基于SpringBoot+Vue的基因调控网络推断系统

效果图

项目概述

面向多组学数据的基因调控网络构建与优化研究平台，提供从多源生物数据推断基因调控网络的完整解决方案。系统将基因调控网络的推断问题视为图的链路预测任务，通过收集大量多组学数据构建每个基因的多模态表示，提升模型的表现力和准确度。

技术栈

后端技术栈

Java 8 - 核心开发语言
Spring Boot 2.7.18 - Web应用框架
Spring Data JPA - 数据持久化框架
MySQL 8.0 - 关系型数据库
Hibernate - ORM框架
Maven - 项目构建工具
JGraphT 1.3.0 - 图算法库

前端技术栈

Vue 3 - 前端框架
Element Plus - UI组件库
ECharts - 数据可视化库
Vite - 构建工具
Axios - HTTP客户端

项目结构

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grn-inference-system/
├── grn-inference-backend/          # 后端项目
│   ├── src/
│   │   └── main/
│   │       ├── java/com/grn/
│   │       │   ├── controller/       # 控制器层
│   │       │   ├── service/          # 服务层
│   │       │   ├── repository/       # 数据访问层
│   │       │   ├── entity/          # 实体类
│   │       │   └── dto/             # 数据传输对象
│   │       └── resources/
│   │           ├── application.yml  # 配置文件
│   │           ├── init.sql        # 数据库初始化脚本
│   │           └── sample_data.sql # 示例数据
│   └── pom.xml                    # Maven配置文件
├── grn-inference-frontend/         # 前端项目
│   ├── src/
│   │   ├── api/               # API接口封装
│   │   ├── router/             # 路由配置
│   │   ├── views/              # 页面组件
│   │   ├── App.vue             # 根组件
│   │   └── main.js             # 入口文件
│   ├── index.html
│   ├── package.json
│   └── vite.config.js
├── docs/                         # 文档目录
├── scripts/                       # 脚本目录
└── README.md

后端说明

技术架构

系统采用分层架构设计：

Controller层 - 处理HTTP请求，提供RESTful API
Service层 - 实现业务逻辑，包括数据处理、多模态嵌入、链路预测
Repository层 - 数据访问，使用Spring Data JPA
Entity层 - 数据库实体映射

核心功能

1. 多模态嵌入服务 (MultiModalEmbeddingService)

整合RNA-seq、ATAC-seq、ChIP-seq等多组学数据
构建基因的多模态表示向量
支持concatenation、attention、gating等融合策略

2. 链路预测服务 (LinkPredictionService)

基于图神经网络进行链路预测
计算基因之间的调控关系权重和置信度
支持多种图算法和参数配置

3. 数据处理服务 (DataProcessingService)

解析和预处理上传的组学数据文件
支持CSV格式的数据导入
数据验证和清洗

API接口

基因网络相关接口

获取所有基因

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GET /api/network/genes
Response: {
  "success": true,
  "message": "操作成功",
  "data": [
    {
      "id": 1,
      "geneId": "ENSG00000139618",
      "geneName": "BRCA1 DNA repair associated",
      "geneSymbol": "BRCA1",
      "description": "Breast cancer type 1 susceptibility protein"
    }
  ]
}

获取单个基因详情

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GET /api/network/genes/{id}
Response: {
  "success": true,
  "message": "操作成功",
  "data": {
    "id": 1,
    "geneId": "ENSG00000139618",
    "geneName": "BRCA1 DNA repair associated",
    "geneSymbol": "BRCA1",
    "description": "Breast cancer type 1 susceptibility protein"
  }
}

获取所有调控边

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GET /api/network/edges
Response: {
  "success": true,
  "message": "操作成功",
  "data": [
    {
      "source": "ENSG00000139618",
      "target": "ENSG00000141510",
      "weight": 0.75,
      "confidence": 0.85
    }
  ]
}

按置信度筛选边

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GET /api/network/edges/confidence/{threshold}
Response: {
  "success": true,
  "message": "操作成功",
  "data": [...]
}

获取网络统计信息

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GET /api/network/stats
Response: {
  "success": true,
  "message": "操作成功",
  "data": {
    "geneCount": 50,
    "edgeCount": 200,
    "networkDensity": 0.1633
  }
}

获取网络图数据

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GET /api/network/graph
Response: {
  "success": true,
  "message": "操作成功",
  "data": {
    "nodes": [...],
    "links": [...]
  }
}

