基因 - 疾病的关联对于理解疾病机制和有效干预措施和治疗的发展至关重要。识别由于缺乏研究而尚未与疾病相关的基因是一项具有挑战性的任务，基于先验知识的优先次序可以有所帮助。对新候选疾病基因的计算搜索可以通过正标（PU）学习，机器学习（ML）设置来简化，其中只有一部分实例被标记为正，而其余数据集则未标记。在这项工作中，我们提出了一组有效的基于网络的特征，可用于新型的马尔可夫扩散基于推定疾病基因发现的多级标记策略。使用三种ML算法在五个不同的疾病数据集上测试了新标签算法的性能以及所提出特征的有效性。将这种特征与经典拓扑和功能/本体论特征进行了比较，表明它们在二进制分类和多级标签中的经典表现都优于经典。类似地，综合方法在搜索新疾病基因方面的预测能力与最新算法具有竞争力。

大多数人类活动都需要在正式或非正式团队内部和跨部队进行合作。我们对团队所花费的合作努力与他们的表现有何关系的理解仍然是一个辩论问题。团队合作导致了一个高度相互联系的生态系统，这些生态系统可能是重叠的组件，其中与团队成员和其他团队进行互动执行任务。为了解决这个问题，我们提出了一个图形神经网络模型，旨在预测团队的性能，同时确定确定这种结果的驱动程序。特别是，该模型基于三个架构渠道：拓扑，中心性和上下文，它们捕获了不同因素可能塑造了团队的成功。我们赋予该模型具有两种注意机制，以提高模型性能并允许解释性。第一种机制允许查明团队内部的关键成员。第二种机制使我们能够量化三个驱动程序在确定结果绩效方面的贡献。我们在广泛的域上测试模型性能，其表现优于所考虑的大多数经典和神经基准。此外，我们包括专门设计的合成数据集，以验证该模型如何删除我们的模型胜过基线的预期属性。

从大量嘈杂的候选人中选择一小部分信息功能是一个充满挑战的问题，即机器学习和近似贝叶斯计算中的许多应用程序。在实践中，还需要考虑计算信息丰富功能的成本。这对于网络尤为重要，因为单个功能的计算成本可以跨越几个数量级。我们使用两种方法解决了网络模型选择问题的问题。首先，我们调整了九种功能选择方法来说明功能成本。我们为两类网络模型显示，可以通过两个数量级降低成本，而不会极大地影响分类精度（正确识别的模型的比例）。其次，我们使用具有较小网络的Pilot模拟选择了功能。这种方法将计算成本降低了50倍，而不会影响分类精度。为了证明我们的方法的实用性，我们将其应用于三个不同的酵母蛋白相互作用网络，并确定了最合适的重复差异模型。

在过去十年中，图形内核引起了很多关注，并在结构化数据上发展成为一种快速发展的学习分支。在过去的20年中，该领域发生的相当大的研究活动导致开发数十个图形内核，每个图形内核都对焦于图形的特定结构性质。图形内核已成功地成功地在广泛的域中，从社交网络到生物信息学。本调查的目标是提供图形内核的文献的统一视图。特别是，我们概述了各种图形内核。此外，我们对公共数据集的几个内核进行了实验评估，并提供了比较研究。最后，我们讨论图形内核的关键应用，并概述了一些仍有待解决的挑战。

多实例学习（MIL）是一种机器学习的范例，旨在对物体（实例）的集合（袋子）进行分类，仅将标签分配给袋子。通过选择要代表每个袋子的实例来解决这个问题，以转换为标准监督学习的MIL问题。可视化可以是通过将用户的知识纳入分类过程来评估学习方案的有用工具。考虑到多个实例学习是无法通过当前可视化技术无法处理的范例，我们提出了一种名为Miltree的基于树的可视化，以支持MIL问题。树的第一级代表袋子，第二级代表属于每个袋的实例，允许用户以直观的方式理解MIL数据集。此外，我们为MIL提出了两个新的实例选择方法，帮助用户进一步提高模型。我们的方法可以处理二进制和多字样。在我们的实验中，SVM用于构建分类器。通过支持Miltree布局，通过更改由原型实例组成的训练集来更新初始分类模型。实验结果验证了我们的方法的有效性，显示Miltree的视觉挖掘可以支持MIL场景中的探索和改进模型，并且我们的实例选择方法在大多数情况下优于当前可用的替代方案。

