies. Finally HEMDAG, a novel R library implementing the proposed hierarchical ensemble methods has been developed and publicly delivered.
Hierarchical Ensemble Methods; Hierarchical Multi-Label Classification; Human Phenotype Ontology; Gene Ontology; Gene-Abnormal Phenotype Association; Protein Function Prediction; Human Phenotype Ontology Term Prediction; Gene Ontology Term Prediction; Phenotype Gene Prioritization; Bioinformatics; Computational Biology; Machine Learning
Settore INF/01 - Informatica
Settore BIO/11 - Biologia Molecolare
Settore ING-INF/05 - Sistemi di Elaborazione delle Informazioni
https://doi.org/10.1186/s12859-017-1854-y
https://doi.org/10.1007/978-3-319-20248-8_2
https://doi.org/10.1007/978-3-319-16483-0_7
HIERARCHICAL ENSEMBLE METHODS FOR ONTOLOGY-BASED PREDICTIONS IN COMPUTATIONAL BIOLOGY / M. Notaro ; advisor: G. Valentini ; co-advisor: M. Re' ; school director: P. Boldi. - : . DIPARTIMENTO DI INFORMATICA Giovanni Degli Antoni, 2019 Feb 01. ((31. ciclo, Anno Accademico 2018. [10.13130/notaro-marco_phd2019-02-01].
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