Gerenciamento de Anotações de Biosseqüências utilizando Associação entre Ontologias e Esquemas XML
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- João Henrique Caires Anjos
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1 Gerenciamento de Anotações de Biosseqüências utilizando Associação entre Ontologias e Esquemas XML Mestrando: Marcus Vinícius Carneiro Teixeira Orientador: Prof. Dr. Mauro Biajiz Co-orientador: Prof. Dr. Ricardo Rodrigues Ciferri
2 Apresentação Introdução Anotação de Projetos Genoma Bancos de Dados de Genoma Ontologias e XML Ambientes de Anotação Ambiente BioFOX Módulo Administrador de Conhecimento Módulo Repositório de Dados Módulo Interface de Anotação Resultados e Conclusão 2
3 Introdução Motivação Projetos Genoma geram um grande volume de dados. Representação e armazenamento de dados biológicos. Integração semântica de dados. Ambiente de anotação Bio-TIM. 3
4 Introdução Objetivos Ambiente de anotação BioFOX: Modelo de dados semi-estruturado; Ontologias. Padronizar conceitos estabelecidos para o domínio; Agregar semântica aos esquemas de dados e aos dados; Criar bancos de dados flexíveis e apropriados para evolução de esquemas. 4
5 Introdução Propostas: Arquitetura para o Ambiente BioFOX; Modelo Conceito-Compartilhado; Interface para modelagem e geração de esquemas XML; Interface para anotação manual. 5
6 Apresentação Introdução Anotação de Projetos Genoma Bancos de Dados de Genoma Ontologias e XML Ambientes de Anotação Ambiente BioFOX Módulo Administrador de Conhecimento Módulo Repositório de Dados Módulo Interface de Anotação Resultados e Conclusão 6
7 Anotação de Projetos Genoma 7
8 Anotação de Projetos Genoma Níveis de anotação genômica: Fontes de dados em ambientes de anotação: Anotação importada; Anotação automática; Anotação manual. 8
9 Apresentação Introdução Anotação de Projetos Genoma Bancos de Dados de Genoma Ontologias e XML Ambientes de Anotação Ambiente BioFOX Módulo Administrador de Conhecimento Módulo Repositório de Dados Módulo Interface de Anotação Resultados e Conclusão 9
10 Bancos de Dados de Genoma Características: Aplicações de bioinformática armazenam seus dados em formatos não padronizados; Dados com estrutura irregular; Necessidade de flexibilidade para evolução de esquema. 10
11 Bancos de Dados de Genoma É necessário tratar vários pontos importantes: 1. O controle semântico dos dados; 2. A definição do modelo de dados mais adequado; 3. As necessidades de processamento; 4. Os meios de acesso e o problema de integração de bancos de dados biológicos. 11
12 Apresentação Introdução Anotação de Projetos Genoma Bancos de Dados de Genoma Ontologias e XML Ambientes de Anotação Ambiente BioFOX Módulo Administrador de Conhecimento Módulo Repositório de Dados Módulo Interface de Anotação Resultados e Conclusão 12
13 Ontologias 1. Controle semântico dos dados. O que são ontologias? Definição formal de conceitos pertinentes a um domínio, compartilhada por um grupo (Uschold e Gruninger, 1996). Para a bioinformática: importante meio de padronização do vocabulário; facilita a troca de informações; agiliza a produção de conhecimentos. Uschold, M. e M. Gruninger. Ontologies: Principles, Methods and Applications. Knowledge Engineering Review, v.11, n
14 Dados Semi-Estruturados e XML Dados semi-estruturados apresentam: representação estrutural heterogênea/irregular. estrutura evolucionária. 2. Modelo de dados adequado. Bancos de Dados XML Nativos usada na descrição de dados semi-estruturados. a estrutura de um documento XML é determinante para o desempenho de acesso aos dados. 14
15 Apresentação Introdução Anotação de Projetos Genoma Bancos de Dados de Genoma Ontologias e XML Ambientes de Anotação Ambiente BioFOX Módulo Administrador de Conhecimento Módulo Repositório de Dados Módulo Interface de Anotação Resultados e Conclusão 15