Neoplasms (NPs) and neurological diseases and disorders (NDDs) are amongst the major classes of diseases underlying deaths of a disproportionate number of people worldwide. To determine if there exist some distinctive features in the local wiring patterns of protein interactions emerging at the onset of a disease belonging to either of these two classes, we examined 112 and 175 protein interaction networks belonging to NPs and NDDs, respectively. Orbit usage profiles (OUPs) for each of these networks were enumerated by investigating the networks' local topology. 56 non-redundant OUPs (nrOUPs) were derived and used as network features for classification between these two disease classes. Four machine learning classifiers, namely, k-nearest neighbour (KNN), support vector machine (SVM), deep neural network (DNN), random forest (RF) were trained on these data. DNN obtained the greatest average AUPRC (0.988) among these classifiers. DNNs developed on node2vec and the proposed nrOUPs embeddings were compared using 5-fold cross validation on the basis of average values of the six of performance measures, viz., AUPRC, Accuracy, Sensitivity, Specificity, Precision and MCC. It was found that nrOUPs based classifier performed better in all of these six performance measures.

Protein subcellular localization is an important factor in normal cellular processes and disease. While many protein localization resources treat it as static, protein localization is dynamic and heavily influenced by biological context. Biological pathways are graphs that represent a specific biological context and can be inferred from large-scale data. We develop graph algorithms to predict the localization of all interactions in a biological pathway as an edge-labeling task. We compare a variety of models including graph neural networks, probabilistic graphical models, and discriminative classifiers for predicting localization annotations from curated pathway databases. We also perform a case study where we construct biological pathways and predict localizations of human fibroblasts undergoing viral infection. Pathway localization prediction is a promising approach for integrating publicly available localization data into the analysis of large-scale biological data.

图表学习方法为解决图形所代表的复杂的现实世界问题打开了新的可能性。但是，这些应用程序中使用的许多图包括数百万节点和数十亿个边缘，并且超出了当前方法和软件实现的功能。我们提供葡萄，这是一种用于图形处理和表示学习的软件资源，能够通过使用专业和智能数据结构，算法和快速并行实现来通过大图扩展。与最先进的软件资源相比，葡萄显示出经验空间和时间复杂性的数量级的改善，以及边缘预测和节点标签预测性能的实质和统计学上的显着改善。此外，葡萄提供了来自文献和其他来源的80,000多种图，标准化界面允许直接整合第三方库，61个节点嵌入方法，25个推理模型和3个模块化管道，以允许公平且可重复的方法比较以及用于图形处理和嵌入的库。

一种感染细菌和古代的原核病毒是微生物社区的关键球员。预测原核病毒的宿主有助于破译微生物之间的动态关系。虽然存在用于宿主鉴定的实验方法，但它们是劳动密集型或需要培养宿主细胞，从而产生对计算宿主预测的需求。尽管结果有一些有希望的结果，但计算宿主预测仍然是挑战，因为通过高通量测序技术通过有限的已知的相互作用和纯粹的测序量。最先进的方法只能在物种级别达到43％的精度。这项工作呈现樱桃，该工具配制主机预测作为知识图中的链路预测。作为病毒原核相互作用预测工具，可以应用樱桃以预测新发现病毒的宿主以及感染抗生素抗菌细菌的病毒。我们展示了樱桃对既有应用的效用，并将其性能与不同情景中的最先进的方法进行了比较。为了我们最好的知识，樱桃在识别病毒 - 原核互动方面具有最高的准确性。它优于物种水平的所有现有方法，精度增加37％。此外，樱桃的性能比其他工具更短的Contig。

