R语言构建蛋白质网络并实现GN算法
1.蛋白质网络的构建
我们使用与人类HIV相关的蛋白质互作数据hunam-HIV PPI.csv来构建这个蛋白质互作网络。
在R中,我们可以从存储在R环境外部的文件读取数据。还可以将数据写入由操作系统存储和访问的文件。 R可以读取和写入各种文件格式,如:csv,excel,xml等。
想要读取csv文件,我们需要:
设置工作目录
读取CSV文件
代码如下:
setwd("/Users/.../Documents/...")
data
这样,我们就得到了蛋白质互作数据并存储在了data中。
接下来,我们使用igraph包来构建该网络。(因为数据中只有两列表示两个有连接的顶点,因此我没有构建数据帧用于存放顶点的特征)
edges
g
graph.data.frame(也可写作graph_from_data_frame)函数有许多参数,具体内容如下:
graph_from_data_frame(edges,direced,vertices)
现在,我们已经建立了图形g,如果你想看看它的样子,可以简单地通过plot(g)来做到。
2.生物网络的模块发现方法
在许多复杂网络中,对于模块(或称为社区)的划分是非常有意义的。模块发现,或称为社群发现主要有五种模型。
社群结构特点:社群内边密度要高于社群间边密度,社群内部连接相对紧密,各个社群之间连接相对稀疏。
社群模型
概念
效果
点连接
某点与某社群有关系就是某社群的
最差,常常是某一大类超级多
随机游走
利用距离相似度,用合并层次聚类方法建立社群
运行时间短,但是效果不是特别好,也会出现某类巨多
自旋玻璃
关系网络看成是随机网络场,利用能量函数来进行层次聚类
耗时长,适用较为复杂的情况
中间中心度
找到中间中心度最弱的删除,并以此分裂至到划分不同的大群落
耗时长,参数设置很重要
标签传播
通过相邻点给自己打标签,相同的标签一个社群
跟特征向量可以组合应用,适用于话题类
其中,中间中心度的模型,为Gievan-Newman(GN)算法的思想相同。其余模型的详细情况不作更多介绍,此处,参考了R语言︱SNA-社会关系网络—igraph包(社群划分、画图)。
下面,我们介绍GN算法的基本思想:
1.计算网络中所有边的中介中心性;
2.去除中介中心性最高的边;
3.重新计算去除边后的网络中所有边的中介中心性;
4.跳至步骤2,重新计算,直至网络中没有边存在。
可以看到,这个算法的思想非常简单。但是,这个算法什么时候终止,才能使得社群划分的结构最优?在Newman and Girvan 2004中,他们提出了Modularity Q(全局模块度)的概念,进一步完善了这个算法。一般认为,Q的取值在0.3~0.7之间最优,但是,也需具体情况具体考虑。
3.模块发现方法实现和图形展示
现在模块划分有非常多的算法,很多都已集成在igrah中。在library("igraph")之后,我们可以调用许多包中已实现的函数对网络g划分模块。
算法
作者
年份
复杂度
GN
Newman & Girvan
2004
CFinder
2005
随机游走方法
Pons & Latapy
2005
自旋玻璃社群发现
Reichardt & Bornholdt
2006
LPA(标签传播算法)
Raghavan et al
2007
O(m)
Fast Unfolding
Vincent D. Blondel
2008
LFM
2009
O(n^2)
EAGLE
2009
O(s*n^2)
GIS
2009
O(n^2)
HANP(Hop Attenuation & Node Preferences)
Lan X.Y. & Leung
2009
O(m)
GCE
2010
O(mh)
COPRA
2010
NMF
2010
Link
2010
SLPA/GANXis(Speaker-listener Label Propagation)
Jierui Xie
2011
BMLPA(Balanced Multi-label Propagation)
武志昊(北交大)
2012
O(n*logn)
1) 基于点连接的模块发现:cluster_fast_greedy该方法通过直接优化模块度来发现模块。
cluster_fast_greedy(graph, merges = TRUE, modularity = TRUE,
membership = TRUE, weights = E(graph)$weight)
graph 待划分模块的图。
merges 是否返回合并后的模型。
modularity 是否将每次合并时的模块度以向量返回。
membership 是否在每次合并时考虑所有可能的模块结构,对应最大的模块度计算成员向量。
weights 如果非空,则是一个边权重的向量。
return 一个communities对象。
一个例子:
cfg
plot(cfg, g)
生成的图形如下所示:
2) GN算法:edge.betweenness.community
该方法通过中间中心度找到网络中相互关联最弱的点,删除它们之间的边,并以此对网络进行逐层划分,就可以得到越来越小的模块。在适当的时候终止这个过程,就可以得到合适的模块划分结果。
member
$weight,directed=F)
有默认的边权重weight,并且默认边是无向的,directed=T时代表有向。
调用这个方法并将其图形展示和保存的代码如下:
##
#• Community structure in social and biological networks
# M. Girvan and M. E. J. Newman
#• New to version 0.6: FALSE
#• Directed edges: TRUE
#• Weighted edges: TRUE
#• Handles multiple components: TRUE
#• Runtime: |V||E|^2 ~稀疏:O(N^3)
##
ec
V(g)$size = 1 #我将大部分顶点的大小设置为1
V(g)[degree(g)>=300]$size = 5 #但度很大的顶点更大
png('/Users/.../Documents/.../protein.png',width=1800,height=1800)# 指明接下来要做的图形的格式和长宽
plot(ec,g)
dev.off() # 关闭图形设备
print(modularity(ec))
这样,图片保存为了protein.png,还输出了模块度。
3) 随机游走:walktrap.community
##
#• Computing communities in large networks using random walks
# Pascal Pons, Matthieu Latapy
#• New to version 0.6: FALSE
#• Directed edges: FALSE
#• Weighted edges: TRUE
#• Handles multiple components: FALSE
#• Runtime: |E||V|^2
##
system.time(wc
print(modularity(wc))
#membership(wc)
plot(wc , g)
4)Newman快速算法:leading.eigenvector.community
Newman快速算法将每个节点看作是一个社团,每次迭代选择产生最大Q值的两个社团合并,直至整个网络融合成一个社团。整个过程可表示成一个树状图,从中选择Q值最大的层次划分得到最终的社团结构。该算法的总体时间复杂度为O(m(m+n))
##
#• Finding community structure in networks using the eigenvectors of matrices
