Sequence-based Multiscale Model (SeqMM) for High-throughput chromosome conformation capture (Hi-C) data analysis

In this paper, I introduce a Sequence-based Multiscale Model (SeqMM) for the biomolecular data analysis. With the combination of spectral graph method, I reveal the essential difference between the global scale models and local scale ones in structure clustering, i.e., different optimization on Euclidean (or spatial) distances and sequential (or genomic) distances. More specifically, clusters from global scale models optimize Euclidean distance relations. Local scale models, on the other hand, result in clusters that optimize the genomic distance relations. For a biomolecular data, Euclidean distances and sequential distances are two independent variables, which can never be optimized simultaneously in data clustering. However, sequence scale in my SeqMM can work as a tuning parameter that balances these two variables and deliver different clusterings based on my purposes. Further, my SeqMM is used to explore the hierarchical structures of chromosomes. I find that in global scale, the Fiedler vector from my SeqMM bears a great similarity with the principal vector from principal component analysis, and can be used to study genomic compartments. In TAD analysis, I find that TADs evaluated from different scales are not consistent and vary a lot. Particularly when the sequence scale is small, the calculated TAD boundaries are dramatically different. Even for regions with high contact frequencies, TAD regions show no obvious consistence. However, when the scale value increases further, although TADs are still quite different, TAD boundaries in these high contact frequency regions become more and more consistent. Finally, I find that for a fixed local scale, my method can deliver very robust TAD boundaries in different cluster numbers.Comment: 22 PAGES, 13 FIGURE

A convolutional autoencoder approach for mining features in cellular electron cryo-tomograms and weakly supervised coarse segmentation

Cellular electron cryo-tomography enables the 3D visualization of cellular organization in the near-native state and at submolecular resolution. However, the contents of cellular tomograms are often complex, making it difficult to automatically isolate different in situ cellular components. In this paper, we propose a convolutional autoencoder-based unsupervised approach to provide a coarse grouping of 3D small subvolumes extracted from tomograms. We demonstrate that the autoencoder can be used for efficient and coarse characterization of features of macromolecular complexes and surfaces, such as membranes. In addition, the autoencoder can be used to detect non-cellular features related to sample preparation and data collection, such as carbon edges from the grid and tomogram boundaries. The autoencoder is also able to detect patterns that may indicate spatial interactions between cellular components. Furthermore, we demonstrate that our autoencoder can be used for weakly supervised semantic segmentation of cellular components, requiring a very small amount of manual annotation.Comment: Accepted by Journal of Structural Biolog

Geometric algorithms for cavity detection on protein surfaces

Macromolecular structures such as proteins heavily empower cellular processes or functions. These biological functions result from interactions between proteins and peptides, catalytic substrates, nucleotides or even human-made chemicals. Thus, several interactions can be distinguished: protein-ligand, protein-protein, protein-DNA, and so on. Furthermore, those interactions only happen under chemical- and shapecomplementarity conditions, and usually take place in regions known as binding sites. Typically, a protein consists of four structural levels. The primary structure of a protein is made up of its amino acid sequences (or chains). Its secondary structure essentially comprises -helices and -sheets, which are sub-sequences (or sub-domains) of amino acids of the primary structure. Its tertiary structure results from the composition of sub-domains into domains, which represent the geometric shape of the protein. Finally, the quaternary structure of a protein results from the aggregate of two or more tertiary structures, usually known as a protein complex. This thesis fits in the scope of structure-based drug design and protein docking. Specifically, one addresses the fundamental problem of detecting and identifying protein cavities, which are often seen as tentative binding sites for ligands in protein-ligand interactions. In general, cavity prediction algorithms split into three main categories: energy-based, geometry-based, and evolution-based. Evolutionary methods build upon evolutionary sequence conservation estimates; that is, these methods allow us to detect functional sites through the computation of the evolutionary conservation of the positions of amino acids in proteins. Energy-based methods build upon the computation of interaction energies between protein and ligand atoms. In turn, geometry-based algorithms build upon the analysis of the geometric shape of the protein (i.e., its tertiary structure) to identify cavities. This thesis focuses on geometric methods. We introduce here three new geometric-based algorithms for protein cavity detection. The main contribution of this thesis lies in the use of computer graphics techniques in the analysis and recognition of cavities in proteins, much in the spirit of molecular graphics and modeling. As seen further ahead, these techniques include field-of-view (FoV), voxel ray casting, back-face culling, shape diameter functions, Morse theory, and critical points. The leading idea is to come up with protein shape segmentation, much like we commonly do in mesh segmentation in computer graphics. In practice, protein cavity algorithms are nothing more than segmentation algorithms designed for proteins.Estruturas macromoleculares tais como as proteínas potencializam processos ou funções celulares. Estas funções resultam das interações entre proteínas e peptídeos, substratos catalíticos, nucleótideos, ou até mesmo substâncias químicas produzidas pelo homem. Assim, há vários tipos de interacções: proteína-ligante, proteína-proteína, proteína-DNA e assim por diante. Além disso, estas interações geralmente ocorrem em regiões conhecidas como locais de ligação (binding sites, do inglês) e só acontecem sob condições de complementaridade química e de forma. É também importante referir que uma proteína pode ser estruturada em quatro níveis. A estrutura primária que consiste em sequências de aminoácidos (ou cadeias), a estrutura secundária que compreende essencialmente por hélices e folhas , que são subsequências (ou subdomínios) dos aminoácidos da estrutura primária, a estrutura terciária que resulta da composição de subdomínios em domínios, que por sua vez representa a forma geométrica da proteína, e por fim a estrutura quaternária que é o resultado da agregação de duas ou mais estruturas terciárias. Este último nível estrutural é frequentemente conhecido por um complexo proteico. Esta tese enquadra-se no âmbito da conceção de fármacos baseados em estrutura e no acoplamento de proteínas. Mais especificamente, aborda-se o problema fundamental da deteção e identificação de cavidades que são frequentemente vistos como possíveis locais de ligação (putative binding sites, do inglês) para os seus ligantes (ligands, do inglês). De forma geral, os algoritmos de identificação de cavidades dividem-se em três categorias principais: baseados em energia, geometria ou evolução. Os métodos evolutivos baseiam-se em estimativas de conservação das sequências evolucionárias. Isto é, estes métodos permitem detectar locais funcionais através do cálculo da conservação evolutiva das posições dos aminoácidos das proteínas. Em relação aos métodos baseados em energia estes baseiam-se no cálculo das energias de interação entre átomos da proteína e do ligante. Por fim, os algoritmos geométricos baseiam-se na análise da forma geométrica da proteína para identificar cavidades. Esta tese foca-se nos métodos geométricos. Apresentamos nesta tese três novos algoritmos geométricos para detecção de cavidades em proteínas. A principal contribuição desta tese está no uso de técnicas de computação gráfica na análise e reconhecimento de cavidades em proteínas, muito no espírito da modelação e visualização molecular. Como pode ser visto mais à frente, estas técnicas incluem o field-of-view (FoV), voxel ray casting, back-face culling, funções de diâmetro de forma, a teoria de Morse, e os pontos críticos. A ideia principal é segmentar a proteína, à semelhança do que acontece na segmentação de malhas em computação gráfica. Na prática, os algoritmos de detecção de cavidades não são nada mais que algoritmos de segmentação de proteínas