通过图形结构表示数据标识在多个数据分析应用中提取信息的最有效方法之一。当调查多模式数据集时，这尤其如此，因为通过各种传感策略收集的记录被考虑并探索。然而，经典曲线图信号处理基于根据热扩散机构配置的信息传播的模型。该系统提供了对多模式数据分析不适用于多模式数据分析的数据属性的若干约束和假设，特别是当考虑从异构源收集的大规模数据集，因此结果的准确性和稳健性可能会受到严重危害。在本文中，我们介绍了一种基于流体扩散的图表定义模型。该方法提高了基于图形的数据分析的能力，以考虑运行方案中现代数据分析的几个问题，从而为对考试记录的记录底层的现象提供了一种精确，多才多艺的，有效地理解平台，以及完全利用记录的多样性提供的潜力，以获得数据的彻底表征及其意义。在这项工作中，我们专注于使用这种流体扩散模型来驱动社区检测方案，即根据节点中的节点中的相似性将多模式数据集分为多个组中。在不同应用场景中测试真正的多模式数据集实现的实验结果表明，我们的方法能够强烈优先于多媒体数据分析中的社区检测的最先进方案。

深度学习技术的普及更新了能够处理可以使用图形的复杂结构的神经结构的兴趣，由图形神经网络（GNN）的启发。我们将注意力集中在最初提出的Scarselli等人的GNN模型上。 2009，通过迭代扩散过程编码图表的节点的状态，即在学习阶段，必须在每个时期计算，直到达到学习状态转换功能的固定点，传播信息邻近节点。基于拉格朗日框架的约束优化，我们提出了一种在GNNS中学习的新方法。学习转换功能和节点状态是联合过程的结果，其中通过约束满足机制隐含地表达了状态会聚过程，避免了迭代巨头程序和网络展开。我们的计算结构在由权重组成的伴随空间中搜索拉格朗日的马鞍点，节点状态变量和拉格朗日乘法器。通过加速扩散过程的多个约束层进一步增强了该过程。实验分析表明，该方法在几个基准上的流行模型有利地比较。

复杂的网络是代表现实生活系统的图形，这些系统表现出独特的特征，这些特征在纯粹的常规或完全随机的图中未发现。由于基础过程的复杂性，对此类系统的研究至关重要，但具有挑战性。然而，由于大量网络数据的可用性，近几十年来，这项任务变得更加容易。复杂网络中的链接预测旨在估计网络中缺少两个节点之间的链接的可能性。由于数据收集的不完美或仅仅是因为它们尚未出现，因此可能会缺少链接。发现网络数据中实体之间的新关系吸引了研究人员在社会学，计算机科学，物理学和生物学等各个领域的关注。大多数现有研究的重点是无向复杂网络中的链接预测。但是，并非所有现实生活中的系统都可以忠实地表示为无向网络。当使用链接预测算法时，通常会做出这种简化的假设，但不可避免地会导致有关节点之间关系和预测性能中降解的信息的丢失。本文介绍了针对有向网络的明确设计的链接预测方法。它基于相似性范式，该范式最近已证明在无向网络中成功。提出的算法通过在相似性和受欢迎程度上将其建模为不对称性来处理节点关系中的不对称性。鉴于观察到的网络拓扑结构，该算法将隐藏的相似性近似为最短路径距离，并使用边缘权重捕获并取消链接的不对称性和节点的受欢迎程度。在现实生活中评估了所提出的方法，实验结果证明了其在预测各种网络数据类型和大小的丢失链接方面的有效性。

发现药物目标相互作用（DTI）是一个非常有前途的研究领域，具有巨大的潜力。通过计算方法对药物和蛋白质之间可靠的相互作用的准确鉴定，这些方法通常利用从不同数据源检索到的异质信息，可以提高有效药物的发展。尽管随机行走和基质分解技术被广泛用于DTI预测中，但它们有几个局限性。通常以无监督的方式进行基于步行的嵌入生成，而矩阵分解中的线性相似性组合会扭曲不同视图提供的单个见解。为了解决这些问题，我们采用多层网络方法来处理多样化的药物和靶向相似性，并提出了一个新颖的优化框架，称为多重相似性基于DEEPSWALK的矩阵分解（MDMF），以进行DTI预测。该框架统一了嵌入的产生和相互作用预测，药物的学习矢量表示以及目标不仅保留了所有超层和特定层特异性局部不变性的高阶接近性，而且还可以近似与其内部产品的相互作用。此外，我们开发了一种集成方法（MDMF2A），该方法集成了MDMF模型的两个实例化，优化了Precision-Recall曲线（AUPR）和接收器操作特征曲线（AUC）下的面积。关于现实世界DTI数据集的实证研究表明，我们的方法在四种不同的环境中对当前最新方法实现了统计学上的显着改善。此外，对高度排名的非相互作用对的验证也证明了MDMF2A发现新型DTI的潜力。

