Εξελικτικά δίκτυα: Διαφορά μεταξύ των αναθεωρήσεων
μ Justified text |
Phylonet |
||
| Γραμμή 40: | Γραμμή 40: | ||
== Λογισμικά υπολογισμού/επεξεργασίας δικτύων == |
== Λογισμικά υπολογισμού/επεξεργασίας δικτύων == |
||
<div style="text-align: justify;"> |
<div style="text-align: justify;"> |
||
# '''Phylonet:''' Αποτελεί ένα πακέτο λογισμικών - εργαλείων για την ανάλυση και ανακατασκευή εξελικτικών σχέσεων. Το συγκεκριμένο αποτελεί μία βασική προσέγγιση στην συλλογή μιας ολοκληρωμένης "σουίτας" στη διάθεση του εξελικτικού βιολόγου, διαθέτοντας εργαλεία αναπαράστασης, ανάγνωσης, και επεξεργασίας. Διαθέτονται επίσης |
# '''Phylonet:''' Αποτελεί ένα πακέτο λογισμικών - εργαλείων για την ανάλυση και ανακατασκευή εξελικτικών σχέσεων. Το συγκεκριμένο αποτελεί μία βασική προσέγγιση στην συλλογή μιας ολοκληρωμένης "σουίτας" στη διάθεση του εξελικτικού βιολόγου, διαθέτοντας εργαλεία αναπαράστασης, ανάγνωσης, και επεξεργασίας. Διαθέτονται επίσης εργαλεία ανάλυσης εξελικτικών δικτύων ανάλογα με τα βασικά τους χαρακτηριστικά. Ακόμα, είναι δυνατή η σύγκριση δικτύων με βάση τόσο τις τοπολογικές διαφορές, όσο και την εξέλιξη των αλληλουχιών τους. Τέλος, υπάρχουν επίσης εργαλεία για την ανακατασκευή εξελικτικών δικτύων από δέντρα ειδών και γονιδίων. Η σουίτα δημοσιεύτηκε το 2008 και υποστηρίζει την ανάλυση μεγάλων όγκων δεδομένων, παράγοντας αρχεία σε μορφοποίηση eNewick για διαχείριση από τα διαφορετικά εργαλεία, καθώς και διαχείριση μέσω της γραμμής εντολών, για πιο λεπτομερείς ενέργειες από πλευράς του χρήστη.<ref>{{Cite journal|title=PhyloNet: a software package for analyzing and reconstructing reticulate evolutionary relationships|doi=10.1186/1471-2105-9-322|first3=Luay|last2=Ruths|first2=Derek|last=Than|first=Cuong|language=en|issue=1|url=https://bmcbioinformatics.biomedcentral.com/articles/10.1186/1471-2105-9-322|volume=9|pages=322|pmid=18662388|pmc=PMC2533029|issn=1471-2105|date=2008-12|journal=BMC Bioinformatics|last3=Nakhleh}}</ref> |
||
</div> |
</div> |
||
== Βιβλιογραφία == |
== Βιβλιογραφία == |
||
Έκδοση από την 08:16, 21 Οκτωβρίου 2020
Εισαγωγή στα Εξελικτικά δίκτυα
Στην προέλευση των ειδών κατά τον Δαρβίνο [1], η απεικόνιση της εξελικτικής ιστορίας των ειδών είχε τη μορφή ενός δέντρου. Έκτοτε, τα φυλογενετικά δέντρα αποτελούν την κυρίαρχη τάση στην επιστήμη της φυλογενετικής. Ένα τέτοιου είδους δέντρο, παρουσιάζει την εξελικτική σχέση ενός προγόνου-απογόνου για ένα σύνολο ειδών λαμβάνοντας υπόψιν τον πιο κοντινό κοινό τους πρόγονο.
Παρόλο που τα φυλογενετικά δέντρα είναι κατάλληλα για αρκετά σύνολα από τάξα (groups of taxa) για άλλα μπορεί να είναι ελλιπή. Για παράδειγμα, έχει φανεί ότι τα βακτήρια κατά την οριζόντια μεταφορά γονιδίων (horizontal gene transfer) πιθανώς αποκτούν ένα σημαντικό τμήμα της γενετικής τους ποικιλομορφίας μέσω της απόκτησης ακολουθιών από μακρινά συγγενικούς οργανισμούς[2][3][4][5][6][7][8]. Επιπλέον, έχουν βρεθεί στοιχεία ευρείας οριζόντιας μεταφοράς γονιδίων στα φυτά [9][10][11]. Επίσης, στην ιολογία ο ανασυνδυασμός μεταξύ διαφορετικών ειδών ιών θεωρείται ως αρκετά διαδεδομένος, ενώ παράλληλα η υβριδική ειδογένεση (hybrid speciation) αποτελεί κύριο εξελικτικό μηχανισμό στα φυτά, στα ψάρια και στα βατράχια [12][13][14][15][16].
