Top Banner
Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2) , Peter Lorenz 2 , Felix Steinbeck 2 , Georg Füllen 2 , Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek za inteligentne sisteme, Institut Jožef Stefan 2 Univerza v Rostocku
75

Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

Dec 25, 2015

Download

Documents

Dortha Cross
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Page 1: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

Napovedovanje imunskega odzivaiz peptidnih mikromrež

Mitja Luštrek1 (2),Peter Lorenz2, Felix Steinbeck2, Georg Füllen2, Hans-Jürgen Thiesen2

1 Odsek za inteligentne sisteme, Institut Jožef Stefan2 Univerza v Rostocku

Page 2: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

1. Introduction2. Immune response prediction3. Interpretation

Page 3: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

1. Introduction2. Immune response prediction3. Interpretation

Page 4: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

Peptide

= part of protein = short sequence of amino acids

Image taken fromEMBL website

Page 5: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

Peptide

= part of protein = short sequence of amino acids

SNDIVLT

= string of letters from 20-letter alphabet(1 letter = 1 amino acid, 20 standard amino acids)

Image taken fromEMBL website

Page 6: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

Epitope

Antigen protein

Antibody binding

Antibody

Page 7: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

Epitope

Antibody binding

Antibody

EpitopeAntigen protein

Page 8: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

Epitope

Epitope

Peptide

Antigen protein

Page 9: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

Epitope

EpitopeAntigen protein

Page 10: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

Epitope

EpitopeAntigen protein

Antibody binding

Antibody

Page 11: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

Epitope

EpitopeAntigen protein

Antibody binding

Antibody

Page 12: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

Epitope

EpitopeAntigen protein

Antibody binding

Antibody

Page 13: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

Epitope

EpitopeAntigen protein

Page 14: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

Epitope

EpitopeAntigen protein

Page 15: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

Peptide arrays

Peptidearray Peptides

(15 amino acids)

Glass slide

Page 16: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

Peptide arrays

Peptidearray

IVIg antibody mixture

Peptides(15 amino acids)

Glass slide

Page 17: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

Peptide arrays

Peptidearray

IVIg antibody mixture

Red = epitopes (bind antibodies)Black = non-epitopes

Peptides(15 amino acids)

Glass slide

Page 18: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

Peptide arrays

Red = epitopes (bind antibodies)Black = non-epitopes

Peptide

Antibody

Antibody against

antibody + dye

Glass slide

Page 19: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

Peptide arrays

Red = epitopes (bind antibodies)Black = non-epitopes

Peptide Class

PGIGFPGPPGPKGDQ non-ep.

PNMVFIGGINCANGK non-ep.

DGIGGAMHKAMLMAQ non-ep.

REDNLTLDISKLKEQ non-ep.

TPLAGRGLAERASQQ non-ep.

DQVHPVDPYDLPPAG non-ep.

...

RRMISRMPIFYLMSG epitope

LPPGFKRFTCLSIPR epitope

EFSQMESYPEDYFPI epitope

...

Page 20: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

1. Introduction2. Immune response prediction3. Interpretation

Page 21: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

Our task

Peptide

RRKGGLEEPQPPAEQ

SEDLENALKAVINDK

EDHVKLVNEVTEFAK

GEKIIQEFLSKVKQM

ILVSRSLKMRGQAFV

YTCQCRAGYQSTLTR

...

Page 22: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

Our task

Peptide

RRKGGLEEPQPPAEQ

SEDLENALKAVINDK

EDHVKLVNEVTEFAK

GEKIIQEFLSKVKQM

ILVSRSLKMRGQAFV

YTCQCRAGYQSTLTR

...

Peptide Class

RRKGGLEEPQPPAEQ non-ep.

SEDLENALKAVINDK non-ep.

EDHVKLVNEVTEFAK non-ep.

GEKIIQEFLSKVKQM non-ep.

