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Dissertação de Mestrado
DOI
10.11606/D.95.2018.tde-19052018-122805
Documento
Autor
Nome completo
Clebiano da Costa Sá
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2018
Orientador
Banca examinadora
Lima, Ariane Machado (Presidente)
Cerri, Ricardo
Tahira, Ana Carolina
Título em português
Métodos de validação tradicional e temporal aplicados à avaliação de classificadores de RNAs codificantes e não codificantes
Palavras-chave em português
Aprendizado supervisionado
Classificação de RNAs
Hold-out temporal
Hold-out tradicional
Reconhecimento de padrões
RNAs não codificantes
Resumo em português
Os ácidos ribonucleicos (RNAs) podem ser classificados em duas classes principais: codificante e não codificante de proteína. Os codificantes, representados pelos RNAs mensageiros (mRNAs), possuem a informação necessária à síntese proteica. Já os RNAs não codificantes (ncRNAs) não são traduzidos em proteínas, mas estão envolvidos em várias atividades celulares distintas e associados a várias doenças tais como cardiopatias, câncer e desordens psiquiátricas. A descoberta de novos ncRNAs e seus papéis moleculares favorece avanços no conhecimento da biologia molecular e pode também impulsionar o desenvolvimento de novas terapias contra doenças. A identificação de ncRNAs é uma ativa área de pesquisa e um dos correntes métodos é a classificação de sequências transcritas utilizando sistemas de reconhecimento de padrões baseados em suas características. Muitos classificadores têm sido desenvolvidos com este propósito, especialmente nos últimos três anos. Um exemplo é o Coding Potential Calculator (CPC), baseado em Máquinas de Vetores de Suporte (SVM). No entanto, outros algoritmos robustos são também reconhecidos pelo seu potencial em tarefas de classificação, como por exemplo Random Forest (RF). O método mais utilizado para avaliação destas ferramentas tem sido a validação cruzada k-fold. Uma questão não considerada nessa forma de validação é a suposição de que as distribuições de frequências dentro do banco de dados, em termos das classes das sequências e outras variáveis, não se alteram ao longo do tempo. Caso essa premissa não seja verdadeira, métodos tradicionais como a validação cruzada e o hold-out podem subestimar os erros de classificação. Constata-se, portanto, a necessidade de um método de validação que leve em consideração a constante evolução dos bancos de dados ao longo do tempo, para proporcionar uma análise de desempenho mais realista destes classificadores. Neste trabalho comparamos dois métodos de avaliação de classificadores: hold-out temporal e hold-out tradicional (atemporal). Além disso, testamos novos modelos de classificação a partir da combinação de diferentes algoritmos de indução com características de classificadores do estado da arte e um novo conjunto de características. A partir dos testes das hipóteses, observamos que tanto a validação hold-out tradicional quanto a validação hold-out temporal tendem a subestimar os erros de classificação, que a avaliação por validação temporal é mais fidedigna, que classificadores treinados a partir de parâmetros calibrados por validação temporal não melhoram a classificação e que nosso modelo de classificação baseado em Random Forest e treinado com características de classificadores do estado da arte e mais um novo conjunto de características proporcionou uma melhora significativa na discriminação dos RNAs codificantes e não codificantes. Por fim, destacamos o potencial do algoritmo Random Forest e das características utilizadas, diante deste problema de classificação, e sugerimos o uso do método de validação hold-out temporal para a obtenção de estimativas de desempenho mais fidedignas para os classificadores de RNAs codificantes e não codificantes de proteína.
Título em inglês
Traditional and time validation methods applied to the evaluation of coding and non-coding RNA classifiers
Palavras-chave em inglês
Classification of RNAs
Non-coding RNAs
Pattern recognition
Supervised learning
Time Hold-out
Traditional hold-out
Resumo em inglês
Ribonucleic acids (RNAs) can be classified into two main classes: coding and non-coding of protein. The coding, represented by messenger RNAs (mRNAs), has the necessary information for protein synthesis. Non-coding RNAs (ncRNAs) are not translated into proteins but are involved in several distinct cellular activities associated with various diseases such as heart disease, cancer and psychiatric disorders. The discovery of new ncRNAs and their molecular roles favors advances in the knowledge of molecular biology and may also boost the development of new therapies against diseases. The identification of ncRNAs is an active area of research and one of the current methods is the classification of transcribed sequences using pattern recognition systems based on their characteristics. Many classifiers have been developed for this purpose, especially in the last three years. An example is the Coding Potential Calculator (CPC), based on Supporting Vector Machines (SVM). However, other robust algorithms are also recognized for their potential in classification tasks, such as Random Forest (RF). The most commonly used method for evaluating these tools has been cross-validation k-fold. An issue not considered in this form of validation is the assumption that frequency distributions within the database, in terms of sequence classes and other variables, do not change over time. If this assumption is not true, traditional methods such as cross-validation and hold-out may underestimate classification errors. The need for a validation method that takes into account the constant evolution of databases over time is therefore needed to provide a more realistic performance analysis of these classifiers. In this work we compare two methods of evaluation of classifiers: time hold-out and traditional hold-out (without considering the time). In addition, we tested new classification models from the combination of different induction algorithms with state-ofthe-art classifier characteristics and a new set of characteristics. From the hypothesis tests, we observe that both the traditional hold-out validation and the time hold-out validation tend to underestimate the classification errors, that the time validation evaluation is more reliable, than classifiers trained from parameters calibrated by time validation did not improve classification and that our Random Forest-based classification model trained with state-of-the-art classifier characteristics and a new set of characteristics provided a significant improvement in the discrimination of the coding and non-coding RNAs. Finally, we highlight the potential of the Random Forest algorithm and the characteristics used, in view of this classification problem, and we suggest the use of the time hold-out validation method to obtain more reliable estimates of the protein coding and non-coding RNA classifiers.
 
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Data de Publicação
2018-06-04
 
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