Utilizing Knowledge Bases In Information Retrieval For Clinical Decision Support And Precision Medicine

Accurately answering queries that describe a clinical case and aim at finding articles in a collection of medical literature requires utilizing knowledge bases in capturing many explicit and latent aspects of such queries. Proper representation of these aspects needs knowledge-based query understanding methods that identify the most important query concepts as well as knowledge-based query reformulation methods that add new concepts to a query. In the tasks of Clinical Decision Support (CDS) and Precision Medicine (PM), the query and collection documents may have a complex structure with different components, such as disease and genetic variants that should be transformed to enable an effective information retrieval. In this work, we propose methods for representing domain-specific queries based on weighted concepts of different types whether exist in the query itself or extracted from the knowledge bases and top retrieved documents. Besides, we propose an optimization framework, which allows unifying query analysis and expansion by jointly determining the importance weights for the query and expansion concepts depending on their type and source. We also propose a probabilistic model to reformulate the query given genetic information in the query and collection documents. We observe significant improvement of retrieval accuracy will be obtained for our proposed methods over state-of-the-art baselines for the tasks of clinical decision support and precision medicine

Knowledge Management for Biomedical Literature: The Function of Text-Mining Technologies in Life-Science Research

Efficient information retrieval and extraction is a major challenge in life-science research. The Knowledge Management (KM) for biomedical literature aims to establish an environment, utilizing information technologies, to facilitate better acquisition, generation, codification, and transfer of knowledge. Knowledge Discovery in Text (KDT) is one of the goals in KM, so as to find hidden information in the literature by exploring the internal structure of knowledge network created by the textual information. Knowledge discovery could be major help in the discovery of indirect relationships, which might imply new scientific discoveries. Text-mining provides methods and technologies to retrieve and extract information contained in free-text automatically. Moreover, it enables analysis of large collections of unstructured documents for the purposes of extracting interesting and non-trivial patterns of knowledge. Biomedical text-mining is organized in stages classified into the following steps: identification of biological entities, identification of biological relations and classification of entity relations. Here, we discuss the challenges and function of biomedical text-mining in the KM for biomedical literature

Knowledge Management for Biomedical Literature: The Function of Text-Mining Technologies in Life-Science Research

Efficient information retrieval and extraction is a major challenge in life-science research. The Knowledge Management (KM) for biomedical literature aims to establish an environment, utilizing information technologies, to facilitate better acquisition, generation, codification, and transfer of knowledge. Knowledge Discovery in Text (KDT) is one of the goals in KM, so as to find hidden information in the literature by exploring the internal structure of knowledge network created by the textual information. Knowledge discovery could be major help in the discovery of indirect relationships, which might imply new scientific discoveries. Text-mining provides methods and technologies to retrieve and extract information contained in free-text automatically. Moreover, it enables analysis of large collections of unstructured documents for the purposes of extracting interesting and non-trivial patterns of knowledge. Biomedical text-mining is organized in stages classified into the following steps: identification of biological entities, identification of biological relations and classification of entity relations. Here, we discuss the challenges and function of biomedical text-mining in the KM for biomedical literature

