Kinome-wide interaction modelling using alignment-based and alignment-independent approaches for kinase description and linear and non-linear data analysis techniques

<p>Abstract</p> <p>Background</p> <p>Protein kinases play crucial roles in cell growth, differentiation, and apoptosis. Abnormal function of protein kinases can lead to many serious diseases, such as cancer. Kinase inhibitors have potential for treatment of these diseases. However, current inhibitors interact with a broad variety of kinases and interfere with multiple vital cellular processes, which causes toxic effects. Bioinformatics approaches that can predict inhibitor-kinase interactions from the chemical properties of the inhibitors and the kinase macromolecules might aid in design of more selective therapeutic agents, that show better efficacy and lower toxicity.</p> <p>Results</p> <p>We applied proteochemometric modelling to correlate the properties of 317 wild-type and mutated kinases and 38 inhibitors (12,046 inhibitor-kinase combinations) to the respective combination's interaction dissociation constant (K_d). We compared six approaches for description of protein kinases and several linear and non-linear correlation methods. The best performing models encoded kinase sequences with amino acid physico-chemical z-scale descriptors and used support vector machines or partial least- squares projections to latent structures for the correlations. Modelling performance was estimated by double cross-validation. The best models showed high predictive ability; the squared correlation coefficient for new kinase-inhibitor pairs ranging P²= 0.67-0.73; for new kinases it ranged P²_kin= 0.65-0.70. Models could also separate interacting from non-interacting inhibitor-kinase pairs with high sensitivity and specificity; the areas under the ROC curves ranging AUC = 0.92-0.93. We also investigated the relationship between the number of protein kinases in the dataset and the modelling results. Using only 10% of all data still a valid model was obtained with P²= 0.47, P²_kin= 0.42 and AUC = 0.83.</p> <p>Conclusions</p> <p>Our results strongly support the applicability of proteochemometrics for kinome-wide interaction modelling. Proteochemometrics might be used to speed-up identification and optimization of protein kinase targeted and multi-targeted inhibitors.</p

Multi-Modality Human Action Recognition

Human action recognition is very useful in many applications in various areas, e.g. video surveillance, HCI (Human computer interaction), video retrieval, gaming and security. Recently, human action recognition becomes an active research topic in computer vision and pattern recognition. A number of action recognition approaches have been proposed. However, most of the approaches are designed on the RGB images sequences, where the action data was collected by RGB/intensity camera. Thus the recognition performance is usually related to various occlusion, background, and lighting conditions of the image sequences. If more information can be provided along with the image sequences, more data sources other than the RGB video can be utilized, human actions could be better represented and recognized by the designed computer vision system.;In this dissertation, the multi-modality human action recognition is studied. On one hand, we introduce the study of multi-spectral action recognition, which involves the information from different spectrum beyond visible, e.g. infrared and near infrared. Action recognition in individual spectra is explored and new methods are proposed. Then the cross-spectral action recognition is also investigated and novel approaches are proposed in our work. On the other hand, since the depth imaging technology has made a significant progress recently, where depth information can be captured simultaneously with the RGB videos. The depth-based human action recognition is also investigated. I first propose a method combining different type of depth data to recognize human actions. Then a thorough evaluation is conducted on spatiotemporal interest point (STIP) based features for depth-based action recognition. Finally, I advocate the study of fusing different features for depth-based action analysis. Moreover, human depression recognition is studied by combining facial appearance model as well as facial dynamic model

Human Motion Analysis for Efficient Action Recognition

Automatic understanding of human actions is at the core of several application domains, such as content-based indexing, human-computer interaction, surveillance, and sports video analysis. The recent advances in digital platforms and the exponential growth of video and image data have brought an urgent quest for intelligent frameworks to automatically analyze human motion and predict their corresponding action based on visual data and sensor signals. This thesis presents a collection of methods that targets human action recognition using different action modalities. The first method uses the appearance modality and classifies human actions based on heterogeneous global- and local-based features of scene and humanbody appearances. The second method harnesses 2D and 3D articulated human poses and analyizes the body motion using a discriminative combination of the parts’ velocities, locations, and correlations histograms for action recognition. The third method presents an optimal scheme for combining the probabilistic predictions from different action modalities by solving a constrained quadratic optimization problem. In addition to the action classification task, we present a study that compares the utility of different pose variants in motion analysis for human action recognition. In particular, we compare the recognition performance when 2D and 3D poses are used. Finally, we demonstrate the efficiency of our pose-based method for action recognition in spotting and segmenting motion gestures in real time from a continuous stream of an input video for the recognition of the Italian sign gesture language

