Фоновая поправка в анализе ДНК-микрочипов

Материал из MachineLearning.

(Различия между версиями)
Перейти к: навигация, поиск
м (→RMA-свёртка)
м (→Ideal mismatch)
Строка 3: Строка 3:
Изначально для анализа фонового эффекта была разработана система так называемых PM-MM проб. Помимо нуклеотидных зондов, в точности соответствующих последовательности каждого рассматриваемого гена (Perfect Match probes), на микрочипах Affymetrix GeneChip размещались зонды, в которых средний (тринадцатый) олигонуклеотид был заменён на комплементарный (Mismatch probe). Предполагалось, что по интенсивности MM-проб можно будет оценить эффект неспецифической гибридизации и вычесть его из интенсивности PM-проб. Этот подход сразу же продемонстрировал свою несостоятельность - было показано, что в среднем для ДНК-микрочипа интенсивность около 30% MM-проб превышает интенсивность соответствующих им PM-проб<ref name="notMM">Naef F, Lim DA, Patil N, Magnasco MO. From features to expression: High-density oligonucleotide array analysis revisited. 2001. http://arxiv.org/abs/physics/0102010/.</ref>. Из-за этого вычитание интенсивностей MM-проб приводит к бессмысленному результату, поскольку экспрессия гена оказывается отрицательной.
Изначально для анализа фонового эффекта была разработана система так называемых PM-MM проб. Помимо нуклеотидных зондов, в точности соответствующих последовательности каждого рассматриваемого гена (Perfect Match probes), на микрочипах Affymetrix GeneChip размещались зонды, в которых средний (тринадцатый) олигонуклеотид был заменён на комплементарный (Mismatch probe). Предполагалось, что по интенсивности MM-проб можно будет оценить эффект неспецифической гибридизации и вычесть его из интенсивности PM-проб. Этот подход сразу же продемонстрировал свою несостоятельность - было показано, что в среднем для ДНК-микрочипа интенсивность около 30% MM-проб превышает интенсивность соответствующих им PM-проб<ref name="notMM">Naef F, Lim DA, Patil N, Magnasco MO. From features to expression: High-density oligonucleotide array analysis revisited. 2001. http://arxiv.org/abs/physics/0102010/.</ref>. Из-за этого вычитание интенсивностей MM-проб приводит к бессмысленному результату, поскольку экспрессия гена оказывается отрицательной.
-
Чтобы нейтрализовать этот эффект, компанией Affymetrix была разработана концепция Ideal Mismatch<ref name="affIM">Affymetrix. Statistical algorithms reference guide. Technical report, Affymetrix, Santa Clara, CA, 2001.</ref>. Идея заключается в том, чтобы делать обычную PM-MM коррекцию там, где это возможно, а в остальных случаях вычитать из интенсивности PM-проб некоторую величину, меньшую интенсивности MM-проб. Для каждого множества проб, соответствующих одному участку ДНК, вычисляется значение специфической фоновой интенсивности <tex>SB</tex>, представляющее собой устойчивое к выбросам среднее по каждой паре проб в множестве логарифмов отношений PM-интенсивностей к MM-интенсивностям. Если <tex>i</tex> - номер пробы, а <tex>k</tex> - номер подмножества проб, то фоновый эффект оценивается следующим выражением:
+
Чтобы нейтрализовать этот эффект, компанией Affymetrix была разработана концепция Ideal Mismatch<ref name="affIM">Affymetrix. Statistical algorithms reference guide. Technical report, Affymetrix, Santa Clara, CA, 2001. http://www.affymetrix.com/support/technical/technotes/statistical_reference_guide.pdf</ref>. Идея заключается в том, чтобы делать обычную PM-MM коррекцию там, где это возможно, а в остальных случаях вычитать из интенсивности PM-проб некоторую величину, меньшую интенсивности MM-проб. Для каждого множества проб, соответствующих одному участку ДНК, вычисляется значение специфической фоновой интенсивности <tex>SB</tex>, представляющее собой устойчивое к выбросам среднее по каждой паре проб в множестве логарифмов отношений PM-интенсивностей к MM-интенсивностям. Если <tex>i</tex> - номер пробы, а <tex>k</tex> - номер подмножества проб, то фоновый эффект оценивается следующим выражением:
<tex>IM_i^{(k)} = \left\{MM_i^{(k)}, \:\:\: MM_i^{(k)}<PM_i^{(k)},\\ \frac{PM_i^{(k)}}{2^{SB_k}}, \:\:\: MM_i^{(k)}\geq PM_i^{(k)}, \: SB_k>\tau_c, \\ \frac{PM_i^{(k)}}{2^{\tau_c/(1+(\tau_c-SB_k)/\tau_s)}}, \:\:\: MM_i^{(k)}\geq PM_i^{(k)}, \: SB_k\leq\tau_c. \right.</tex> <br />
<tex>IM_i^{(k)} = \left\{MM_i^{(k)}, \:\:\: MM_i^{(k)}<PM_i^{(k)},\\ \frac{PM_i^{(k)}}{2^{SB_k}}, \:\:\: MM_i^{(k)}\geq PM_i^{(k)}, \: SB_k>\tau_c, \\ \frac{PM_i^{(k)}}{2^{\tau_c/(1+(\tau_c-SB_k)/\tau_s)}}, \:\:\: MM_i^{(k)}\geq PM_i^{(k)}, \: SB_k\leq\tau_c. \right.</tex> <br />
Строка 10: Строка 10:
Здесь <tex>\tau_c</tex> и <tex>\tau_s</tex> - настраиваемые параметры: <tex>\tau_c</tex> - константа различия со значением по умолчанию 0.03, <tex>\tau_s</tex> - константа масштабирования со значением по умолчанию 10.
Здесь <tex>\tau_c</tex> и <tex>\tau_s</tex> - настраиваемые параметры: <tex>\tau_c</tex> - константа различия со значением по умолчанию 0.03, <tex>\tau_s</tex> - константа масштабирования со значением по умолчанию 10.
-
Итоговое значение интенсивности для PM-проб с учётом фоновой поправки получается вычитанием из исходных значений интенсивностей PM-проб соответствующей им величины <tex>IM</tex>.
+
Итоговое значение интенсивности для PM-проб с учётом фоновой поправки получается вычитанием из исходных значений интенсивностей PM-проб соответствующей им величины <tex>IM</tex>.
== RMA-свёртка ==
== RMA-свёртка ==

