Explorando redes neurais de grafos para predição de interações miRNA–alvo associadas a câncer em grafos heterogêneos

• Autor(a) principal: Fabiano, Emanoel Aurelio Vianna
• Data de Publicação: 2023
• Tipo de documento: Dissertação
• Idioma: eng
• Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFRGS
• Texto Completo: http://hdl.handle.net/10183/261776
• topic: Aprendizado de máquina; Redes neurais; Grafos; MiRNA target prediction; GraphSAGE

MicroRNAs (miRNAs) são pequenos RNAs não codificantes que desempenham um papel fundamental na regulação da expressão gênica através da ligação com RNAs mensageiros (mRNAs) alvos. Estudos recentes mostram que os miRNAs estão envolvidos na regulação de mecanismos fisiológicos e de processos patológicos associados a doenças como câncer, sendo portanto importante identificar interações miRNA–alvo. Devido ao grande número de mRNAs alvos que podem existir para um único miRNA, as análises experimentais são bastante demoradas e dispendiosas. Assim, a predição computacional de alvos de miRNAs usando métodos de aprendizado de máquina (AM) tornou-se uma alternativa bastante interessante. Contudo, esta abordagem ainda apresenta limitações, como a complexidade em desenvolver os modelos com dados desbalanceados em razão do pouco número de exemplos negativos disponíveis, assim como o grande número de resultados falsos positivos. Em face destes desafios, este trabalho tem como objetivo desenvolver um modelo baseado em redes neurais de grafos para inferir padrões de interações miRNAs– alvos a partir de grafos heterogêneos, integrando dados de expressão gênica em câncer para introduzir o contexto de alterações moleculares presentes na doença. Exploramos o algoritmo HinSAGE, o qual é uma adaptação do algoritmo GraphSAGE para grafos hete rogêneos disponibilizado pela biblioteca StellarGraph, com um grafo contendo interações miRNA–mRNA e mRNA–mRNA obtidas da base de dados RNAInter, e dados de ex pressão diferencial para 15 tipos de câncer obtidos do projeto The Cancer Genome Atlas (TCGA). Nossos resultados indicam que o algoritmo HinSAGE foi capaz de aprender padrões de interações miRNA–alvo a partir da própria estrutura do grafo e dos atributos dos nós, apresentando precisão média de 77%, sensibilidade de 80%, F1-score de 78% e ROC AUC de 86% nos dados de teste. Nosso modelo também mostrou-se competitivo em relação a abordagens relacionadas, destacando-se com acurácia e F1-score sempre próxi mos aos 90% para interações de teste comuns. Por fim, o aprendizado baseado em grafo apresentou resultados superiores a um modelo treinado com uma rede neural tradicional utilizando somente os padrões de expressão gênica. Assim, acredita-se que o uso de redes neurais de grafos se estabelece como um novo horizonte de estudo na descoberta de inte rações miRNAs–alvos, possibilitando poder preditivo alto e balanceado, e a amostragem de interações negativas a partir do grafo base.