ILVSRSLKMRGQAFV epitope

YTCQCRAGYQSTLTR epitope

...

Machine learning

Page 23: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

Our task

Peptide

RRKGGLEEPQPPAEQ

SEDLENALKAVINDK

EDHVKLVNEVTEFAK

GEKIIQEFLSKVKQM

ILVSRSLKMRGQAFV

YTCQCRAGYQSTLTR

...

Peptide Class

RRKGGLEEPQPPAEQ non-ep.

SEDLENALKAVINDK non-ep.

EDHVKLVNEVTEFAK non-ep.

GEKIIQEFLSKVKQM non-ep.

ILVSRSLKMRGQAFV epitope

YTCQCRAGYQSTLTR epitope

...

Machine learning

Training set: 13,638 peptides (3,420 epitopes)Test set: 13,640 peptides (3,421 epitopes)

Balanced until the final testing

Page 24: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

Machine learningPeptide Class

PGIGFPGPPGPKGDQ non-ep. / epitope

Page 25: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

Machine learningPeptide Class

PGIGFPGPPGPKGDQ non-ep. / epitope

Attribute 1 Attribute 2 ... Class

value 1 value 2 non-ep. / epitopeAttribute

representation

Page 26: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

Machine learningPeptide Class

PGIGFPGPPGPKGDQ non-ep. / epitope

Attribute 1 Attribute 2 ... Class

value 1 value 2 non-ep. / epitope

ML

Attribute representation

Classifier

Proability for epitope p

Page 27: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

Machine learningPeptide Class

PGIGFPGPPGPKGDQ non-ep. / epitope

Attribute 1 Attribute 2 ... Class

value 1 value 2 non-ep. / epitope

ML

Attribute representation

Classifier

Proability for epitope p

Page 28: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

Machine learningPeptide Class

PGIGFPGPPGPKGDQ non-ep. / epitope

Attribute representation 1

Attribute representation 8

Classifier 1 Classifier 8...

...

ML

ML

Page 29: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

Machine learningPeptide Class

PGIGFPGPPGPKGDQ non-ep. / epitope

Attribute representation 1

Attribute representation 8

Classifier 1 Classifier 8...

...

Probabilities for epitope Class

p1 p2 p3 p4 p5 p6 p7 p8 non-ep. / epitope

ML

ML

Meta classifierML

Final proability for epitope p

Page 30: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

Machine learningPeptide Class

PGIGFPGPPGPKGDQ non-ep. / epitope

Attribute representation 1

Attribute representation 8

Classifier 1 Classifier 8...

...

Probabilities for epitope Class

p1 p2 p3 p4 p5 p6 p7 p8 non-ep. / epitope

ML

ML

Meta classifierML

Final proability for epitope p

SVM (SMO), Logistic

regression

Linear regression

Page 31: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

Attribute representation 1

RRMISRMPIFYLMSG

Count of A C D E F G H I K L M N P Q R S T V W Y

1 1 2 1 3 1 3 2 1

Amino-acid counts

Page 32: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

Attribute representation 2

RRMISRMPIFYLMSG

Amino-acid count differences

Difference in counts of F–G F–I F–L F–M F–P F–R F–S F–Y G–F G–I ...

0 –1 0 –2 0 –2 –1 0 0 –1

Page 33: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

Attribute representation 3

Count of RR RM MI ... RRM RMI MIS ... ACDE ... ACDEF ...

1 2 1 1 1 1 0 0

RRMISRMPIFYLMSG

Subsequence counts

Page 34: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

Attribute representation 4

Amino-acid class counts

Count of tiny small large basic acidic neutral ...

3 1 11 3 0 12

l l l l t l l s l l l l l t t

RRMISRMPIFYLMSG

b b n n n b n n n n n n n n n

Page 35: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

Attribute representation 5

Amino-acid class subsequence counts

l l l l t l l s l l l l l t t

RRMISRMPIFYLMSG

b b n n n b n n n n n n n n n

Count of ll lt tl ls sl tt ... bb bn nb nn ...