该药物发现​​和开发过程是一个漫长而昂贵的过程，每次药物平均耗资超过10亿美元，需要10 - 15年的时间。为了减少在整个过程中的高水平流失量，在最近十年中，越来越多地将机器学习方法应用于药物发现和发育的各个阶段，尤其是在最早鉴定可药物疾病基因的阶段。在本文中，我们开发了一种新的张量分解模型，以预测用于治疗疾病的潜在药物靶标（基因或蛋白质）。我们创建了一个三维数据张量，该数据张量由1,048个基因靶标，860个疾病和230,0111111111111111111111111111111的证据属性和临床结果，并使用从开放式目标和药物数据库中提取的数据组成。我们用从药物发现的知识图中学到的基因目标表示丰富了数据，并应用了我们提出的方法来预测看不见的基因靶标和疾病对的临床结果。我们设计了三种评估策略来衡量预测性能，并将几个常用的机器学习分类器与贝叶斯矩阵和张量分解方法进行了基准测试。结果表明，合并知识图嵌入可显着提高预测准确性，并与密集的神经网络一起训练张量分解优于所有其他基线。总而言之，我们的框架结合了两种积极研究的机器学习方法，用于疾病目标识别，即张量分解和知识图表示学习，这可能是在数据驱动的药物发现中进一步探索的有希望的途径。

来自最近的研究的日益增长的证据意味着MicroRNA或miRNA可以作为各种复杂人类疾病中的生物标志物。由于湿实验室实验昂贵且耗时，MiRNA疾病协会预测的计算技术近年来引起了很多关注。数据稀缺是建立可靠机器学习模式的主要挑战之一。数据稀缺结合使用预先计算的手工制作输入功能导致了过度装备和数据泄漏的问题。我们通过提出一种基于新的多任务图卷积的方法来克服现有作品的局限性，我们称之为粘基。杀菌允许自动特征提取，同时将知识与五个异质生物信息来源（miRNA /疾病和蛋白质编码基因（PCG）之间的相互作用，多任务设置中的蛋白质编码基因，miRNA家族信息和病理学之间的相互作用。这是一种新颖的视角，并未在之前进行过。为了有效地测试我们模型的泛化能力，我们在标准基准数据集中构建了大规模实验，以及我们提出的更大的独立测试集和案例研究。杀螨物显示出在HMDDV2.0和HMDDV3.0数据集上的5倍CV评估中的至少3％，并且在较大独立的测试集上至少35％，并在最先进的方法上具有看不见的miRNA和疾病。我们分享我们的重复性和未来研究代码，以便在https://git.l3s.uni-hannover.de/dong/cmtt。

背景：感染细菌和古代的原核病毒是生物圈中最丰富和多样化的生物实体。要了解各种生态系统中的监管作用，并利用治疗中使用的噬菌体的潜力，需要了解有病毒宿主关系的知识。高通量测序及其对微生物组的应用已经为预测宿主特定病毒可能感染的预测提供了新的机会。但是，计算宿主预测存在两个主要挑战。首先，经验上已知的病毒 - 宿主关系非常有限。其次，虽然病毒与其原核寄存器之间的序列相似度被用作宿主预测的主要特征，但在许多情况下，对齐在丢失或含糊不清。因此，仍然需要提高宿主预测的准确性。结果：在这项工作中，我们提出了一个半监督的学习模型，名为Hostg，为新颖病毒进行主机预测。我们通过利用病毒病毒蛋白质相似性和病毒宿主DNA序列相似性构建知识图。然后采用图形卷积网络（GCN）来利用或没有已知主机在培训中进行病毒来提高学习能力。在GCN培训期间，我们最小化预期的校准错误（ECE），以确保预测的信心。我们在模拟和实际测序数据上测试了HostG，并将其性能与其他用于病毒主机分类（VHM-Net，Wish，PHP，Hophage，Rafah，VHulk和VPF-Class）设计的最先进的方法。结论：Hostg优于其他流行的方法，展示了使用基于GCN的半监督学习方法的功效。 Hostg的特殊优势是它能够从新的分类群中预测主机。