Extracting Negative Biomedical Relations from Literature

Tese de mestrado, Bioinformática e Biologia Computacional, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2021The prevalent source for obtaining scientific knowledge remains the scientific literature. Considering that the focus of biomedical research has shifted from individual entities to whole biological systems, understanding the relations between those entities has become paramount for generating knowledge. Relations between entities can either be positive, if there is evidence of an association, or negative, if there is no evidence of an association. To this date, most relation extraction systems focus on extracting positive relations, therefore few knowledge bases contain negative relations. Disregarding negative relations leads to the loss of valuable information that could be used to advance biomedical research. This work presents the Negative Phenotype¬Disease Relations (NPDR) dataset, which describes a subset of negative disease¬phenotype relations from a gold¬standard knowledge base made available by the Human Phenotype Ontology (HPO), and an automatic extraction system developed to automatically annotate the entities and extract the relations from the NPDR dataset. The NPDR dataset was constructed by analysing 177 medical documents and consists of 347 manually annotated at the document¬level relations, from which 222 were inferred from the HPO gold¬standard knowledge base, and 125 were new annotated relations. The main categories of the dataset are the characterization of the entities that participate in the negative relation; the characterization of the sentence that implies the negative relation; and the characterization of the location of the entities and sentences in the article. The automatic extraction system was created to evaluate the impact of the NPDR dataset on the Named-Entity Recognition (NER), Named¬Entity Linking (NEL) and Relation Extraction (RE) text mining tasks. The NER task showed an average of 20.77% more entities annotated when using disease and phenotype synonyms lexica generated from the NPDR dataset, when comparing the number of annotations produced by the OMIM and HPO lexica. The increase in annotated entities also resulted in 15.11% more relations extracted. The RE task performed poorly, with the highest accuracy being 8.84%.Texto livre continua a ser, aos dias de hoje, o principal meio de produção e partilha de conhecimento. Mais concretamente, a literatura biomédica é a principal fonte de conhecimento clínico e biológico para investigadores e clínicos. Porém, à medida que a informação contida em texto livre, correspondente ao número de publicações de artigos científicos aumenta a um ritmo exponencial, torna¬se difícil para os investigadores manterem¬se a par dos desenvolvimentos dos variados domínios científicos. Para além disso, extrair informação textual relevante é uma tarefa laboriosa e morosa para seres humanos, uma vez que a maioria da informação se encontra retida em texto livre não estruturado. Embora esta tarefa possa resultar em erros quando realizada por computadores, só poderá ser alcançada por meio de processos automáticos. Nesse sentido, métodos de prospeção de texto são uma alternativa interessante para reduzir o tempo despendido por especialistas na obtenção de informação relevante, para além de também cobrirem um largo volume de dados provenientes da literatura biomédica. Métodos de prospeção de texto incluem várias tarefas, tais como Named¬Entity Recognition (NER), Named¬Entity Linking (NEL) e Extração de Relações (ER). O NER identifica as entidades mencionadas no texto, o NEL mapeia as entidades reconhecidas a entradas numa base de dados, e o ER identifica relações entre as entidades reconhecidas. Visto que o foco da investigação biomédica mudou de entidades individuais, tais como genes, proteínas ou fármacos, para sistemas biológicos num todo, métodos de ER automáticos tornaram¬se fundamentais para entender relações entre entidades, tais como interações proteína¬proteína, interações fármaco¬fármaco, ou relações gene¬doença. Estas relações podem ser classificadas como negativas, caso haja evidência de não associação entre as entidades, ou positivas, caso haja evidência de associação entre as entidades. ER pode ser efetuada através de múltiplas abordagens que diferem nos métodos que empregam. Essas abordagens podem ser divididas nos seguintes grupos: coocorrência, que é a abordagem mais simples, uma vez que apenas visa a identificação das entidades na mesma frase; baseada em regras, que são definidas manualmente ou automaticamente; e aprendizagem automática, que utiliza corpora biomédica anotada para aplicar supervisão distante. Métodos de supervisão distante podem ainda ser categorizados em feature¬based e kernel¬based. Aos dias de hoje, a maioria dos sistemas de ER não diferenciam entre relações positivas, negativas ou falsas, porém podem¬se salientar algumas excepções, tais como os sistemas Excerbt e BeFree. O primeiro combina análises sintáticas e semânticas com abordagens de regras e aprendizagem automática, e foi adaptado de forma a detetar representações léxicas negadas de itens léxicos (tais como verbos, nomes ou adjetivos) para a anotação do Negatome, uma base de dados de proteínas que não interagem entre si. O segundo sistema utiliza uma combinação de métodos kernelbased, nomeadamente o Shallow Linguistic Kernel e Dependency Kernel. Para a anotação do corpus GAD usando este sistema, também foi treinado um classificador para distinguir entre relações positivas, negativas e falsas entre genes e doenças. Estima¬se que 13.5% das frases de resumos da literatura biomédica possuem expressões negadas. Desconsiderar expressões que poderão, potencialmente, conter relações negativas pode levar à perda de informação valiosa. Porém, a maioria das bases de dados de extrações de relações biomédicas visam apenas recolher relações positivas entre entidades biomédicas. No entanto, exemplos negativos e positivos são igualmente importantes para treinar, afinar e avaliar sistemas de extração de relações. Contudo, uma vez que os exemplos negativos não se encontram tão documentados como os positivos, poucas bases de dados os contêm. Para além disso, a maioria das bases de dados de extração de relações biomédicas não diferencia entre relações falsas, em que duas relações não estão relacionadas, e negativas, em que existe afirmação de não associação entre duas entidades. Adicionalmente, alguns datasets de padrão prata (compostos por dados gerados de forma automática) também contêm relações negativas falsas que são desconhecidas ou não estão documentadas. Logo, a exploração dessas relações é um bom ponto de partida para expandir as bases de dados de relações biomédicas e populá¬las com exemplos negativos corretos. Este trabalho produziu um dataset de anotações de fenótipos e doenças humanas e as suas relações negativas, o datasetNegative Phenotype¬Disease Relations(NPDR), e um módulo de anotação automática de entidades e relações. Para a realização da primeira etapa da criação do dataset NPDR, foi necessário re alizar a recolha dos identificadores PubMed (PMIDs) associados à relações negativas descritas numa base de dados padrão¬ouro, disponibilizada pela Human Phenotype Ontology (HPO). A partir desses PMIDs foi possível extrair artigos completos que foram subsequentemente analisados manualmente. Essa análise consistiu na descrição das entidades que participam na relação negativa, que compreende a análise dos fenótipos, doenças e os seus genes associados; a descrição das frases que sugerem a relação a negativa, que engloba a caracterização do token de negação usado na frase e a coocorrência das entidades; e a descrição da localização das entidades e frases no artigo. O dataset NPDR contem um total de 347 relações anotadas ao nível do documento, das quais 222 foram obtidas a partir da base de dados padrão¬ouro da HPO, e 125 são novas relações. De forma a avaliar o impacto do dataset NPDR na anotação e extração automática de entidades e as suas relações, a partir dos artigos reunidos para o desenvolvimento da criação do dataset, um pipeline que realiza NER, ER e extrai frases de negação foi implementado. NER reconhece fenótipos humanos e doenças, e ER extrai e classifica a relação entre as entidades. De modo a obter os artigos num formato que fosse legível por máquina, dois métodos foram empregues. O primeiro método consistiu em reunir os PMIDs a partir do dataset NPDR, para os converter nos seus identificadores PubMed Central (PMCIDs) correspondentes, de forma a extrair os artigos completos usando a API do PubMed. O segundo método consistiu na conversão dos artigos reunidos para a construção do dataset NPDR em formato PDF para formato de texto, utilizando a ferramenta de extração de texto PDFMiner. A etapa NER foi realizada usando a ferramenta Minimal Name¬Entity Recognizer (MER) para extrair menções de fenótipos, doenças e genes a partir dos artigos. Por fim, utilizando uma abordagem de supervisão distante, a base de dados padrão¬ouro da HPO foi usada para obter as relações obtidas pela ocorrência de fenótipos nas frases que sugerem a relação negativa, e a ocorrência de doenças e genes relacionados presentes no ar tigo. As relações foram marcadas como Conhecida se a relação estivesse descrita na base de dados, ou Desconhecida caso contrário. Para a anotação de fenótipos dois léxicos foram utilizados, um de termos oficiais da HPO, e outro de sinónimos obtidos a partir do dataset NPDR. Para a anotação de doenças e genes, o léxico principal foi obtido a partir da base de dados da Online Mendelian Inheritance in Man (OMIM), e os restantes léxicos foram construídos a partir de sinónimos e abreviaturas de doenças presentes no dataset NPDR. A adição dos léxicos provenientes do dataset NPDR permitiram anotar, em média, mais 20.77% de entidades, comparativamente à anotação de entidades com os léxicos da HPO e OMIM. Este maior número de entidades também se refletiu num aumento de 15.11% de relações anotadas. A tarefa de ER teve um desempenho fraco, sendo que a precisão de relações negativas detetadas foi de 8.84%