8 2 1 1 1 1 1 2 1 10

Page 36: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

Attribute representation 6

Amino-acid pair countsRationale: antibodies may bind in two places due to their two-chain structure.

Antibody

Peptide

Page 37: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

Attribute representation 6

RRMISRMPIFYLMSG

Amino-acid pair countsRationale: antibodies may bind in two places due to their two-chain structure.

Count of pairs at distance (R,R) at 1 (R,M) at 2 (R,I) at 3 ... (A,C) at 1 (A,C) at 2 ...

1 1 2 0 0

1 2 3 3 Antibody

Peptide

Page 38: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

Attribute representation 7

Amino-acids at distances from first + first amino acidRationale: antibodies may bind in two places, first amino acid most accesible on the peptide array.

Antibody

Peptide

Page 39: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

Attribute representation 7

R RMISRMPIFYLMSG

Amino-acids at distances from first + first amino acidRationale: antibodies may bind in two places, first amino acid most accesible on the peptide array.

Count of at distance ... R at 1 ... M at 2 ... A at 3 C at 3 ... First

1 1 0 0 R

Antibody

Peptide

Page 40: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

Attribute representation 8

RRMISRMPIFYLMSG

Average amino-acid properties

Hydrophobicity Size Polarity Flexibility Accesibility ...

0.448 0.596 0.306 0.231 0.376

Page 41: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

Attribute representation 9 (not used)

RRMISRMPIFYLMSG

Amino-acid counts with a difference

RRMISRMPIWYLMSG

Equivalent for epitope prediction?

Page 42: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

Attribute representation 9 (not used)

RRMISRMPIFYLMSG

Amino-acid counts with a difference

RRMISRMPIWYLMSG

Equivalent for epitope prediction?

Count F as:• 1 F• 0.8 W• 0.4 Y• ...

Count W as:• 1 W• 0.7 F • 0.3 Y• ...

Page 43: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

Attribute representation 9 (not used)

Amino-acid substitution matrix

A C D ... F W YA 1C 1D 1...F 1 0.8 0.4W 0.7 1 0.3Y 1

Page 44: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

Attribute representation 9 (not used)

Amino-acid substitution matrix

A C D ... F W YA 1C 1D 1...F 1 0.8 0.4W 0.7 1 0.3Y 1

Optimizewith a genetic algorithm to maximize classification accuracy

Page 45: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

Results – training set

Attribute representation AUC AccuracyAmino-acid counts 0.870 80.7 %Amino-acid count differences 0.868 80.3 %Subsequence counts 0.867 80.5 %Amino-acid class counts 0.873 81.2 %Amino-acid class subsequence counts 0.866 80.5 %Amino-acid pair counts 0.865 80.6 %Amino acids at distances from the first 0.873 81.2 %Average amino-acid properties 0.863 80.3 %

Page 46: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

Results – training set

Attribute representation AUC AccuracyAmino-acid counts 0.870 80.7 %Amino-acid count differences 0.868 80.3 %Subsequence counts 0.867 80.5 %Amino-acid class counts 0.873 81.2 %Amino-acid class subsequence counts 0.866 80.5 %Amino-acid pair counts 0.865 80.6 %Amino acids at distances from the first 0.873 81.2 %Average amino-acid properties 0.863 80.3 %Combined 0.881 83.3 %

Page 47: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

Results – test set

Attribute representation / dataset AUC AccuracyBest single / training set 0.873 81.2 %Combined / training set 0.881 83.3 %Combined / test set 0.883 83.7 %

Page 48: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

Results – test set

Attribute representation / dataset AUC AccuracyBest single / training set (balanced) 0.873 81.2 %Combined / training set (balanced) 0.881 83.3 %Combined / test set (balanced) 0.883 83.7 %Combined / test set (original) 0.884 85.9 %

