Learning Microbial Interaction Networks from Metagenomic Count Data

基因组 计算机科学 数据科学 计算生物学 生物 遗传学 基因
作者
Surojit Biswas,Meredith McDonald,Derek S. Lundberg,Jeffery L. Dangl,Vladimir Jojic
出处
期刊:Journal of Computational Biology [Mary Ann Liebert, Inc.]
卷期号:23 (6): 526-535 被引量:57
标识
DOI:10.1089/cmb.2016.0061
摘要

Many microbes associate with higher eukaryotes and impact their vitality. To engineer microbiomes for host benefit, we must understand the rules of community assembly and maintenance that, in large part, demand an understanding of the direct interactions among community members. Toward this end, we have developed a Poisson-multivariate normal hierarchical model to learn direct interactions from the count-based output of standard metagenomics sequencing experiments. Our model controls for confounding predictors at the Poisson layer and captures direct taxon-taxon interactions at the multivariate normal layer using an ℓ1 penalized precision matrix. We show in a synthetic experiment that our method handily outperforms state-of-the-art methods such as SparCC and the graphical lasso (glasso). In a real in planta perturbation experiment of a nine-member bacterial community, we show our model, but not SparCC or glasso, correctly resolves a direct interaction structure among three community members that associates with Arabidopsis thaliana roots. We conclude that our method provides a structured, accurate, and distributionally reasonable way of modeling correlated count-based random variables and capturing direct interactions among them.
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