Classification and clustering for network inférence from RNA-seq data
Classification et inférence de réseaux pour les données RNA-seq
Résumé
This thesis gathers methodologicals contributions to the statistical analysis of next-generation high-throughput transcriptome sequencing data (RNA-seq). RNA-seq data are discrete and the number of samples sequenced is usually small due to the cost of the technology. These two points are the main statistical challenges for modelling RNA-seq data.The first part of the thesis is dedicated to the co-expression analysis of RNA-seq data using model-based clustering. A natural model for discrete RNA-seq data is a Poisson mixture model. However, a Gaussian mixture model in conjunction with a simple transformation applied to the data is a reasonable alternative. We propose to compare the two alternatives using a data-driven criterion to select the model that best fits each dataset. In addition, we present a model selection criterion to take into account external gene annotations. This model selection criterion is not specific to RNA-seq data. It is useful in any co-expression analysis using model-based clustering designed to enrich functional annotation databases.The second part of the thesis is dedicated to network inference using graphical models. The aim of network inference is to detect relationships among genes based on their expression. We propose a network inference model based on a Poisson distribution taking into account the discrete nature and high inter sample variability of RNA-seq data. However, network inference methods require a large number of samples. For Gaussian graphical models, we propose a non-asymptotic approach to detect relevant subsets of genes based on a block-diagonale decomposition of the covariance matrix. This method is not specific to RNA-seq data and reduces the dimension of any network inference problem based on the Gaussian graphical model.
Cette thèse regroupe des contributions méthodologiques à l'analyse statistique des données issues des technologies de séquençage du transcriptome (RNA-seq). Les difficultés de modélisation des données de comptage RNA-seq sont liées à leur caractère discret et au faible nombre d'échantillons disponibles, limité par le coût financier du séquençage. Une première partie de travaux de cette thèse porte sur la classification à l'aide de modèle de mélange. L'objectif de la classification est la détection de modules de gènes co-exprimés. Un choix naturel de modélisation des données RNA-seq est un modèle de mélange de lois de Poisson. Mais des transformations simples des données permettent de se ramener à un modèle de mélange de lois gaussiennes. Nous proposons de comparer, pour chaque jeu de données RNA-seq, les différentes modélisations à l'aide d'un critère objectif permettant de sélectionner la modélisation la plus adaptée aux données. Par ailleurs, nous présentons un critère de sélection de modèle prenant en compte des informations biologiques externes sur les gènes. Ce critère facilite l'obtention de classes biologiquement interprétables. Il n'est pas spécifique aux données RNA-seq. Il est utile à toute analyse de co-expression à l'aide de modèles de mélange visant à enrichir les bases de données d'annotations fonctionnelles des gènes. Une seconde partie de travaux de cette thèse porte sur l'inférence de réseau à l'aide d'un modèle graphique. L'objectif de l'inférence de réseau est la détection des relations de dépendance entre les niveaux d'expression des gènes. Nous proposons un modèle d'inférence de réseau basé sur des lois de Poisson, prenant en compte le caractère discret et la grande variabilité inter-échantillons des données RNA-seq. Cependant, les méthodes d'inférence de réseau nécessitent un nombre d'échantillons élevé.Dans le cadre du modèle graphique gaussien, modèle concurrent au précédent, nous présentons une approche non-asymptotique pour sélectionner des sous-ensembles de gènes pertinents, en décomposant la matrice variance en blocs diagonaux. Cette méthode n'est pas spécifique aux données RNA-seq et permet de réduire la dimension de tout problème d'inférence de réseau basé sur le modèle graphique gaussien.
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