# MEJ Newman
# Phys Rev E 74:036104 (2006)
#• New to version 0.6: FALSE
#• Directed edges: FALSE
#• Weighted edges: FALSE
#• Handles multiple components: TRUE
#• Runtime: c|V|^2 + |E| ~N(N^2)
##
system.time(lec
print(modularity(lec))
plot(lec,g)
5) Newman Fast Greedy:fastgreedy.community
##
#• Finding community structure in very large networks
# Aaron Clauset, M. E. J. Newman, Cristopher Moore
#• Finding Community Structure in Mega-scale Social Networks
# Ken Wakita, Toshiyuki Tsurumi
#• New to version 0.6: FALSE
#• Directed edges: FALSE
#• Weighted edges: TRUE
#• Handles multiple components: TRUE
#• Runtime: |V||E| log |V|
##
system.time(fc
print(modularity(fc))
plot(fc, g)
6) Fast unfolding算法:multilevel.community
##
#• Fast unfolding of communities in large networks
# Vincent D. Blondel, Jean-Loup Guillaume, Renaud Lambiotte, Etienne Lefebvre
#• New to version 0.6: TRUE
#• Directed edges: FALSE
#• Weighted edges: TRUE
#• Handles multiple components: TRUE
# Runtime: “linear” when |V| \approx |E| ~ sparse; (a quick glance at the algorithm \
# suggests this would be quadratic for fully-connected graphs)
system.time(mc
print(modularity(mc))
plot(mc, g)
7)标签传播算法:label.propagation.community
##
#• Near linear time algorithm to detect community structures in large-scale networks.
# Raghavan, U.N. and Albert, R. and Kumara, S.
# Phys Rev E 76, 036106. (2007)
#• New to version 0.6: TRUE
#• Directed edges: FALSE
#• Weighted edges: TRUE
#• Handles multiple components: FALSE
# Runtime: |V| + |E|
system.time(lc
print(modularity(lc))
plot(lc , g)
8)自旋玻璃社群发现:spinglass.community
member
#需要设置参数weights,因为无默认值
9)自实现GN算法
为了更好地理解GN算法,我们当然要尝试自己实现一个GN算法。
4.附录:igraph中常用函数
1)plot 画图函数
plot(g, layout = layout.fruchterman.reingold, vertex.size = V(g)$size+2,vertex.color=V(g)$color,vertex.label=V(g)$label,vertex.label.cex=1,edge.color = grey(0.5), edge.arrow.mode = "-",edge.arrow.size=5)
layout 设置图的布局方式
layout、layout.auto、layout.bipartite、layout.circle、layout.drl、layout.fruchterman.reingold、layout.fruchterman.reingold.grid、layout.graphopt、layout.grid、layout.grid.3d、layout.kamada.kawai、layout.lgl、layout.mds、layout.merge、layout.norm、layout.random、layout.reingold.tilford、layout.sphere、layout.spring、layout.star、layout.sugiyama、layout.svd
vertex.size 设置节点的大小
de
V(g)$deg
V(g)$size=2
V(g)[deg>=1]$size=4
V(g)[deg>=2]$size=6
V(g)[deg>=3]$size=8
V(g)[deg>=4]$size=10
V(g)[deg>=5]$size=12
V(g)[deg>=6]$size=14
vertex.color 设置节点的颜色
color
col
V(g)$color=col[color[,1]]
vertex.label 设置节点的标记
V(g)$label=V(g)$name
vertex.label=V(g)$label
vertex.label.cex 设置节点标记的大小
edge.color 设置边的颜色
E(g)$color="grey"
for(i in 1:length(pa3[,1])){
E(g,path=pa3[i,])$color="red"
}
edge.color=E(g)$color
edge.arrow.mode 设置边的连接方式
edge.arrow.size 设置箭头的大小
E(g)$width=1 设置边的宽度
2) 聚类分析
边的中介度聚类
system.time(ec
print(modularity(ec))
plot(ec, g,vertex.size=5,vertex.label=NA)
随机游走
system.time(wc
print(modularity(wc))
#membership(wc)
plot(wc , g,vertex.size=5,vertex.label=NA)
特征值(个人理解觉得类似谱聚类)
system.time(lec
print(modularity(lec))
plot(lec,g,vertex.size=5,vertex.label=NA)
贪心策略
system.time(fc
print(modularity(fc))
plot(fc, g,vertex.size=5,vertex.label=NA)
多层次聚类
system.time(mc
print(modularity(mc))
plot(mc, g,vertex.size=5,vertex.label=NA)
标签传播
system.time(lc
print(modularity(lc))
plot(lc , g,vertex.size=5,vertex.label=NA)
文件输出
zz
cat(x,file=zz,sep="\n")
close(zz)
查看变量数据类型和长度
mode(x)
length(x)
参考链接