数据分析相关接口

上传数据文件

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POST /api/analysis/upload
Content-Type: multipart/form-data
Parameters:
  - file: 数据文件
  - dataType: 数据类型 (RNA_SEQ, ATAC_SEQ, CHIP_SEQ)
Response: {
  "success": true,
  "message": "文件上传成功",
  "data": {
    "fileId": "uuid",
    "fileName": "data.csv"
  }
}

运行分析任务

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POST /api/analysis/run
Content-Type: application/json
Request Body: {
  "taskName": "分析任务名称",
  "threshold": 0.5,
  "fusionStrategy": "concat"
}
Response: {
  "success": true,
  "message": "分析任务已创建",
  "data": {
    "taskId": 1,
    "status": "PENDING"
  }
}

获取所有分析任务

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GET /api/analysis/tasks
Response: {
  "success": true,
  "message": "操作成功",
  "data": [
    {
      "id": 1,
      "taskName": "分析任务1",
      "status": "COMPLETED",
      "createdAt": "2026-03-07T00:00:00",
      "startTime": "2026-03-07T00:00:05",
      "endTime": "2026-03-07T00:00:30",
      "parameters": "{\"threshold\":0.5,\"fusionStrategy\":\"concat\"}",
      "result": "{\"embeddingCount\":50,\"predictionCount\":200}"
    }
  ]
}

获取单个任务详情

复制代码

GET /api/analysis/tasks/{id}
Response: {
  "success": true,
  "message": "操作成功",
  "data": {...}
}

系统相关接口

健康检查

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GET /health
Response: {
  "status": "UP",
  "timestamp": "2026-03-07T00:00:00"
}

系统信息

复制代码

GET /
Response: {
  "system": "基因调控网络推断系统",
  "version": "1.0.0",
  "description": "面向多组学数据的基因调控网络构建与优化研究平台"
}

数据库配置

MySQL数据库配置

在 application.yml 中配置数据库连接：

yaml 复制代码

spring:
  datasource:
    url: jdbc:mysql://localhost:3306/grndb?useSSL=false&serverTimezone=Asia/Shanghai&allowPublicKeyRetrieval=true&characterEncoding=utf8
    driver-class-name: com.mysql.cj.jdbc.Driver
    username: root
    password: root

数据库初始化

创建数据库：

sql 复制代码

CREATE DATABASE grndb CHARACTER SET utf8mb4 COLLATE utf8mb4_unicode_ci;

执行初始化脚本：

bash 复制代码

mysql -uroot -proot grndb < grn-inference-backend/src/main/resources/init.sql

导入示例数据（可选）：

bash 复制代码

mysql -uroot -proot grndb < grn-inference-backend/src/main/resources/sample_data.sql

运行方式

环境要求

JDK 8+
Maven 3.6+
MySQL 8.0+

启动步骤

克隆或下载项目

bash 复制代码

cd grn-inference-backend

配置数据库

编辑 src/main/resources/application.yml，修改数据库连接信息
编译项目

bash 复制代码

mvn clean install

启动应用

bash 复制代码

mvn spring-boot:run

或直接运行编译后的jar包：

bash 复制代码

java -jar target/grn-inference-1.0.0.jar

验证启动
访问 http://localhost:8080/health，返回 {"status":"UP"} 表示启动成功

访问地址

后端API: http://localhost:8080
API文档: http://localhost:8080/swagger-ui.html (如果配置了Swagger)

前端说明

技术架构

采用Vue 3组合式API，使用Element Plus作为UI组件库：

路由管理 - Vue Router实现单页应用
状态管理 - Vue 3 Composition API
HTTP请求 - Axios封装API调用
数据可视化 - ECharts实现网络图展示

核心功能

1. 首页 (Home.vue)

系统介绍和功能展示
网络统计信息展示
数据类型说明
工作流程展示

2. 数据分析 (Analysis.vue)

多组学数据上传（RNA-seq、ATAC-seq、ChIP-seq）
分析参数配置
实时分析进度显示
分析结果展示

3. 网络可视化 (Network.vue)

基因调控网络交互式可视化
支持缩放、拖拽、筛选
置信度阈值调整
调控关系列表展示
网络统计信息
全屏和图片下载功能

4. 结果查看 (Results.vue)