16 Ambientes de Anotação Ambientes de anotação Armazenamento de dados Tipos de anotação Integração de dados Vocabulário controlado Ontologia Apollo SGBD Relacional 1, 2, 3 - X - Ártemis Formatos EMBL, GenBank e GFF 1, 2, ASAP SGBD Relacional 1, 2, 3 X X - BASys SGBD Relacional 1, GO BioNotes SGBD Relacional Estendido 1, 2, 3 X X GO ERGO SGBD Relacional 1, 2, 3 X - ERGO GARSA SGBD Relacional 1, 2, 3 - X GO GenDB SGBD Relacional 1, 2, GO GeneQuiz SGBD Relacional 1, 2 X X - Genotator Flat files (ACE) Gopalacharyulu SGBDs Relacional e Semiestruturado 1, 2, 3 X - GO MiGenes SGBD Relacional 1, 2, 3 X - GO PEDANT SGBD Relacional 1, 2, 3 X Bio-TIM SGBD Relacional 1, 2, 3 X - -
17 Ambientes de Anotação Ambientes de anotação Armazenamento de dados Tipos de anotação Integração de dados Vocabulário controlado Ontologia Apollo SGBD Relacional 1, 2, 3 - X - Ártemis Formatos EMBL, GenBank e GFF 1, 2, ASAP SGBD Relacional 1, 2, 3 X X - BASys SGBD Relacional 1, GO BioNotes SGBD Relacional Estendido 1, 2, 3 X X GO ERGO SGBD Relacional 1, 2, 3 X - ERGO GARSA SGBD Relacional 1, 2, 3 - X GO GenDB SGBD Relacional 1, 2, GO GeneQuiz SGBD Relacional 1, 2 X X - Genotator Flat files (ACE) Gopalacharyulu SGBDs Relacional e Semiestruturado 1, 2, 3 X - GO MiGenes SGBD Relacional 1, 2, 3 X - GO PEDANT SGBD Relacional 1, 2, 3 X Bio-TIM SGBD Relacional 1, 2, 3 X - -
18 Ambientes de Anotação Ambientes de anotação Armazenamento de dados Tipos de anotação Integração de dados Vocabulário controlado Ontologia Apollo SGBD Relacional 1, 2, 3 - X - Ártemis Formatos EMBL, GenBank e GFF 1, 2, ASAP SGBD Relacional 1, 2, 3 X X - BASys SGBD Relacional 1, GO BioNotes SGBD Relacional Estendido 1, 2, 3 X X GO ERGO SGBD Relacional 1, 2, 3 X - ERGO GARSA SGBD Relacional 1, 2, 3 - X GO GenDB SGBD Relacional 1, 2, GO GeneQuiz SGBD Relacional 1, 2 X X - Genotator Flat files (ACE) Gopalacharyulu SGBDs Relacional e Semiestruturado 1, 2, 3 X - GO MiGenes SGBD Relacional 1, 2, 3 X - GO PEDANT SGBD Relacional 1, 2, 3 X Bio-TIM SGBD Relacional 1, 2, 3 X - -
19 Ambientes de Anotação Ambientes de anotação Armazenamento de dados Tipos de anotação Integração de dados Vocabulário controlado Ontologia Apollo SGBD Relacional 1, 2, 3 - X - Ártemis Formatos EMBL, GenBank e GFF 1, 2, ASAP SGBD Relacional 1, 2, 3 X X - BASys SGBD Relacional 1, GO BioNotes SGBD Relacional Estendido 1, 2, 3 X X GO ERGO SGBD Relacional 1, 2, 3 X - ERGO GARSA SGBD Relacional 1, 2, 3 - X GO GenDB SGBD Relacional 1, 2, GO GeneQuiz SGBD Relacional 1, 2 X X - Genotator Flat files (ACE) Gopalacharyulu SGBDs Relacional e Semiestruturado 1, 2, 3 X - GO MiGenes SGBD Relacional 1, 2, 3 X - GO PEDANT SGBD Relacional 1, 2, 3 X Bio-TIM SGBD Relacional 1, 2, 3 X - -
20 Ambientes de Anotação Ambientes de anotação Armazenamento de dados Tipos de anotação Integração de dados Vocabulário controlado Ontologia Apollo SGBD Relacional 1, 2, 3 - X - Ártemis Formatos EMBL, GenBank e GFF 1, 2, ASAP SGBD Relacional 1, 2, 3 X X - BASys SGBD Relacional 1, GO BioNotes SGBD Relacional Estendido 1, 2, 3 X X GO ERGO SGBD Relacional 1, 2, 3 X - ERGO GARSA SGBD Relacional 1, 2, 3 - X GO GenDB SGBD Relacional 1, 2, GO GeneQuiz SGBD Relacional 1, 2 X X - Genotator Flat files (ACE) Gopalacharyulu SGBDs Relacional e Semiestruturado 1, 2, 3 X - GO MiGenes SGBD Relacional 1, 2, 3 X - GO PEDANT SGBD Relacional 1, 2, 3 X Bio-TIM SGBD Relacional 1, 2, 3 X - -