Версия 07:34, 12 мая 2010

Фоновая поправка - важный предварительный этап в анализе ДНК-микрочипов. Его необходимость связана с наличием таких мешающих факторов, как шум оптической системы распознавания и неспецифическая гибридизация.

Содержание

Ideal mismatch

Изначально для анализа фонового эффекта была разработана система так называемых PM-MM проб. Помимо нуклеотидных зондов, в точности соответствующих последовательности каждого рассматриваемого гена (Perfect Match probes), на микрочипах Affymetrix GeneChip размещались зонды, в которых средний (тринадцатый) олигонуклеотид был заменён на комплементарный (Mismatch probe). Предполагалось, что по интенсивности MM-проб можно будет оценить эффект неспецифической гибридизации и вычесть его из интенсивности PM-проб. Этот подход сразу же продемонстрировал свою несостоятельность - было показано, что в среднем для ДНК-микрочипа интенсивность около 30% MM-проб превышает интенсивность соответствующих им PM-проб[1]. Из-за этого вычитание интенсивностей MM-проб приводит к бессмысленному результату, поскольку экспрессия гена оказывается отрицательной.

Чтобы нейтрализовать этот эффект, компанией Affymetrix была разработана концепция Ideal Mismatch[1]. Идея заключается в том, чтобы делать обычную PM-MM коррекцию там, где это возможно, а в остальных случаях вычитать из интенсивности PM-проб некоторую величину, меньшую интенсивности MM-проб. Для каждого множества проб, соответствующих одному участку ДНК, вычисляется значение специфической фоновой интенсивности SB, представляющее собой устойчивое к выбросам среднее по каждой паре проб в множестве логарифмов отношений PM-интенсивностей к MM-интенсивностям. Если i - номер пробы, а k - номер подмножества проб, то фоновый эффект оценивается следующим выражением:

IM_i^{(k)} = \left\{MM_i^{(k)}, \:\:\: MM_i^{(k)}<PM_i^{(k)},\\ \frac{PM_i^{(k)}}{2^{SB_k}}, \:\:\: MM_i^{(k)}\geq PM_i^{(k)}, \: SB_k>\tau_c, \\ \frac{PM_i^{(k)}}{2^{\tau_c/(1+(\tau_c-SB_k)/\tau_s)}}, \:\:\: MM_i^{(k)}\geq PM_i^{(k)}, \: SB_k\leq\tau_c. \right.
Здесь \tau_c и \tau_s - настраиваемые параметры: \tau_c - константа различия со значением по умолчанию 0.03, \tau_s - константа масштабирования со значением по умолчанию 10. Итоговое значение интенсивности для PM-проб с учётом фоновой поправки получается вычитанием из исходных значений интенсивностей PM-проб соответствующей им величины IM.

RMA-свёртка

Данный метод фоновой коррекции является частью комплекса RMA методов для предобработки данных ДНК-микрочипов [1]. Используются только данные PM-проб. Значения интенсивности по ним корректируются отдельно по каждому микрочипу с использованием следующей модели распределения интенсивностей проб. Нескорректированное значение интенсивности Y представляется в виде суммы нормально распределённого шума B со средним \mu и дисперсией \sigma^2 и экспоненциально распределённого сигнала S со средним значением \alpha. Чтобы исключить возможность получения отрицательных значений интенсивности, рассматривается только неотрицательная часть нормального распределения. Корректировка производится согласно следующей формуле:
E\left(s\left|Y=y\right.\right)=a + b \frac{\phi\left(\frac{a}{b}\right)-\phi\left(\frac{y-a}{b}\right)} {\Phi\left(\frac{a}{b}\right) - \Phi\left(\frac{y-a}{b}\right) -1},
где a=s-\mu-\sigma^2\alpha, b=\sigma, \Phi и \phi - соответственно функция распределения и плотность стандартного нормального распределения.

MAS 5.0

Схема вычисления локальной фоновой поправки и её дисперсии в методе MAS 5.0
Схема вычисления локальной фоновой поправки и её дисперсии в методе MAS 5.0

Данный метод делит каждый ДНК-микрочип на K (по умолчанию 16) прямоугольных областей одинаковой площади, в каждой из которых фоновая поправка оценивается с помощью 2%-квантиля (наименьших значений) интенсивности b_k; оценивается также дисперсия наименьших 2% значений интенсивности n_k. Затем фоновая поправка для каждой пробы с координатами \left(x,y\right) рассчитывается как взвешенное среднее всех k оценок:
b\left(x,y\right) = \frac{1}{\sum_{k=1}^K \omega_k\left(x,y\right)} \sum_{k=1}^K \omega_k\left(x,y\right)b_k.
По аналогичной формуле с заменой b_k на n_k рассчитывается дисперсия фоновой поправки для каждой пробы.

Веса зависят от расстояния между пробой и центрами прямоугольных областей:
\omega_k\left(x,y\right) = \frac{1}{d_k^2\left(x,y\right)+s_0},
где d_k\left(x.y\right) - евклидово расстояние между пробой и центром k-й ячейки, s_0 - сглаживающий коэффициент (значение по умолчанию 100).

Скорректированное значение интенсивности рассчитывается по формуле A\left(x,y\right)=\max(\max(I(x,y),0.5)-b(x,y),\:NoiseFrac\ast n(x,y)), где I(x,y) - исходное значение интенсивности, NoiseFrac - параметр, соответствующий доле учитываемой вариации фоновой интенсивности (значение по умолчанию 0.5).

Примечания

Источник — «http://machinelearning.ru/wiki/index.php?title=%D0%A4%D0%BE%D0%BD%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%8F_%D0%BF%D0%BE%D0%BF%D1%80%D0%B0%D0%B2%D0%BA%D0%B0_%D0%B2_%D0%B0%D0%BD%D0%B0%D0%BB%D0%B8%D0%B7%D0%B5_%D0%94%D0%9D%D0%9A-%D0%BC%D0%B8%D0%BA%D1%80%D0%BE%D1%87%D0%B8%D0%BF%D0%BE%D0%B2»
Личные инструменты