分析任务列表展示
任务状态筛选
任务详情查看
任务删除功能

页面说明

首页

展示系统整体功能介绍
显示基因数量、边数量、网络密度等统计信息
支持RNA-seq、ATAC-seq、ChIP-seq三种数据类型
展示完整的工作流程

数据分析页面

三个数据上传区域：RNA-seq、ATAC-seq、ChIP-seq
支持拖拽上传和点击上传
分析参数配置：置信度阈值、融合策略
实时显示分析进度
分析结果统计：嵌入向量数量、预测关系数量、高置信度边数量
Hub基因列表展示

网络可视化页面

左侧控制面板：
- 置信度阈值滑块
- 布局类型选择（力导向、圆形）
- 标签显示开关
- 缩放控制按钮
- 全屏切换按钮
- 图片下载按钮
中间网络图区域：
- 交互式基因调控网络图
- 支持鼠标悬停查看详情
- 支持节点拖拽
- 支持缩放和平移
- 全屏模式
右侧统计面板：
- 节点数量
- 边数量
- 网络密度
底部调控关系列表：
- 分页展示
- 显示源基因、靶基因、权重、置信度
- 支持查看详情

结果查看页面

任务列表表格展示
支持按任务名称搜索
支持按状态筛选
分页功能
任务详情对话框
任务删除功能

运行方式

环境要求

Node.js 16+
npm 8+

启动步骤

安装依赖

bash 复制代码

cd grn-inference-frontend
npm install

配置API地址
编辑 src/api/index.js，确认baseURL配置：

javascript 复制代码

const api = axios.create({
  baseURL: '/api',
  timeout: 30000,
  headers: {
    'Content-Type': 'application/json'
  }
})

启动开发服务器

bash 复制代码

npm run dev

访问应用
打开浏览器访问：http://localhost:3000

构建生产版本

bash 复制代码

npm run build

构建产物在 dist/ 目录，可以部署到任何静态服务器。

部署说明

开发环境部署

1. 启动后端

bash 复制代码

cd grn-inference-backend
mvn spring-boot:run

2. 启动前端

bash 复制代码

cd grn-inference-frontend
npm run dev

3. 访问系统

打开浏览器访问：http://localhost:3000

生产环境部署

1. 后端部署

打包应用

bash 复制代码

cd grn-inference-backend
mvn clean package

运行jar包

bash 复制代码

java -jar target/grn-inference-1.0.0.jar

配置JVM参数（可选）

bash 复制代码

java -Xms512m -Xmx1024m -jar target/grn-inference-1.0.0.jar

2. 前端部署

构建生产版本

bash 复制代码

cd grn-inference-frontend
npm run build

部署到Nginx

nginx 复制代码

server {
    listen 80;
    server_name your-domain.com;

    location / {
        root /path/to/grn-inference-frontend/dist;
        try_files $uri $uri/ /index.html;
    }

    location /api {
        proxy_pass http://localhost:8080;
        proxy_set_header Host $host;
        proxy_set_header X-Real-IP $remote_addr;
    }
}

常见问题

1. 后端启动失败

问题 : 端口8080被占用
解决 : 修改 application.yml 中的端口号

yaml 复制代码

server:
  port: 8081

问题 : 数据库连接失败
解决: 检查MySQL服务是否启动，用户名密码是否正确

2. 前端启动失败

问题 : 端口3000被占用
解决 : 修改 vite.config.js 中的端口号

javascript 复制代码

export default defineConfig({
  plugins: [vue()],
  server: {
    port: 3001
  }
})

问题 : API请求失败
解决: 确认后端服务已启动，检查代理配置

3. 数据获取问题

问题 : 无法获取网络数据
解决:

检查数据库是否有数据
执行示例数据导入脚本
查看后端日志确认是否有错误

4. 可视化问题

问题 : 网络图不显示
解决:

检查浏览器控制台是否有错误
确认ECharts版本兼容性
检查数据格式是否正确

数据获取

系统提供了多组学数据获取脚本，支持从以下数据库下载数据：

支持的数据库

ENCODE - 转录调控元件百科全书
GEO - 基因表达数据库
TCGA - 癌症基因组图谱
SRA - 序列读取档案

使用方式

bash 复制代码

cd scripts
python download_omics_data.py

详细使用说明请参考 docs/多组学数据获取指南.md

项目特色

多模态数据融合 - 整合多种组学数据，提升预测准确性
交互式可视化 - 支持缩放、拖拽、筛选等交互操作
响应式设计 - 自适应不同屏幕尺寸
实时分析 - 支持实时查看分析进度
灵活配置 - 支持多种参数配置和融合策略

联系方式

如有问题或建议，请联系项目维护团队。