By creating networks of biochemical pathways, communities of micro-organisms are able to modulate the properties of their environment and even the metabolic processes within their hosts. Next-generation high-throughput sequencing has led to a new frontier in microbial ecology, promising the ability to leverage the microbiome to make crucial advancements in the environmental and biomedical sciences. However, this is challenging, as genomic data are high-dimensional, sparse, and noisy. Much of this noise reflects the exact conditions under which sequencing took place, and is so significant that it limits consensus-based validation of study results. We propose an ensemble approach for cross-study exploratory analyses of microbial abundance data in which we first estimate the variance-covariance matrix of the underlying abundances from each dataset on the log scale assuming Poisson sampling, and subsequently model these covariances jointly so as to find a shared low-dimensional subspace of the feature space. By viewing the projection of the latent true abundances onto this common structure, the variation is pared down to that which is shared among all datasets, and is likely to reflect more generalizable biological signal than can be inferred from individual datasets. We investigate several ways of achieving this, and demonstrate that they work well on simulated and real metagenomic data in terms of signal retention and interpretability.


翻译:通过创建生化途径网络,微生物群体能够调节它们的环境属性和甚至宿主内的代谢过程。下一代高通量测序已经开辟了微生态学的新领域,有望利用微生物组在环境和生物医学科学中取得重要进展。然而,由于基因组数据是高维、稀疏和噪声化的,因此实现这一目标存在困难。其中大部分噪声来源于测序时的确切条件,是如此显著,以至于它限制了基于共识的研究结果验证。本文提出了一种交叉研究探索微生物丰度数据的集成方法,其中我们首先假设基于泊松采样的对数比例数据的底层丰度的方差-协方差矩阵是每个数据集的共同特征。然后,在联合建模协方差结构的同时,寻找特征空间的共同底维子空间。通过查看真实丰度在共同结构上的投影,将变异缩减到在所有数据集中共享的变异,从而可能反映出比从单个数据集中推断出的更具一般化生物信号。我们研究了几种实现此目标的方法,并证明它们在模拟和真实的代谢组数据方面表现良好,具有信号保留和可解释性。

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