复杂系统与网络的数学表示10 / 17
网络数据格式与数据来源
把网络交给软件、与他人共享或存档,需要约定文件格式。格式的选择决定了哪些信息(方向、权重、节点属性、多种边类型)能被保存下来。
常见文件格式
| 格式 | 结构 | 能保存的信息 | 常见用途 |
|---|---|---|---|
边列表(.txt/.tsv/.csv) |
每行 源 目标 [权重 …] |
边及其属性;孤立节点需另存 | 数据库下载、通用交换;NetworkX read_edgelist |
邻接表(.adjlist) |
每行 节点 邻居1 邻居2 … |
拓扑;属性有限 | 简单图的紧凑存储 |
邻接矩阵(.csv/.npy/.mat) |
数值矩阵 + 节点标签表 | 权重、方向、符号 | 脑连接组(每个被试一个矩阵)、小网络 |
| GML(Graph Modelling Language) | 层次化纯文本,graph [ node [ id 1 label "TP53" ] edge [ source 1 target 2 ] ] |
节点与边的任意属性、方向 | 早期网络分析软件的通用格式 |
| GraphML | 基于 XML,先用 <key> 声明属性及其类型 |
有类型的属性、有向/无向、嵌套图、超边 | Cytoscape、Gephi、yEd、igraph、NetworkX 之间交换 |
| GEXF | 基于 XML | 属性、动态(时间)网络 | Gephi |
Pajek(.net) |
*Vertices 与 *Edges/*Arcs
段 |
拓扑、权重、坐标 | 社会网络分析的经典格式 |
| SIF(Simple Interaction Format) | 每行 节点1 关系类型 节点2 … |
带类型的边 | Cytoscape 导入分子网络 |
| PSI-MI TAB(MITAB) | 固定列的制表符文本:两个分子的标识、检测方法、文献、物种、置信度等 | 实验证据与出处 | IntAct、BioGRID 等分子互作数据库 |
| SBML、BioPAX | 基于 XML 的生物学标准 | 反应、调控、通路的完整语义(化学计量、修饰) | 代谢与信号通路模型、Reactome 导出 |
几条实用经验:
- 纯边列表会丢掉孤立节点:没有任何边的节点在边列表中不出现。若孤立节点有意义(例如没有检测到相互作用的疾病基因),要另外保存节点表。
- 方向和权重要显式声明:同一个边列表文件,用
nx.read_edgelist读成Graph还是DiGraph,结果完全不同;重复出现的同一对节点在Graph中会被合并,只保留最后一个权重。 - 邻接矩阵要配节点标签表:矩阵本身不携带“第 行是哪个脑区”的信息,脑图谱版本或排序一旦不一致,所有比较都失去意义。
- 长期存档优先用开放、自描述的格式(GraphML、带表头的 TSV),避免只用某个软件的私有二进制格式。
这几种情况(孤立节点丢失、属性丢失、重复边被合并)在代码示例“网络文件格式”中都可以直接复现。
标识符与名称映射
生物网络的节点名称是数据质量的高发问题区。同一个基因可能有基因符号(如
TP53)、Entrez ID、Ensembl 基因 ID、UniProt 蛋白 ID
等多种标识,STRING 使用带物种前缀的 Ensembl 蛋白 ID(如
9606.ENSP…)。整合多个数据库时,ID
映射中的一对多、多对一和过时符号会悄悄地增删节点和边。电子表格软件还会把某些基因符号自动转换成日期或数字,Ziemann
等(2016,Genome
Biology)发现这类错误在已发表论文的补充材料中广泛存在。建议:全程使用稳定
ID(如 Ensembl 或
UniProt),在最后一步才映射为基因符号;报告映射工具与版本;用纯文本工具而非电子表格处理基因列表。
常见数据来源
| 网络类型 | 代表性公开来源 | 备注 |
|---|---|---|
| 蛋白质相互作用 | STRING、BioGRID、IntAct、HuRI | STRING 整合实验、共表达、文本挖掘等多种证据并给出 0–1000 的综合分数;HuRI 是系统性二元筛选得到的人类互作图谱(Luck 等,2020) |
| 转录调控 | TRRUST、ENCODE ChIP-seq 衍生网络 | 边有方向,部分有激活/抑制符号 |
| 代谢与通路 | KEGG、Reactome、BiGG | 通路数据常为 SBML/BioPAX 格式 |
| 疾病–基因 | OMIM、DisGeNET | 二分网络;证据等级差异大 |
| 药物–靶点 | DrugBank、DGIdb、ChEMBL | 许可条款不同,需注意再分发限制 |
| 连接组 | Human Connectome Project、OpenNeuro 衍生数据、线虫与果蝇连接组 | 宏观脑网络多为每被试一个矩阵 |
| 通用网络集合 | Netzschleuder、SNAP、Index of Complex Networks(ICON) | 适合方法测试与跨领域比较 |
更完整的生物医学数据清单与分析方向见网络分析流程与 NetworkX 实践。任何下载数据都应记录版本号、下载日期、过滤条件(如 STRING 的分数阈值、只保留物理相互作用),否则他人无法重建同一张网络(见研究问题、可复现分析与敏感性分析)。