Sparsification de graphes et apprentissage automatique non supervisé pour la metagénomique

Graph sparsification and unsupervised machine learning for metagenomic binning

• Auteur / Autrice : Shivani Shah
• Direction : Gilles Venturini
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 20/03/2019
• Etablissement(s) : Tours
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, Informatique, Physique Théorique et Ingénierie des Systèmes (Centre-Val de Loire)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Informatique Fondamentale et Appliquée de Tours (2012-...)
• Jury : Président / Présidente : Christine Largeron
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fatma Bouali, Jacques-Henri Sublemontier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mustapha Lebbah, Hélène Touzet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Grilles informatiques

Adressage calculé (informatique)

Communautés de pratique

Graphes de lien

Métagénomique

Apprentissage automatique

Partitionnement de graphes

Mots clés libres

Clustering

Apprentissage automatique non supervisé

Graphes de proximité

Clustering

Metagenomic

Proximity graphs

Résumé

La métagénomique est le domaine de la biologie qui concerne l’étude du contenu génomique des communautés microbiennes directement dans leur environnement. Les données métagénomiques utilisées dans ces travaux de thèse correspondent à des technologies de séquençage produisant des fragments d’ADN courts (reads). L'une des étapes clé de l'analyse des données métagénomiques et développée dans cette étude est le regroupement de reads, appelé également binning. Lors de cette tâche de binning, des groupes (bins) doivent être formés de sorte que chaque groupe soit composé de reads provenant de la même espèce ou genre. La méthodologie traditionnelle consiste à effectuer cette étape sur des séquences plus grandes (contigs), mais cette étape génère potentiellement des séquences dites chimériques. L'un des problèmes liés au binning appliqué aux lectures est lié à la taille importante des jeux de données. La méthodologie traditionnelle appliquée sur les reads, accable les ressources de calcul. Par conséquent, il est nécessaire de développer des approches de binning adaptables à de données massives.Dans cette thèse, nous abordons ce problème en proposant une méthode évolutive pour effectuer le binning. Nous positionnons notre travail parmi les approches de binning basées sur la composition et dans un contexte totalement non supervisé. Afin de réduire la complexité de la tâche de binning, des méthodes sont proposées pour filtrer préalablement les associations entre les données. Le développement de l'approche a été réalisé en deux étapes. D'abord, la méthodologie a été évaluée sur des ensembles de données métagénomiques plus petits (composés de quelques milliers de points). Dans un deuxième temps, nous proposons d’adapter cette approche à des ensembles de données plus volumineux (composés de millions de points) avec des méthodes d’indexation sensibles à la similarité (LSH). La thèse comporte trois contributions majeures.Premièrement, nous proposons un ensemble varié d’algorithmes de filtrage d’associations entre les données (reads) par l’intermédiaire de graphes de proximité. Ces graphes de proximité sont construits pour capturer les relations les plus pertinentes entre reads pour la tâche de binning. Nous exploitons par suite des algorithmes de détection de communautés sur ces graphes pour identifier les groupes de reads d’intérêts. Une étude exploratoire a été réalisée avec plusieurs graphes de proximité et algorithmes de détection de communautés sur trois jeux de données métagénomiques. Suite à cette étude, nous proposons une approche pipeline nommée ProxiClust couplant la construction d’un graphe de type kNN et l’algorithme Louvain de détection de communautés.Deuxièmement, afin d’adresser le problème de la scalabilité et aborder des jeux de données plus volumineux, la matrice de similarité utilisée dans le pipeline est remplacée par l’exploitation de tables de hachage sensibles à la similarité d’intérêt construites à partir de l'approche LSH Sim-Hash. Nous introduisons deux stratégies pour construire des graphes de proximité à partir des tables de hachage: 1) le graphe des microclusters et 2) le graphe kNN approché. Les performances et les limites de ces graphes ont été évaluées sur de grands ensembles de données MC et discutées. Sur la base de cette étude, nous retenons le graphe kNN mutuels comme le graphe de proximité le plus approprié pour les grands ensembles de données. Cette proposition a également été évaluée et confirmée sur des données de séquences métagénomiques de référence issues du challenge international CAMI.Enfin, nous examinons des approches de hachage alternatives pour construire des tables de hachage de meilleures qualités. L’approche de hachage dépendante des données ITQ est introduite et exploitée, puis nous en proposons deux variantes : orthogonale (ITQ-OrthSH) et non orthogonale (ITQ-SH). Ces approches de hachage ont été évaluées et discutées sur les données de reads massives à disposition.

Metagenomics is the field biology that relates to the study of genomic content of microbial communities directly in their natural environments. The metagenomic data is generated by sequencing technology that take the enviormental samples as the input. The generated data is composed of short fragments of DNA (called reads), which originate from genomes of all species present in the sample. The datasets size range from thousands to millions of reads. One of the steps of metagenomic data analysis is binning of the reads. In binning groups (called bins) are to be formed such that each group is composed of reads which are likely to originate from the same specie or specie family. It has essentially been treated as a task of clustering in the metagenomic literature. One of the challenges in binning occurs due to the large size of the datasets. The method overwhelms the computational resources required while performing the task. Hence the development of binning approaches which are scalable to large datasets is required.In this thesis, we address this issue by proposing a scalable method to perform binning. We position our work among the compositional based binning approaches (use of short kmers) and in completely unsupervised context. On order to decrease the complexity of the binning task, methods are proposed to perform sparsification of the data prior to clustering. The development of the approach has been performed in two steps. First the idea has been evaluated on smaller metagenomic datasets (composed of few thousands of points). In the second step, we propose to scale this approach to larger datasets (composed of Millions of points) with similarity based indexing methods (LSH approaches). There are three major contributions of the thesis.First, we propose the idea of performing sparsification of the data with proximity graphs, prior to clustering. The proximity graphs are built on the data to capture pair-wise relationships between data points that are relevant for clustering. Then we leverage community detection algorithms on these graphs to identify clusters from the data. An exploratory study has been performed with several proximity graphs and community detection algorithm on three metagenomic datasets. Based on this study we propose an approach named ProxiClust with KNN graph and Louvain community detection to perform binning.Second, to scale this approach to larger datasets the distance matrix in the pipeline is replaced with hash tables built from Sim-hash LSH approach. We introduce two strategies to build proximity graphs from the hash tables: 1) Microclusters graph and 2) Approximate k nearest neighbour graph. The performance of these graphs have been evaluated on large MC datasets. The performance and limitations of these graphs are discussed. The baseline evaluation of these datasets have also been performed to determine their clustering difficulty. Based on this study we propose Mutual-KNN graph to be the appropriate proximity graph for the large datasets. This proposal has also evaluated and confirmed on the CAMI benchmark metagenomic datasets.Lastly, we examine alternative hashing approaches to build better quality hash tables. A data-dependent hashing approach ITQ and orthogonal version of Sim-hash have been included. Two new data dependent hashing approaches named ITQ-SH and ITQ-OrthSH are introduced. All the hashing approaches have been evaluated w.r.t their ability to hash the MC datasets with high precision and recall. AndThe introduction of Mutual-KNN as the appropriate proximity graph has led to new challenges in the pipeline. First, large number of clusters are generated due to high number of components in the Mutual-KNN graph. So, in order to obtain appropriate number of clusters, a strategy needs to be devised to merge the similar clusters. Also an approach to build Mutual-KNN graph from hash tables needs to be designed. This would complete the ProxiClust pipeline for the large datasets.