Pedestrian Detection and Tracking in Urban Context Using a Mono-camera

Jalakäijate tuvastus ja jälgimine on üks tähtsamaid aspekte edasijõudnud sõitja abisüsteemides. Need süsteemid aitavad vältida ohtlikke olukordi, juhendades sõitjaid ja hoiatades ettetulevate riskide eest. Jalakäijate tuvastuse ja jälgimise põhiideed on tuvastada jalakäijad siis, kui nad on turvalises tsoonis ja ennustada nende asukohta ja suunda. Selle lõputöö eesmärk on uurida võimalikke meetodeid ja arendada nende põhjal hea algoritm jalakäijate tuvastuseks ja jälgimiseks.Selles lõputöös arendatud lahendus keskendub jalakäija täpsele tuvastamisele ja jälgimisele. Süsteemi täpsuse hindamiseks on saadud tulemusi võrreldud olemasolevate lahendustega.Pedestrian detection and tracking are one of the important aspects in Advanced Driver Assistance Systems. These systems help to avoid dangerous situations, by guiding drivers and warning them about the upcoming risks. The main ideas of pedestrian detection and tracking are to detect pedestrians, while they are in the secure zone, and predict their position and direction.The goal of this thesis is to examine possible methods and based on these, to develop a good pedestrian detection and tracking algorithm. The solution developed in this thesis, focuses on accurately detecting and tracking a pedestrian. In order to estimate the accuracy of the system, obtained results will be compared to the existing solutions

Quantitative and evolutionary global analysis of enzyme reaction mechanisms

The most widely used classification system describing enzyme-catalysed reactions is the Enzyme Commission (EC) number. Understanding enzyme function is important for both fundamental scientific and pharmaceutical reasons. The EC classification is essentially unrelated to the reaction mechanism. In this work we address two important questions related to enzyme function diversity. First, to investigate the relationship between the reaction mechanisms as described in the MACiE (Mechanism, Annotation, and Classification in Enzymes) database and the main top-level class of the EC classification. Second, how well these enzymes biocatalysis are adapted in nature. In this thesis, we have retrieved 335 enzyme reactions from the MACiE database. We consider two ways of encoding the reaction mechanism in descriptors, and three approaches that encode only the overall chemical reaction. To proceed through my work, we first develop a basic model to cluster the enzymatic reactions. Global study of enzyme reaction mechanism may provide important insights for better understanding of the diversity of chemical reactions of enzymes. Clustering analysis in such research is very common practice. Clustering algorithms suffer from various issues, such as requiring determination of the input parameters and stopping criteria, and very often a need to specify the number of clusters in advance. Using several well known metrics, we tried to optimize the clustering outputs for each of the algorithms, with equivocal results that suggested the existence of between two and over a hundred clusters. This motivated us to design and implement our algorithm, PFClust (Parameter-Free Clustering), where no prior information is required to determine the number of cluster. The analysis highlights the structure of the enzyme overall and mechanistic reaction. This suggests that mechanistic similarity can influence approaches for function prediction and automatic annotation of newly discovered protein and gene sequences. We then develop and evaluate the method for enzyme function prediction using machine learning methods. Our results suggest that pairs of similar enzyme reactions tend to proceed by different mechanisms. The machine learning method needs only chemoinformatics descriptors as an input and is applicable for regression analysis. The last phase of this work is to test the evolution of chemical mechanisms mapped onto ancestral enzymes. This domain occurrence and abundance in modern proteins has showed that the / architecture is probably the oldest fold design. These observations have important implications for the origins of biochemistry and for exploring structure-function relationships. Over half of the known mechanisms are introduced before architectural diversification over the evolutionary time. The other halves of the mechanisms are invented gradually over the evolutionary timeline just after organismal diversification. Moreover, many common mechanisms includes fundamental building blocks of enzyme chemistry were found to be associated with the ancestral fold

Discriminative Appearance Models for Face Alignment

The proposed face alignment algorithm uses local gradient features as the appearance representation. These features are obtained by pixel value comparison, which provide robustness against changes in illumination, as well as partial occlusion and local deformation due to the locality. The adopted features are modeled in three discriminative methods, which correspond to different alignment cost functions. The discriminative appearance modeling alleviate the generalization problem to some extent

Virtual screening of potential bioactive substances using the support vector machine approach

