Deep learning for bioinformatics

Actualmente, el aprendizaje profundo (deep learning ) constituye una de las tecnologías del campo de la Inteligencia Artificial (IA) que goza de mayor éxito y popularidad. En campos como el procesamiento de imágenes y el análisis de datos secuenciales, su uso se encuentra bastante extendido, formando parte del núcleo de sistemas de vanguardia como los vehículos de conducción automática o los sistemas de reconocimiento facial. Sin embargo, y a pesar de sus grandes capacidades representacionales y predictivas, su aplicación a problemas, como el análisis de datos de expresión para su empleo en tareas de clasificación de cáncer, en los que el nu´mero de variables (N) supera con creces el nu´mero de muestras (M) o patrones del conjunto de datos (N » M), constituye un verdadero reto todavía sin resolver. Con el objetivo de resolver este problema entre el número de variables y de muestras, diferentes ténicas de aprendizaje automático de reducción de la dimensionalidad de los datos han sido aplicadas. Aunque esta técnicas consiguen reducir el número de variables, el rendimiento en predicción de los modelos de aprendizaje automático tradicionales es moderado, ya que el número reducido de muestras empleado para el entrenamiento de los métodos de reducción de la dimensionalidad no les permite extraer las características adecuadas para mejorar el rendimiento en predicción de forma significativa. Para resolver estos problemas y mejorar la habilidad predictiva de los métodos clásicos de aprendizaje automático, proponemos un enfoque basado en el aprenaprendizaje profundo para reducir la dimensionalidad de los datos de expresión, que emplea aprendizaje supervisado y no supervisado para hacer uso de todas las muestras de tumores presentes en una base de datos para resolver una tarea de clasificación den cáncer concreta...

Unsupervised multiple kernel learning approaches for integrating molecular cancer patient data

Cancer is the second leading cause of death worldwide. A characteristic of this disease is its complexity leading to a wide variety of genetic and molecular aberrations in the tumors. This heterogeneity necessitates personalized therapies for the patients. However, currently defined cancer subtypes used in clinical practice for treatment decision-making are based on relatively few selected markers and thus provide only a coarse classifcation of tumors. The increased availability in multi-omics data measured for cancer patients now offers the possibility of defining more informed cancer subtypes. Such a more fine-grained characterization of cancer subtypes harbors the potential of substantially expanding treatment options in personalized cancer therapy. In this thesis, we identify comprehensive cancer subtypes using multidimensional data. For this purpose, we apply and extend unsupervised multiple kernel learning methods. Three challenges of unsupervised multiple kernel learning are addressed: robustness, applicability, and interpretability. First, we show that regularization of the multiple kernel graph embedding framework, which enables the implementation of dimensionality reduction techniques, can increase the stability of the resulting patient subgroups. This improvement is especially beneficial for data sets with a small number of samples. Second, we adapt the objective function of kernel principal component analysis to enable the application of multiple kernel learning in combination with this widely used dimensionality reduction technique. Third, we improve the interpretability of kernel learning procedures by performing feature clustering prior to integrating the data via multiple kernel learning. On the basis of these clusters, we derive a score indicating the impact of a feature cluster on a patient cluster, thereby facilitating further analysis of the cluster-specific biological properties. All three procedures are successfully tested on real-world cancer data. Comparing our newly derived methodologies to established methods provides evidence that our work offers novel and beneficial ways of identifying patient subgroups and gaining insights into medically relevant characteristics of cancer subtypes.Krebs ist eine der häufigsten Todesursachen weltweit. Krebs ist gekennzeichnet durch seine Komplexität, die zu vielen verschiedenen genetischen und molekularen Aberrationen im Tumor führt. Die Unterschiede zwischen Tumoren erfordern personalisierte Therapien für die einzelnen Patienten. Die Krebssubtypen, die derzeit zur Behandlungsplanung in der klinischen Praxis verwendet werden, basieren auf relativ wenigen, genetischen oder molekularen Markern und können daher nur eine grobe Unterteilung der Tumoren liefern. Die zunehmende Verfügbarkeit von Multi-Omics-Daten für Krebspatienten ermöglicht die Neudefinition von fundierteren Krebssubtypen, die wiederum zu spezifischeren Behandlungen für Krebspatienten führen könnten. In dieser Dissertation identifizieren wir neue, potentielle Krebssubtypen basierend auf Multi-Omics-Daten. Hierfür verwenden wir unüberwachtes Multiple Kernel Learning, welches in der Lage ist mehrere Datentypen miteinander zu kombinieren. Drei Herausforderungen des unüberwachten Multiple Kernel Learnings werden adressiert: Robustheit, Anwendbarkeit und Interpretierbarkeit. Zunächst zeigen wir, dass die zusätzliche Regularisierung des Multiple Kernel Learning Frameworks zur Implementierung verschiedener Dimensionsreduktionstechniken die Stabilität der identifizierten Patientengruppen erhöht. Diese Robustheit ist besonders vorteilhaft für Datensätze mit einer geringen Anzahl von Proben. Zweitens passen wir die Zielfunktion der kernbasierten Hauptkomponentenanalyse an, um eine integrative Version dieser weit verbreiteten Dimensionsreduktionstechnik zu ermöglichen. Drittens verbessern wir die Interpretierbarkeit von kernbasierten Lernprozeduren, indem wir verwendete Merkmale in homogene Gruppen unterteilen bevor wir die Daten integrieren. Mit Hilfe dieser Gruppen definieren wir eine Bewertungsfunktion, die die weitere Auswertung der biologischen Eigenschaften von Patientengruppen erleichtert. Alle drei Verfahren werden an realen Krebsdaten getestet. Den Vergleich unserer Methodik mit etablierten Methoden weist nach, dass unsere Arbeit neue und nützliche Möglichkeiten bietet, um integrative Patientengruppen zu identifizieren und Einblicke in medizinisch relevante Eigenschaften von Krebssubtypen zu erhalten

Large-scale benchmark study of survival prediction methods using multi-omics data

Multi-omics data, that is, datasets containing different types of high-dimensional molecular variables, are increasingly often generated for the investigation of various diseases. Nevertheless, questions remain regarding the usefulness of multi-omics data for the prediction of disease outcomes such as survival time. It is also unclear which methods are most appropriate to derive such prediction models. We aim to give some answers to these questions through a large-scale benchmark study using real data. Different prediction methods from machine learning and statistics were applied on 18 multi-omics cancer datasets (35 to 1000 observations, up to 100 000 variables) from the database 'The Cancer Genome Atlas' (TCGA). The considered outcome was the (censored) survival time. Eleven methods based on boosting, penalized regression and random forest were compared, comprising both methods that do and that do not take the group structure of the omics variables into account. The Kaplan-Meier estimate and a Cox model using only clinical variables were used as reference methods. The methods were compared using several repetitions of 5-fold cross-validation. Uno's C-index and the integrated Brier score served as performance metrics. The results indicate that methods taking into account the multi-omics structure have a slightly better prediction performance. Taking this structure into account can protect the predictive information in low-dimensional groups-especially clinical variables-from not being exploited during prediction. Moreover, only the block forest method outperformed the Cox model on average, and only slightly. This indicates, as a by-product of our study, that in the considered TCGA studies the utility of multi-omics data for prediction purposes was limited