21 Ambientes de Anotação Ambientes de anotação Armazenamento de dados Tipos de anotação Integração de dados Vocabulário controlado Ontologia Apollo SGBD Relacional 1, 2, 3 - X - Ártemis Formatos EMBL, GenBank e GFF 1, 2, ASAP SGBD Relacional 1, 2, 3 X X - BASys SGBD Relacional 1, GO BioNotes SGBD Relacional Estendido 1, 2, 3 X X GO ERGO SGBD Relacional 1, 2, 3 X - ERGO GARSA SGBD Relacional 1, 2, 3 - X GO GenDB SGBD Relacional 1, 2, GO GeneQuiz SGBD Relacional 1, 2 X X - Genotator Flat files (ACE) Gopalacharyulu SGBDs Relacional e Semiestruturado 1, 2, 3 X - GO MiGenes SGBD Relacional 1, 2, 3 X - GO PEDANT SGBD Relacional 1, 2, 3 X - - SGBD Semi-estruturado e DW 21 BioFOX 1, 2, 3 X X GO e SO Relacional
22 Apresentação Introdução Anotação de Projetos Genoma Bancos de Dados de Genoma Ontologias e XML Ambientes de Anotação Ambiente BioFOX Módulo Administrador de Conhecimento Módulo Repositório de Dados Módulo Interface de Anotação Resultados e Conclusão 22
23 Arquitetura: Ambiente BioFOX Módulo Ferramentas de Bioinformática (MFB) Módulo Repositório de Dados (MRD) Módulo Interface de Anotação (MIA) Módulo Administrador de Conhecimento (MAC) 23
24 Apresentação Introdução Anotação de Projetos Genoma Bancos de Dados de Genoma Ontologias e XML Ambientes de Anotação Ambiente BioFOX Módulo Administrador de Conhecimento Módulo Repositório de Dados Módulo Interface de Anotação Resultados e Conclusão 24
25 Administrador de Conhecimento (MAC) Onde as ontologias e o Namespace de Anotação são definidos. Ontologia de aplicação e Namespace representam o mesmo conjunto de dados. Deve conhecer e organizar todas os dados de anotação provenientes dos demais módulos 25
26 Apresentação Introdução Anotação de Projetos Genoma Bancos de Dados de Genoma Ontologias e XML Ambientes de Anotação Ambiente BioFOX Módulo Administrador de Conhecimento Módulo Repositório de Dados Módulo Interface de Anotação Resultados e Conclusão 26
27 Repositório de Dados (MRD) Estrutura para o armazenamento de anotações. SGBD XML nativo (Tamino XML Server) Esquemas flexíveis. Bancos de dados inter-operáveis. Desenvolvimento de uma interface para o projeto de banco de dados XML. Semântica associada aos esquemas de dados (conceito-compartilhado). 27
28 Conceito-Compartilhado 3. Necessidades de processamento. Esquemas diferentes! 4. Integração de dados. Mesma semântica! Projetos genoma de um mesmo domínio de pesquisa não necessariamente trabalham com o mesmo conjunto de anotações. 28
29 Ontologias Ontologia de aplicação: Associação; Agrupamento; Parte de. 29
30 Ontologias Ontologia de aplicação: Associação; Agrupamento; Parte de. <sequence> <annotation/> </sequence> <annotation> <sequence/> </annotation> 30
31 Ontologias Ontologia de aplicação: Associação; Agrupamento; Parte de. Sequence hq_start hq_end fasta biofox:grouping 31
32 Ontologias Ontologia de aplicação: Associação; Agrupamento; Parte de. 32
33 Repositório de Dados (MRD) Projetista de BD Interface XML Database Design Vocabulários de anotações genômicas Ontologia de Aplicação Orientações para o projeto de BD Domínios Específicos Ontologias de Biologia Molecular Aplicativos Namespace de Anotação Genômica 33
34 Repositório de Dados (MRD) Projetista de BD Interface XML Database Design Vocabulários de anotações genômicas Domínios Específicos Ontologia de Aplicação Ontologias de Biologia Molecular Orientações para o projeto de BD Esquemas propostos Aplicativos XML Schema XML XML Schema Schema Modelagem e propriedades físicas propostas Conjunto de esquemas definidos no BD XML BD XML Tamino XML Server Namespace de Anotação Genômica 34
35 Repositório de Dados (MRD) Projetista de BD Interface XML Database Design Vocabulários de anotações genômicas Domínios Específicos Ontologia de Aplicação Ontologias de Biologia Molecular Orientações para o projeto de BD Esquemas propostos Aplicativos XML Schema XML XML Schema Schema Modelagem e propriedades físicas propostas Conjunto de esquemas definidos no BD XML BD XML Tamino XML Server Namespace de Anotação Genômica 35