药物介导的电压门控钾通道（HERG）和电压门控钠通道（NAV1.5）可导致严重的心血管并发症。这种上升的担忧已经反映在药物开发竞技场中，因为许多经批准的药物的常常出现心脏毒性导致他们在某些情况下停止他们的使用，或者在某些情况下，他们从市场上撤回。在药物发现过程的开始时预测潜在的HERG和NAV1.5阻滞剂可以解决这个问题，因此可以降低开发安全药物的时间和昂贵的成本。一种快速且经济高效的方法是在杂草中使用硅预测方法，在药物开发的早期阶段杂草出潜在的Herg和Nav1.5阻滞剂。在这里，我们介绍了两种基于强大的基于2D描述符的基于描述符的QSAR预测模型，用于HERG和NAV1.5责任预测。机器学习模型训练，用于回归，预测药物的效力值，以及三种不同效力截止的多条分类（即1 {\ mu} m，10 {\ mu} m，和30 {\ mu}） M），其中托管 - Herg分类器是随机森林模型的管道，受到8380个独特的分子化合物的大型策级数据集。虽然Toxtree-Nav1.5分类器，凯列化SVM模型的管道，由来自Chembl和Pubchem公开的生物活动数据库的大型手动策划的1550个独特的化合物培训。拟议的HERG诱导者表现优于最先进的发布模型和其他现有工具的大多数指标。此外，我们正在介绍Q4 = 74.9％的第一个NAV1.5责任预测模型，Q2 = 86.7％的二进制分类= 71.2％在173个独特的化合物的外部测试组上进行评估。该项目中使用的策划数据集公开可向研究界提供。

图形嵌入是将网络的节点转换为一组向量。良好的嵌入应捕获底层图形拓扑和结构，节点到节点关系以及图形，其子图和节点的其他相关信息。如果实现了这些目标，则嵌入是网络的有意义，可以理解的，通常是压缩的。不幸的是，选择最好的嵌入是一个具有挑战性的任务，并且通常需要域名专家。在本文中，我们扩展了评估作者最近引入的图形嵌入的框架。现在，该框架为每个嵌入的嵌入分配两个分数，本地和全局，测量评估嵌入的嵌入的质量，以便分别需要良好地表示网络的全局属性。如果需要，最好的嵌入可以以无监督的方式选择，或者框架可以识别一些值得进一步调查的少数嵌入。该框架灵活，可扩展，可以处理无向/定向，加权/未加权图。

作为图表上链路预测的自然扩展，超链接预测的目的是推断超图中缺失的超链接，其中超链接可以连接两个以上的节点。超链接预测在从化学反应网络，社交通信网络到蛋白质 - 蛋白质相互作用网络的广泛系统中具有应用。在本文中，我们提供了有关超链接预测的系统和全面调查。我们提出了一种新的分类法，将现有的超链接预测方法分类为四类：基于相似性的基于概率，基于矩阵优化和基于深度学习的方法。为了比较来自不同类别的方法的性能，我们使用每个类别的代表性方法对各种超图应用进行了基准研究。值得注意的是，基于深度学习的方法比超链接预测中的其他方法占了上风。

鉴定新型药物靶标相互作用（DTI）是药物发现中的关键和速率限制步骤。虽然已经提出了深入学习模型来加速识别过程，但我们表明最先进的模型无法概括到新颖（即，从未见过的）结构上。我们首先揭示负责此缺点的机制，展示模型如何依赖于利用蛋白质 - 配体二分网络拓扑的捷径，而不是学习节点特征。然后，我们介绍AI-BIND，这是一个与无监督的预训练的基于网络的采样策略相结合的管道，使我们能够限制注释不平衡并改善新型蛋白质和配体的结合预测。我们通过预测具有结合亲和力的药物和天然化合物对SARS-COV-2病毒蛋白和相关的人蛋白质来说明Ai-reat的值。我们还通过自动扩展模拟和与最近的实验证据进行比较来验证这些预测。总体而言，AI-Bind提供了一种强大的高通量方法来识别药物目标组合，具有成为药物发现中强大工具的可能性。