Die vorliegende Dissertation stellt eine kumulative Arbeit dar, die in insgesamt acht wissenschaftlichen Publikationen (fünf publiziert, zwei eingerichtet und eine in Vorbereitung) dargelegt ist. In diesem Forschungsprojekt wurden Anwendungen von maschinellem Lernen für das virtuelle Screening von Moleküldatenbanken durchgeführt. Das Ziel war primär die Einführung und Überprüfung des Support-Vector-Machine (SVM) Ansatzes für das virtuelle Screening nach potentiellen Wirkstoffkandidaten. In der Einleitung der Arbeit ist die Rolle des virtuellen Screenings im Wirkstoffdesign beschrieben. Methoden des virtuellen Screenings können fast in jedem Bereich der gesamten pharmazeutischen Forschung angewendet werden. Maschinelles Lernen kann einen Einsatz finden von der Auswahl der ersten Moleküle, der Optimierung der Leitstrukturen bis hin zur Vorhersage von ADMET (Absorption, Distribution, Metabolism, Toxicity) Eigenschaften. In Abschnitt 4.2 werden möglichen Verfahren dargestellt, die zur Beschreibung von chemischen Strukturen eingesetzt werden können, um diese Strukturen in ein Format zu bringen (Deskriptoren), das man als Eingabe für maschinelle Lernverfahren wie Neuronale Netze oder SVM nutzen kann. Der Fokus ist dabei auf diejenigen Verfahren gerichtet, die in der vorliegenden Arbeit verwendet wurden. Die meisten Methoden berechnen Deskriptoren, die nur auf der zweidimensionalen (2D) Struktur basieren. Standard-Beispiele hierfür sind physikochemische Eigenschaften, Atom- und Bindungsanzahl etc. (Abschnitt 4.2.1). CATS Deskriptoren, ein topologisches Pharmakophorkonzept, sind ebenfalls 2D-basiert (Abschnitt 4.2.2). Ein anderer Typ von Deskriptoren beschreibt Eigenschaften, die aus einem dreidimensionalen (3D) Molekülmodell abgeleitet werden. Der Erfolg dieser Beschreibung hangt sehr stark davon ab, wie repräsentativ die 3D-Konformation ist, die für die Berechnung des Deskriptors angewendet wurde. Eine weitere Beschreibung, die wir in unserer Arbeit eingesetzt haben, waren Fingerprints. In unserem Fall waren die verwendeten Fingerprints ungeeignet zum Trainieren von Neuronale Netzen, da der Fingerprintvektor zu viele Dimensionen (~ 10 hoch 5) hatte. Im Gegensatz dazu hat das Training von SVM mit Fingerprints funktioniert. SVM hat den Vorteil im Vergleich zu anderen Methoden, dass sie in sehr hochdimensionalen Räumen gut klassifizieren kann. Dieser Zusammenhang zwischen SVM und Fingerprints war eine Neuheit, und wurde von uns erstmalig in die Chemieinformatik eingeführt. In Abschnitt 4.3 fokussiere ich mich auf die SVM-Methode. Für fast alle Klassifikationsaufgaben in dieser Arbeit wurde der SVM-Ansatz verwendet. Ein Schwerpunkt der Dissertation lag auf der SVM-Methode. Wegen Platzbeschränkungen wurde in den beigefügten Veröffentlichungen auf eine detaillierte Beschreibung der SVM verzichtet. Aus diesem Grund wird in Abschnitt 4.3 eine vollständige Einführung in SVM gegeben. Darin enthalten ist eine vollständige Diskussion der SVM Theorie: optimale Hyperfläche, Soft-Margin-Hyperfläche, quadratische Programmierung als Technik, um diese optimale Hyperfläche zu finden. Abschnitt 4.3 enthält auch eine Diskussion von Kernel-Funktionen, welche die genaue Form der optimalen Hyperfläche bestimmen. In Abschnitt 4.4 ist eine Einleitung in verschiede Methoden gegeben, die wir für die Auswahl von Deskriptoren genutzt haben. In diesem Abschnitt wird der Unterschied zwischen einer „Filter“- und der „Wrapper“-basierten Auswahl von Deskriptoren herausgearbeitet. In Veröffentlichung 3 (Abschnitt 7.3) haben wir die Vorteile und Nachteile von Filter- und Wrapper-basierten Methoden im virtuellen Screening vergleichend dargestellt. Abschnitt 7 besteht aus den Publikationen, die unsere Forschungsergebnisse enthalten. Unsere erste Publikation (Veröffentlichung 1) war ein Übersichtsartikel (Abschnitt 7.1). In diesem Artikel haben wir einen Gesamtüberblick der Anwendungen von SVM in der Bio- und Chemieinformatik gegeben. Wir diskutieren Anwendungen von SVM für die Gen-Chip-Analyse, die DNASequenzanalyse und die Vorhersage von Proteinstrukturen und Proteininteraktionen. Wir haben auch Beispiele beschrieben, wo SVM für die Vorhersage der Lokalisation von Proteinen in der Zelle genutzt wurden. Es wird dabei deutlich, dass SVM im Bereich des virtuellen Screenings noch nicht verbreitet war. Um den Einsatz von SVM als Hauptmethode unserer Forschung zu begründen, haben wir in unserer nächsten Publikation (Veröffentlichung 2) (Abschnitt 7.2) einen detaillierten Vergleich zwischen SVM und verschiedenen neuronalen Netzen, die sich als eine Standardmethode im virtuellen Screening etabliert haben, durchgeführt. Verglichen wurde die Trennung von wirstoffartigen und nicht-wirkstoffartigen Molekülen („Druglikeness“-Vorhersage). Die SVM konnte 82% aller Moleküle richtig klassifizieren. Die Klassifizierung war zudem robuster als mit dreilagigen feedforward-ANN bei der Verwendung verschiedener Anzahlen an Hidden-Neuronen. In diesem Projekt haben wir verschiedene Deskriptoren zur Beschreibung der Moleküle berechnet: Ghose-Crippen Fragmentdeskriptoren [86], physikochemische Eigenschaften [9] und topologische Pharmacophore (CATS) [10]. Die Entwicklung von weiteren Verfahren, die auf dem SVM-Konzept aufbauen, haben wir in den Publikationen in den Abschnitten 7.3 und 7.8 beschrieben. Veröffentlichung 3 stellt die Entwicklung einer neuen SVM-basierten Methode zur Auswahl von relevanten Deskriptoren für eine bestimmte Aktivität dar. Eingesetzt wurden die gleichen Deskriptoren wie in dem oben beschriebenen Projekt. Als charakteristische Molekülgruppen haben wir verschiedene Untermengen der COBRA Datenbank ausgewählt: 195 Thrombin Inhibitoren, 226 Kinase Inhibitoren und 227 Faktor Xa Inhibitoren. Es ist uns gelungen, die Anzahl der Deskriptoren von ursprünglich 407 auf ungefähr 50 zu verringern ohne signifikant an Klassifizierungsgenauigkeit zu verlieren. Unsere Methode haben wir mit einer Standardmethode für diese Anwendung verglichen, der Kolmogorov-Smirnov Statistik. Die SVM-basierte Methode erwies sich hierbei in jedem betrachteten Fall als besser als die Vergleichsmethoden hinsichtlich der Vorhersagegenauigkeit bei der gleichen Anzahl an Deskriptoren. Eine ausführliche Beschreibung ist in Abschnitt 4.4 gegeben. Dort sind auch verschiedene „Wrapper“ für die Deskriptoren-Auswahl beschrieben. Veröffentlichung 8 beschreibt die Anwendung von aktivem Lernen mit SVM. Die Idee des aktiven Lernens liegt in der Auswahl von Molekülen für das Lernverfahren aus dem Bereich an der Grenze der verschiedenen zu unterscheidenden Molekülklassen. Auf diese Weise kann die lokale Klassifikation verbessert werden. Die folgenden Gruppen von Moleküle wurden genutzt: ACE (Angiotensin converting enzyme), COX2 (Cyclooxygenase 2), CRF (Corticotropin releasing factor) Antagonisten, DPP (Dipeptidylpeptidase) IV, HIV (Human immunodeficiency virus) protease, Nuclear Receptors, NK (Neurokinin receptors), PPAR (peroxisome proliferator-activated receptor), Thrombin, GPCR und Matrix Metalloproteinasen. Aktives Lernen konnte die Leistungsfähigkeit des virtuellen Screenings verbessern, wie sich in dieser retrospektiven Studie zeigte. Es bleibt abzuwarten, ob sich das Verfahren durchsetzen wird, denn trotzt des Gewinns an Vorhersagegenauigkeit ist es aufgrund des mehrfachen SVMTrainings aufwändig. Die Publikationen aus den Abschnitten 7.5, 7.6 und 7.7 (Veröffentlichungen 5-7) zeigen praktische Anwendungen unserer SVM-Methoden im Wirkstoffdesign in Kombination mit anderen Verfahren, wie der Ähnlichkeitssuche und neuronalen Netzen zur Eigenschaftsvorhersage. In zwei Fällen haben wir mit dem Verfahren neuartige Liganden für COX-2 (cyclooxygenase 2) und dopamine D3/D2 Rezeptoren gefunden. Wir konnten somit klar zeigen, dass SVM-Methoden für das virtuelle Screening von Substanzdatensammlungen sinnvoll eingesetzt werden können. Es wurde im Rahmen der Arbeit auch ein schnelles Verfahren zur Erzeugung großer kombinatorischer Molekülbibliotheken entwickelt, welches auf der SMILES Notation aufbaut. Im frühen Stadium des Wirstoffdesigns ist es wichtig, eine möglichst „diverse“ Gruppe von Molekülen zu testen. Es gibt verschiedene etablierte Methoden, die eine solche Untermenge auswählen können. Wir haben eine neue Methode entwickelt, die genauer als die bekannte MaxMin-Methode sein sollte. Als erster Schritt wurde die „Probability Density Estimation“ (PDE) für die verfügbaren Moleküle berechnet. [78] Dafür haben wir jedes Molekül mit Deskriptoren beschrieben und die PDE im N-dimensionalen Deskriptorraum berechnet. Die Moleküle wurde mit dem Metropolis Algorithmus ausgewählt. [87] Die Idee liegt darin, wenige Moleküle aus den Bereichen mit hoher Dichte auszuwählen und mehr Moleküle aus den Bereichen mit niedriger Dichte. Die erhaltenen Ergebnisse wiesen jedoch auf zwei Nachteile hin. Erstens wurden Moleküle mit unrealistischen Deskriptorwerten ausgewählt und zweitens war unser Algorithmus zu langsam. Dieser Aspekt der Arbeit wurde daher nicht weiter verfolgt. In Veröffentlichung 6 (Abschnitt 7.6) haben wir in Zusammenarbeit mit der Molecular-Modeling Gruppe von Aventis-Pharma Deutschland (Frankfurt) einen SVM-basierten ADME Filter zur Früherkennung von CYP 2C9 Liganden entwickelt. Dieser nichtlineare SVM-Filter erreichte eine signifikant höhere Vorhersagegenauigkeit (q2 = 0.48) als ein auf den gleichen Daten entwickelten PLS-Modell (q2 = 0.34). Es wurden hierbei Dreipunkt-Pharmakophordeskriptoren eingesetzt, die auf einem dreidimensionalen Molekülmodell aufbauen. Eines der wichtigen Probleme im computerbasierten Wirkstoffdesign ist die Auswahl einer geeigneten Konformation für ein Molekül. Wir haben versucht, SVM auf dieses Problem anzuwenden. Der Trainingdatensatz wurde dazu mit jeweils mehreren Konformationen pro Molekül angereichert und ein SVM Modell gerechnet. Es wurden anschließend die Konformationen mit den am schlechtesten vorhergesagten IC50 Wert aussortiert. Die verbliebenen gemäß dem SVM-Modell bevorzugten Konformationen waren jedoch unrealistisch. Dieses Ergebnis zeigt Grenzen des SVM-Ansatzes auf. Wir glauben jedoch, dass weitere Forschung auf diesem Gebiet zu besseren Ergebnissen führen kann