Origin and evolution of a placental-specific microRNA family in the human genome

<p>Abstract</p> <p>Background</p> <p>MicroRNAs (miRNAs) are a class of short regulatory RNAs encoded in the genome of DNA viruses, some single cell organisms, plants and animals. With the rapid development of technology, more and more miRNAs are being discovered. However, the origin and evolution of most miRNAs remain obscure. Here we report the origin and evolution dynamics of a human miRNA family.</p> <p>Results</p> <p>We have shown that all members of the miR-1302 family are derived from MER53 elements. Although the conservation scores of the MER53-derived pre-miRNA sequences are low, we have identified 36 potential paralogs of MER53-derived miR-1302 genes in the human genome and 58 potential orthologs of the human miR-1302 family in placental mammals. We suggest that in placental species, this miRNA family has evolved following the birth-and-death model of evolution. Three possible mechanisms that can mediate miRNA duplication in evolutionary history have been proposed: the transposition of the MER53 element, segmental duplications and Alu-mediated recombination. Finally, we have found that the target genes of miR-1302 are over-represented in transportation, localization, and system development processes and in the positive regulation of cellular processes. Many of them are predicted to function in binding and transcription regulation.</p> <p>Conclusions</p> <p>The members of miR-1302 family that are derived from MER53 elements are placental-specific miRNAs. They emerged at the early stage of the recent 180 million years since eutherian mammals diverged from marsupials. Under the birth-and-death model, the miR-1302 genes have experienced a complex expansion with some members evolving by segmental duplications and some by Alu-mediated recombination events.</p