Epitope : non-epitope = 1 : 1

Epitope : non-epitope = 1 : 3

Page 49: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

Results – test set

Attribute representation / dataset AUC AccuracyBest single / training set (balanced) 0.873 81.2 %Combined / training set (balanced) 0.881 83.3 %Combined / test set (balanced) 0.883 83.7 %Combined / test set (original) 0.884 85.9 %EL-Manzalawy / test set (balanced) 0.868 82.0 %EL-Manzalawy / test set (original) 0.874 83.9 %

State of the art:SVM + string kernel(EL-Manzalawy et al., 2008)Trained and tested on our data.

Page 50: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

Results – test set

Our resultsBalanced: 0.883 / 83.7 % Original: 0.884 / 85.9 %

EL-ManzalawyBalanced: 0.868 / 82.0 % Original: 0.874 / 83.9 %

Page 51: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

1. Introduction2. Immune response prediction3. Interpretation

Page 52: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

Rules

Interpretable classifier:• Interpretable attributes

(frequencies, properties of amino acids)• RIPPER (JRip) to induce rules

Page 53: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

Rules

Property Low/high Applies to peptidesAromaticity High 53.8 %

If a peptide has a high aromaticity, it binds antibodies.This applies to 53.8 % of peptides that bind antibodies.

(Aromaticity is the percentage of aromatic amino acids in the peptide.)

Interpretable classifier:• Interpretable attributes

(frequencies, properties of amino acids)• RIPPER (JRip) to induce rules

Page 54: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

Rules

Property Low/high Applies to peptidesAromaticity High 53.8 %Polarity Low 27.7 %Frequency of tyrosine High 26.2 %Hydrophobicity Low 22.5 %Frequency of arginine High 19.7 %Summary factor 2 High 16.7 %Acidity Low 11.4 %Preference for -sheets Low 4.3 %Summary factor 5 High 3.0 %

Page 55: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

Epitope propensity

Frequency in peptides with epitopes,divided by frequency in peptides without epitopes

Page 56: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

Epitope propensity

Aromatic

Page 57: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

Epitope propensity

Non-polar

Page 58: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

Epitope propensity

Tyrosine

Page 59: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

(Un)classifiable peptides

Simplified classifier:• Interpretable attributes

(frequencies, properties of amino acids)• Logistic regression to train the classifier

Peptides AUC AccuracyAll 0.860 83.0 %

Page 60: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

(Un)classifiable peptides

Simplified classifier:• Interpretable attributes

(frequencies, properties of amino acids)• Logistic regression to train the classifier

Peptides AUC AccuracyAll 0.860 83.0 %ClassifiableUnclassifiable

Classified correctly

Classified incorrectly

Page 61: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

(Un)classifiable peptides

Simplified classifier:• Interpretable attributes

(frequencies, properties of amino acids)• Logistic regression to train the classifier

Peptides AUC AccuracyAll 0.860 83.0 %Classifiable 0.999 98.8 %Unclassifiable 0.956 91.5 %

Expected

Strange?

Page 62: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

(Un)classifiable – rules

AttributeClassifiable Unclassifiable

L/h Applies L/h AppliesAromaticity High 74.3 % Low 53.3 %Polarity Low 58.7 % High 27.5 %Frequency of arginine High 31.5 % Low 34.0 %Frequency of tyrosine High 20.7 % Low 16.9 %Summary factor 5 High 15.1 % Low 15.2 %Antigenicity High 7.3 % Low 8.7 %Hydrophobicity Low 4.7 % High 6.5 %Frequency of histidine Low 3.9 %Frequency of cysteine Low 10.4 %Preference for reverse turns High 10.4 %Occurrence in turns Low 10.4 %Frequency of alanine High 8.7 %