Data exploration and knowledge extraction: their application to the study of endocrine disrupting chemicals

Interest in computer-aided methods for investigating the biological field has increased significantly. One method is Quantitative Structure-Activity Relationships (QSAR), a valuable technique for predicting the effects of a substance from its chemical structure. A challenging application of QSAR is in characterizing the (bio)activity profiles of chemicals. Endocrine disrupters (EDs) are exogenous substances interfering with the function of the endocrine system and represent an interesting field of application for in silico methods. EDs targets include nuclear receptors, particularly effects mediated by the oestrogen receptor (ER). They are also mentioned as substances requiring a more detailed control and specific authorisation within REACH, the new European legislation on chemicals. QSAR represents a challenging method to approach data gap about EDs since REACH substantially boosted interest on computational chemistry to replace experimental testing. This work: aimed to explore the status, availability and reliability of non-testing methods applied to endocrine disruption via oestrogen receptors and eventually to propose new models easily exploitable in regulatory contexts. The work evaluated existing QSAR models present in literature to assess their validity on the basis of the OECD principles for QSAR validation. Different kinds of models have been analysed and they were externally validated with new data found in the literature. Furthermore, new QSAR binary classifiers have been developed using different data mining techniques (e.g.: classification trees, fuzzy logic, neural networks) based on a very large and heterogeneous dataset of chemical compounds. The focus was given to both binding (RBA) and transcriptional activity (RA) better to characterize the effects of EDs. A possible combination of the models was also explored. A very good accuracy was achieved for both RA and RBA (>85%). These models can be a valuable complement to in vivo and in vitro studies in the toxicological characterisation of chemical compounds