36 Apresentação Introdução Anotação de Projetos Genoma Ontologias Bancos de Dados de Genoma e XML Ambientes de Anotação Ambiente BioFOX Módulo Administrador de Conhecimento Módulo Repositório de Dados Módulo Interface de Anotação Resultados e Conclusão 36
37 Interface com Pesquisadores 37
38 Interfaces de Anotação Manual Como uma ontologia pode ajudar o pesquisador em sua anotação manual? Quais são as necessidades dos pesquisadores? Quais dificuldades com interfaces de programas convencionais? Que funcionalidades podem ser adicionadas? 38
39 Interfaces de Anotação Manual Funcionalidades implementadas: Auto-completar; Sinônimos; Exemplos; Definição de novos campos (em construção). 39
40 Apresentação Introdução Anotação de Projetos Genoma Ontologias Bancos de Dados de Genoma e XML Ambientes de Anotação Ambiente BioFOX Módulo Administrador de Conhecimento Módulo Repositório de Dados Módulo Interface de Anotação Resultados e Conclusão 40
41 Experiência dos Usuários Experiência dos Usuários 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 92,86% 92,86% 71,43% 42,86% Bioinformática BD BD XML Ontologia 41
42 Avaliação dos Usuários Avaliação dos Usuários 100% 90% 100,00% 85,71% 80% 70% 66,67% 60% 50% 40% 30% 50,00% 50,00% 33,33% 42,86% 42,86% 20% 10% 0% Muito Razoável Total Melhor Pouco Melhor Muito Útil Útil Total Contribui Criação de Esquemas Qualidade Utilidade Quesitos 42
43 Avaliação de Bioinformatas Avaliação dos Usuários 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 33,33% 44,44% 77,78% Muito Razoável Total Muito Importante 100,00% 100,00% 0,00% Importante Total Padronização e Compartilhamento Conceito-Compartilhado 43
44 Avaliação dos Usuários Aspectos positivos citados pelos usuários: Visualização gráfica dos elementos em uma interface intuitiva e de fácil usabilidade; Recomendação de termos e propriedades; Vocabulário comum entre o projetista do banco de dados e biólogos especialistas no domínio; Estabelecimento de regras do domínio, o que permite alertar para eventuais erros conceituais do projetista; 44
45 Avaliação dos Usuários Aspectos positivos citados pelos usuários: Diminuição da heterogeneidade semântica entre aplicações de mesmo domínio; Diminuição no tempo gasto para desenvolvimento do projeto de banco de dados e também para criação de esquemas XML; Diminuição da disparidade semântica do esquema, reduzindose o custo de futuros esforços de integração. 45
46 Contribuições Proposta de uma arquitetura para um ambiente de anotação; Desenvolvimento e implementação de uma interface para a modelagem conceitual de domínios complexos, como o de biologia molecular, e criação de esquemas de dados XML; Criação de esquemas de dados estruturalmente independentes, mas com semântica associada por meio de uma ontologia; Proposta do modelo de integração conceito-compartilhado, o qual explora as características de esquemas de dados XML associados a uma ontologia; 46
47 Contribuições Desenvolvimento de uma ontologia de aplicação contendo definições de conceitos e regras de domínio, com o objetivo de guiar e auxiliar a modelagem conceitual de dados; Desenvolvimento de um namespace de vocabulários XML para a anotação de projetos genoma. 47
48 Trabalhos Futuros Exploração da integração de dados a partir do modelo de conceitocompartilhado apresentado neste trabalho; Componentização da interface de anotação manual; Testes de desempenho de bancos de dados XML quando aplicados em um projeto genoma; Expansão dos vocabulários de domínios já definidos e a inclusão de novos domínios; 48
49 Trabalhos Futuros Aplicação da interface XML Database Design a diferentes domínios de conhecimento, além do domínio de biologia molecular; Melhoria da interface XML Database Design. 49
50 26 de Maio de 2008.