Page 63: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

(Un)classifiable – rules

AttributeClassifiable Unclassifiable

L/h Applies L/h AppliesAromaticity High 74.3 % Low 53.3 %Polarity Low 58.7 % High 27.5 %Frequency of arginine High 31.5 % Low 34.0 %Frequency of tyrosine High 20.7 % Low 16.9 %Summary factor 5 High 15.1 % Low 15.2 %Antigenicity High 7.3 % Low 8.7 %Hydrophobicity Low 4.7 % High 6.5 %Frequency of histidine Low 3.9 %Frequency of cysteine Low 10.4 %Preference for reverse turns High 10.4 %Occurrence in turns Low 10.4 %Frequency of alanine High 8.7 %

All: 53.8 %

All: 27.7 %

Page 64: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

(Un)classifiable – epitope propensity

Page 65: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

(Un)classifiable peptides

Simplified classifier:• Interpretable attributes

(frequencies, properties of amino acids)• Logistic regression to train the classifier

Peptides AUC AccuracyAll 0.860 83.0 %Classifiable 0.999 98.8 %Unclassifiable 0.956 91.5 %

Strange? Not really!Inevitable or does it mean something?

Page 66: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

2nd degree (un)classifiable peptides

• Unclassifiable peptides only• Simplified classifier

Peptides AUC AccuracyAll unclassifiable 0.956 91.5 %

Page 67: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

2nd degree (un)classifiable peptides

• Unclassifiable peptides only• Simplified classifier

Peptides AUC AccuracyAll unclassifiable 0.956 91.5 %Classifiable unclassifiableUnclassifiable unclassifiable

Classified correctly

Classified incorrectly

Page 68: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

2nd degree (un)classifiable peptides

• Unclassifiable peptides only• Simplified classifier

Peptides AUC AccuracyAll unclassifiable 0.956 91.5 %Classifiable unclassifiable 0.992 97.8 %Unclassifiable unclassifiable 0.683 65.0 %

Page 69: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

2nd degree (un)classifiable peptidesPeptides AUC AccuracyAll unclassifiable 0.956 91.5 %Classifiable unclassifiable 0.992 97.8 %Unclassifiable unclassifiable 0.683 65.0 %

(Un)classifiable peptidesPeptides AUC AccuracyAll 0.860 83.0 %Classifiable 0.999 98.8 %Unclassifiable 0.956 91.5 %

Inevitable or does it mean something?

Not inevitable!

Page 70: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

2nd degree (un)cl. – epitope propensity

Page 71: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

Conclusions

• Epitopes have common characteristics

Page 72: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

Conclusions

• Epitopes have common characteristics– Epitopes are parts of antigens that bind antibodies

Our peptides mostly did not come from known antigens

Probably partly general and partly antibody-specific binding

Page 73: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

Conclusions

• Epitopes have common characteristics– Epitopes are parts of antigens that bind antibodies

• Epitope characteristics are not unexpected

Our peptides mostly did not come from known antigens

Probably partly general and partly antibody-specific binding

Page 74: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

Conclusions

• Epitopes have common characteristics– Epitopes are parts of antigens that bind antibodies

• Epitope characteristics are not unexpected

• Two groups of epitopes:– around 80 % “typical” (classifiable)– around 20 % “atypical” (unclassifiable)

Our peptides mostly did not come from known antigens

Probably partly general and partly antibody-specific binding

Page 75: Napovedovanje imunskega odziva iz peptidnih mikromrež Mitja Luštrek 1 (2), Peter Lorenz 2, Felix Steinbeck 2, Georg Füllen 2, Hans-Jürgen Thiesen 2 1 Odsek.

Conclusions

• Epitopes have common characteristics– Epitopes are parts of antigens that bind antibodies

• Epitope characteristics are not unexpected

• Two groups of epitopes:– around 80 % “typical” (classifiable)– around 20 % “atypical” (unclassifiable)

Our peptides mostly did not come from known antigens

Probably partly general and partly antibody-specific binding

Mostly general-purpose antibodies?

Mostly antigen-specific antibodies?