Enhanced Metagenomic Deep Learning for Disease Prediction and Reproducible Signature Identification by Restructured Microbiome 2D-Representations

基因组 微生物群 鉴定(生物学) 计算生物学 签名(拓扑) 人工智能 疾病 计算机科学 深度学习 机器学习 生物 数据科学 生物信息学 医学 遗传学 生态学 数学 内科学 基因 几何学
作者
Wan Xiang Shen,Shu Ran Liang,Yu Jiang,Yu Chen
出处
期刊:Social Science Research Network [RELX Group (Netherlands)]
标识
DOI:10.2139/ssrn.4129422
摘要

Metagenomic analysis has been explored for disease diagnosis and biomarker discovery. Low-sample sizes, high-dimensionality, and sparsity of metagenomic data challenge metagenomic investigations. Here, an unsupervised Microbial Embedding, Grouping, and Mapping Algorithm (MEGMA) was developed to transform metagenomic data into individualised multichannel microbiome 2D-representation by manifold learning and clustering of microbial profiles (e.g., composition, abundance, hierarchy, and taxonomy). These 2D-representations enable enhanced disease prediction by established deep ConvNet architectures, significantly outperforming the state-of-the-art machine learning and deep learning models in metagenomic benchmark datasets. These 2D-representations combined with ConvNet explainable module robustly identified more reliable and replicable signatures. In agreement with experimental findings, our method identified important microbes of five disease datasets (cirrhosis, obesity, type 2 diabetes, inflammatory bowel disease, and colorectal cancer (CRC). Employing MEGMA and ConvNet, we also discovered highly consistent sets of marker microbes in the cross-cohort CRC patients and microbial shifts in different CRC stages.Funding Information: We appreciate the financial supports from the National Key R&D Program of China, Synthetic Biology Research (2019YFA0905900), Shenzhen Municipal Government grants (No.2019156, JCYJ20170413113448742 and NO.201901), Department of Science and Technology of Guangdong Province (No. 2017B030314083), and Singapore Academic Funds R-148-000- 273-114 and NUS Research Scholarships. Declaration of Interests: The authors declare no competing interests.
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