51 Anexos 51
52 26 de Maio de Defesa de Mestrado
53 Anotação de Projetos Genoma Anotação importada Coluna Coluna 2 Coluna 1 3 Tupla1 Tupla1 Tupla1 Tupla2 Tupla2 Tupla2 Anotação automática Anotação manual 53
54 XML Database Design 54
55 Apresentação Introdução Anotação de Projetos Genoma Ontologias Bancos de Dados de Genoma e XML Arquitetura Proposta Módulo Administrador de Conhecimento Módulo Repositório de Dados Interfaces para Anotação Manual Integração de Dados 55
56 Integração Física BD X Integração de dados. Integração Integração de dados. de dados. Integração Integração de dados. de dados. Integração Integração de dados. de dados. Integração Integração de dados. de dados. Integração Integração de dados. de dados. Integração Integração de dados. de dados. Integração Integração de dados. de dados. Integração Integração de dados. de dados. Integração Integração de dados. de dados. Integração de dados. Coluna 1 Coluna 2 Coluna 3 Coluna 1 Coluna 2 Coluna 3 Coluna 1 Coluna 2 Coluna 3 Tupla1 Tupla1 Tupla1 Tupla1 Tupla1 Tupla1 Tupla2 Tupla2 Tupla2 Tupla2 Tupla2 Tupla2 Coluna 1 Coluna 2 Coluna 3 Coluna 1 Coluna 2 Coluna 3 Coluna 1 Coluna 2 Coluna 3 Tupla1 Tupla1 Tupla1 Tupla1 Tupla1 Tupla1 Tupla2 Tupla2 Tupla2 Tupla2 Tupla2 Tupla2 BD N Conversores BD de Integração (Data Warehouse) 56
57 Integração por Mapeamento Integração de dados. Integração Integração de dados. de dados. Integração Integração de dados. de dados. Integração Integração de dados. de dados. Integração Integração de dados. de dados. Integração Integração de dados. de dados. Integração Integração de dados. de dados. Integração Integração de dados. de dados. Integração Integração de dados. de dados. Integração Integração de dados. de dados. Integração de dados. Coluna 1 Coluna 2 Coluna 3 Coluna 1 Coluna 2 Coluna 3 Coluna 1 Coluna 2 Coluna 3 Tupla1 Tupla1 Tupla1 Tupla1 Tupla1 Tupla1 Tupla2 Tupla2 Tupla2 Tupla2 Tupla2 Tupla2 BD X Mapa de Integração BD N Coluna 1 Coluna 2 Coluna 3 Coluna 1 Coluna 2 Coluna 3 Coluna 1 Coluna 2 Coluna 3 Tupla1 Tupla1 Tupla1 Tupla1 Tupla1 Tupla1 Tupla2 Tupla2 Tupla2 Tupla2 Tupla2 Tupla2 57
58 Muito Razoável Total Muito Razoável Total Muito Melhor Melhor Total Muito Melhor Melhor Total Pouco Melhor Muito Útil Útil Total Avaliação dos Usuários Avaliação dos Usuários 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Contribui Criação de Esquemas Facilita Proj. de BD Agilidade Qualidade Utilidade Questões 58
59 Muito Razoável Total Muito Razoável Total Muito Melhor Melhor Total Muito Melhor Melhor Total Pouco Melhor Muito Útil Útil Total Avaliação - BD XML Avaliação dos Usuários 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Contribui Criação de Esquemas Facilita Proj. de BD Agilidade Qualidade Utilidade Questões 59
60 Muito Razoável Total Muito Razoável Total Muito Melhor Melhor Total Muito Melhor Melhor Total Pouco Melhor Muito Útil Útil Total Muito Razoável Total Muito Importante Importante Total Avaliação de Bioinformatas Avaliação dos Usuários 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Contribui Criação de Esquemas Facilita Proj. de BD Agilidade Qualidade Utilidade Padronização e Conceito- Compartilham. Compartilhado Questões 60
61 Muito Razoável Total Muito Razoável Total Muito Melhor Melhor Total Muito Melhor Melhor Total Pouco Melhor Muito Útil Útil Total Avaliação Comparativa Avaliação dos Usuários 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Contribui Criação de Esquemas Facilita Proj. de BD Agilidade Qualidade Utilidade Questões Usuários Bioinformatas BD XML 61
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