Extraction de motifs des données complexes : cas de la classification des protéines

Motif extraction from complex data : case of protein classification

• Auteur / Autrice : Rabie Saidi
• Direction : Engelbert Mephu-Nguifo, Mondher Maddouri
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 03/10/2012
• Etablissement(s) : Clermont-Ferrand 2
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences pour l'ingénieur (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Informatique, de Modélisation et d'Optimisation des Systèmes
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rumen Andonov, Henry Soldano, David R. C. Hill, Abdoulaye Baniré Diallo
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Florence d' Alché-Buc, Mohammed Javeed Zaki

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biologie -- Informatique

Mots clés libres

Prétraitement

Extraction de motif

Classification des protéines

Structure protéique

Motif séquentiel

Motif spatial

Preprocessing

Motif/feature extraction

Protein classification

Protein structures

Sequential motif

Spatial motif

Résumé

La classification est l’un des défis important en bioinformatique, aussi bien pour les données protéiques que nucléiques. La présence de ces données en grandes masses, leur ambiguïté et en particulier les coûts élevés de l’analyse in vitro en termes de temps et d’argent, rend l’utilisation de la fouille de données plutôt une nécessité qu’un choix rationnel. Cependant, les techniques fouille de données, qui traitent souvent des données sous le format relationnel, sont confrontés avec le format inapproprié des données biologiques. Par conséquent, une étape inévitable de prétraitement doit être établie. Cette thèse traite du prétraitement de données protéiques comme une étape de préparation avant leur classification. Nous présentons l’extraction de motifs comme un moyen fiable pour répondre à cette tâche. Les motifs extraits sont utilisés comme descripteurs, en vue de coder les protéines en vecteurs d’attributs. Cela permet l’utilisation des classifieurs connus. Cependant, la conception d’un espace appropié d’attributs, n’est pas une tâche triviale. Nous traitons deux types de données protéiques à savoir les séquences et les structures 3D. Dans le premier axe, i:e:; celui des séquences, nous proposons un nouveau procédé de codage qui utilise les matrices de substitution d’acides aminés pour définir la similarité entre les motifs lors de l’étape d’extraction. En utilisant certains classifieurs, nous montrons l’efficacité de notre approche en la comparant avec plusieurs autres méthodes de codage. Nous proposons également de nouvelles métriques pour étudier la robustesse de certaines de ces méthodes lors de la perturbation des données d’entrée. Ces métriques permettent de mesurer la capacité d’une méthode de révéler tout changement survenant dans les données d’entrée et également sa capacité à cibler les motifs intéressants. Le second axe est consacré aux structures protéiques 3D, qui ont été récemment considérées comme graphes d’acides aminés selon différentes représentations. Nous faisons un bref survol sur les représentations les plus utilisées et nous proposons une méthode naïve pour aider à la construction de graphes d’acides aminés. Nous montrons que certaines méthodes répandues présentent des faiblesses remarquables et ne reflètent pas vraiment la conformation réelle des protéines. Par ailleurs, nous nous intéressons à la découverte, des sous-structures récurrentes qui pourraient donner des indications fonctionnelles et structurelles. Nous proposons un nouvel algorithme pour trouver des motifs spatiaux dans les protéines. Ces motifs obéissent à un format défini sur la base d’une argumentation biologique. Nous comparons avec des motifs séquentiels et spatiaux de certains travaux reliés. Pour toutes nos contributions, les résultats expérimentaux confirment l’efficacité de nos méthodes pour représenter les séquences et les structures protéiques, dans des tâches de classification. Les programmes développés sont disponibles sur ma page web http://fc.isima.fr/~saidi.

The classification of biological data is one of the significant challenges inbioinformatics, as well for protein as for nucleic data. The presence of these data in hugemasses, their ambiguity and especially the high costs of the in vitro analysis in terms oftime and resources, make the use of data mining rather a necessity than a rational choice.However, the data mining techniques, which often process data under the relational format,are confronted with the inappropriate format of the biological data. Hence, an inevitablestep of pre-processing must be established.This thesis deals with the protein data preprocessing as a preparation step before theirclassification. We present motif extraction as a reliable way to address that task. The extractedmotifs are used as descriptors to encode proteins into feature vectors. This enablesthe use of known data mining classifiers which require this format. However, designing asuitable feature space, for a set of proteins, is not a trivial task.We deal with two kinds of protein data i:e:, sequences and tri-dimensional structures. In thefirst axis i:e:, protein sequences, we propose a novel encoding method that uses amino-acidsubstitution matrices to define similarity between motifs during the extraction step. Wedemonstrate the efficiency of such approach by comparing it with several encoding methods,using some classifiers. We also propose new metrics to study the robustness of some ofthese methods when perturbing the input data. These metrics allow to measure the abilityof the method to reveal any change occurring in the input data and also its ability to targetthe interesting motifs. The second axis is dedicated to 3D protein structures which are recentlyseen as graphs of amino acids. We make a brief survey on the most used graph-basedrepresentations and we propose a naïve method to help with the protein graph making. Weshow that some existing and widespread methods present remarkable weaknesses and do notreally reflect the real protein conformation. Besides, we are interested in discovering recurrentsub-structures in proteins which can give important functional and structural insights.We propose a novel algorithm to find spatial motifs from proteins. The extracted motifsmatch a well-defined shape which is proposed based on a biological basis. We compare withsequential motifs and spatial motifs of recent related works. For all our contributions, theoutcomes of the experiments confirm the efficiency of our proposed methods to representboth protein sequences and protein 3D structures in classification tasks.Software programs developed during this research work are available on my home page http://fc.isima.fr/~saidi.