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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

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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) N×NN\times N 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 ii 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)。