DIABLO 核心原理整理
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多组学潜变量提取
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对每个组学数据 分别构建潜变量:
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这里的 是该组学的特征权重向量。
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类似于 对每个组学做 PLS,但不是独立,而是与其他组学潜变量同时优化。
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潜变量相关性最大化
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优化各组学潜变量 之间的相关性:
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目标:找到不同组学间共同变化的信号。
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潜变量与表型最大化
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同时优化潜变量与表型 的相关性:
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确保潜变量不仅反映组学间的协同,还与研究目标(如疾病状态)相关。
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特征选择(稀疏化)
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对每个 添加 Lasso/L1 惩罚,实现稀疏化:
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只保留对表型或组学间关联最重要的变量,提高可解释性。
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DIABLO 就是对多组学分别做 PLS 分解,同时优化组学间潜变量相关性和潜变量对表型的关联,再用 Lasso 筛选重要特征。
下面我会给出 DIABLO(Data Integration Analysis for Biomarker discovery using Latent cOmponents) 的 最完整、最清晰、最通俗 的原理解释。
DIABLO = 多组学版的 PLS-DA(sPLS-DA)+ 组学间相关性最大化。
即:
👉 同时找出能区分类别的主成分
👉 并使不同组学的主成分尽可能“对齐、相关、协同”
👉 同时做变量筛选(稀疏 sPLS)
简单说:
✔ 跨组学整合(horizontal multi-omics integration)
✔ 监督学习(分类)
✔ 变量选择(sparsity)
多组学项目中,你往往有:
- 基因表达(X₁)
- 蛋白组(X₂)
- 代谢组(X₃)
- 某个 疾病分类(Y)
问题:
❌ block-PLS 可以整合,但不能分类
❌ sPLS-DA 可分类,但不能整合多个组学
❌ O2PLS 能整合,但不能分类
DIABLO 的目标:
→ 同时做到分类 + 多组学整合 + 稀疏变量选择。
📦 DIABLO 的核心思想(非常重要)
1. 每个组学取一个潜在成分(latent component)
比如:
- 基因组学贡献 t₁¹
- 蛋白组贡献 t₁²
- 代谢组贡献 t₁³
每个成分都是:
(m 表示第 m 个组学)
2. 所有组学的主成分必须“对齐”
DIABLO 强制:
这意味着:
所有组学要找出共同的、跨组学一致的区分方向。
即:
- 基因表达
- 蛋白表达
- 代谢物浓度
都必须沿着 同一条“疾病分类方向” 变化。
3. 同时要最大化与类别(Y)的相关性
相当于多组学版本的:
→ 这就是 sPLS-DA 的本质。
4. 稀疏性:每个组学只选几个特征(特征选择)
通过 ℓ₁ 惩罚或 WPLS 的 keepX 机制:
- 每个组学可以选 5、10、20 个变量
- 得到跨组学 biomarker panel
🧲 DIABLO 的真正目标函数(最准确版本)
对于 M 个组学块:
其中:
- 第一项 = 分类能力(对 Y 解释最大)
- 第二项 = 组学间一致性(对齐程度)
- 是 “design matrix” 中的连接权重(通常设为 1)
🔥 DIABLO 的 3 大独特优势
(1) 多组学 latent space 是对齐的
所有组学都有:
这意味着:
- 如果蛋白和代谢表现一致,它们在 latent space 中靠近
- 如果不一致,DIABLO 会惩罚它们,迫使更一致的成分被找到
👉 这是 block-PLS 所没有的。
(2) 多组学协同分类
Y 同时由多个 X 来解释:
PLS-DA 只有一个输入矩阵,做不到。
(3) 稀疏选择多组学 marker panel
比如:
- 选 20 个基因
- 15 个蛋白
- 5 个代谢物
- → 得到一个多组学联合 biomarker signature
这是 mixOmics 的强项。
| 方法 | 分类 | 联组学 | 去噪/orthogonal | 稀疏 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|---|
| PLS-DA | ✔ | ✘ | ✘ | ✔ | 单组学分类 |
| block-PLS | ✘ | ✔ | ✘ | ✘ | 多组学关联 |
| O2PLS | ✘ | ✔ | ✔ | ✘ | 强噪声组学整合 |
| sPLS | ✘ | ✔(两个组学) | ✘ | ✔ | 两组学主要特征选择 |
| DIABLO | ✔ | ✔✔✔ | ✘ | ✔✔ | 👑 多组学整合 + 分类 |