Overview of BioCreative II gene normalization

Background: The goal of the gene normalization task is to link genes or gene products mentioned in the literature to biological databases. This is a key step in an accurate search of the biological literature. It is a challenging task, even for the human expert; genes are often described rather than referred to by gene symbol and, confusingly, one gene name may refer to different genes (often from different organisms). For BioCreative II, the task was to list the Entrez Gene identifiers for human genes or gene products mentioned in PubMed/MEDLINE abstracts. We selected abstracts associated with articles previously curated for human genes. We provided 281 expert-annotated abstracts containing 684 gene identifiers for training, and a blind test set of 262 documents containing 785 identifiers, with a gold standard created by expert annotators. Inter-annotator agreement was measured at over 90%. Results: Twenty groups submitted one to three runs each, for a total of 54 runs. Three systems achieved F-measures (balanced precision and recall) between 0.80 and 0.81. Combining the system outputs using simple voting schemes and classifiers obtained improved results; the best composite system achieved an F-measure of 0.92 with 10-fold cross-validation. A 'maximum recall' system based on the pooled responses of all participants gave a recall of 0.97 (with precision 0.23), identifying 763 out of 785 identifiers. Conclusion: Major advances for the BioCreative II gene normalization task include broader participation (20 versus 8 teams) and a pooled system performance comparable to human experts, at over 90% agreement. These results show promise as tools to link the literature with biological databases

Named Entity Recognition for Bacterial Type IV Secretion Systems

Research on specialized biological systems is often hampered by a lack of consistent terminology, especially across species. In bacterial Type IV secretion systems genes within one set of orthologs may have over a dozen different names. Classifying research publications based on biological processes, cellular components, molecular functions, and microorganism species should improve the precision and recall of literature searches allowing researchers to keep up with the exponentially growing literature, through resources such as the Pathosystems Resource Integration Center (PATRIC, patricbrc.org). We developed named entity recognition (NER) tools for four entities related to Type IV secretion systems: 1) bacteria names, 2) biological processes, 3) molecular functions, and 4) cellular components. These four entities are important to pathogenesis and virulence research but have received less attention than other entities, e.g., genes and proteins. Based on an annotated corpus, large domain terminological resources, and machine learning techniques, we developed recognizers for these entities. High accuracy rates (>80%) are achieved for bacteria, biological processes, and molecular function. Contrastive experiments highlighted the effectiveness of alternate recognition strategies; results of term extraction on contrasting document sets demonstrated the utility of these classes for identifying T4SS-related documents

The Merodon planifacies subgroup (Diptera, Syrphidae) : Congruence of molecular and morphometric evidences reveal new taxa in Drakensberg mountains valleys (Republic of South Africa)

Hoverflies (Syrphidae) represent an insect group of great importance in ecosystems and indicators of ecosystem change. The genus Merodon Meigen, 1803 (tribe Merodontini) is one of the most species-rich hoverfly genera, distributed across the Palaearctic and Afrotropical regions. The genus Merodon Meigen, 1803 is less diverse in the Afrotropical Region than in the Palaearctic (11 versus 160 known species). An ongoing study of the genus Merodon in Africa has revealed the existence of two new species into the taxon previously known as Merodon planifacies Bezzi, 1915. The M. planifacies subgroup belongs to the Afrotropical lineage of the Merodon desuturinus group. Morphological analysis of male genitalia has classified the available specimens of the M. planifacies taxon into two sets: the first one corresponds to M. planifacies with folded theca, while the other with smooth theca, later named Merodon capi complex was found exclusively at the Drakensberg mountains in the Republic of South Africa, specifically in the Cathedral Peak National Park and the Royal Natal National Park. Further, molecular and morphometric evidences revealed two cryptic taxa within this complex: M. capi sp. nov. Vujic et Radenkovic and Merodon roni sp. nov. Radenkovic et Vujic. (c) 2020 Elsevier GmbH. All rights reserved.Peer reviewe