Οι παραπάνω διαδικασίες αναφέρονται στο σύνολο τους ως δίκτυα εξελικτικών γεγονότων (reticulate events) και προκύπτουν σε διαφορετικές εξελικτικές κλίμακες όπως το άτομο, ο πληθυσμός και τα είδη. Συγκεκριμένα μπορούν να διακριθούν ως, 1. Δίκτυο μεταξύ ζευγών χρωμοσωμάτων (μειωτικός ανασυνδυασμός), 2. Δίκτυο μεταξύ γενεαλογίας (ανασυνδυασμός μέσω της σεξουαλικής αναπαραγωγής) και 3. Δίκτυο μεταξύ γενεαλογιών (οριζόντια μεταφορά γονιδίων και υβριδική ειδογένεση).
Κοιτάζοντας μέσα από τον μακρο-εξελικτικό φακό (εξέλιξη μεταξύ των γενεαλογιών), μόνο τα εξελικτικά γεγονότα δικτύου στο επίπεδο των ειδών αποτυγχάνουν να μοντελοποιηθούν από τα δέντρα. Ωστόσο, κοιτάζοντας μέσα από τον μικρο-εξελικτικό φακό (εξέλιξη εντός της γενεαλογίας), τόσο ο σεξουαλικός ανασυνδυασμός όσο και ο μειωτικός ανασυνδυασμός αποτυγχάνουν να μοντελοποιηθούν από το διακλαδιζόμενο δέντρο.
Ουσιαστικά, όταν υπάρχει δικτύωση, δύο ή περισσότερες ανεξάρτητες εξελικτικές γενεαλογίες συνδυάζονται σε κάποιο επίπεδο βιολογικής οργάνωσης, οδηγώντας έτσι σε σύνθετες εξελικτικές σχέσεις που δεν μπορούν να μοντελοποιηθούν κατάλληλα από τα φυλογενετικά δέντρα. Αντιθέτως, τα εξελικτικά δίκτυα αναδείχθηκαν ως ένα χρήσιμο εργαλείο αναπαράστασης τέτοιου είδους σχέσεων. Πιο συγκεκριμένα, τα εξελικτικά δίκτυα είναι μία ειδική κατηγορία γράφων η οποία επιτρέπει την ύπαρξη πολλαπλών μονοπατιών μεταξύ των ζευγών τάξων (taxa) στη φυλογένεση, παρέχοντας έτσι την απαραίτητη επέκταση των δέντρων, στα οποία ένα μοναδικό μονοπάτι υπάρχει μεταξύ κάθε δύο τάξα[17].
Γράφοι και Δέντρα
Το αποτέλεσμα μίας φυλογενετικής ανάλυσης είναι τυπικά ένα φυλογενετικό δέντρο, δηλαδή ένας γράφος ο οποίος περιγράφει την καταγωγή ενός συνόλου από τάξα (taxa). Επί παραδείγματι, ένα διαδραστικό φυλογενετικό δέντρο που αναπαριστά εκατοντάδες διαφορετικά είδη μπορεί να βρεθεί στο https://itol.embl.de/itol.cgi.
Ένα δέντρο αποτελεί έναν συνδεδεμένο (συνεκτικό) γράφο χωρίς κύκλους. Οι κορυφές ή κόμβοι (vertices or nodes) ενός δέντρου με βαθμό 1 αντιστοιχούν στα φύλλα (leaves) του, ενώ οι κορυφές με βαθμό μεγαλύτερο του 1 ονομάζονται εσωτερικές κορυφές. Τα φύλλα αντιστοιχούν στα υπάρχοντα είδη για τα οποία έχουμε δεδομένα από τη φυλογενετική ανάλυση και έτσι οι κορυφές ή κόμβους επισημαίνονται με ένα σετ ετικετών. Στις θεωρητικές εφαρμογές, το σετ ετικετών ενός δέντρου n-φύλλων είναι συχνά το σετ [n]:={1,…,n}, και καλούμε αυτό το δέντρο ως φυλογενετικό δέντρο n-φύλλων. Αξίζει να σημειωθεί ότι, θεωρούμε δύο φυλογενετικά δέντρα n-φύλλων ως διαφορετικά ακόμα και εάν διαφέρουν μόνο στην επισήμανση των φύλλων. Με τεχνικούς όρους, δύο δέντρα n-φύλλων είναι ίδια εάν και μόνο εάν υπάρχει ισομορφισμός μεταξύ των δύο γράφων (ισόμορφοι γράφοι) που διατηρούν επίσης την επισήμανση των φύλλων [18].
Αν ορίσουμε μία κορυφή του δέντρου ως ρίζα, τότε έχουμε ένα δέντρο με ρίζα (rooted tree). Σε ένα δέντρο με ρίζα θεωρούμε ότι όλες οι ακμές (edges) έχουν κατεύθυνση από τη ρίζα προς τα φύλλα και τότε το δέντρο μπορεί να θεωρηθεί ως ένας κατευθυνόμενος γράφος. Η ρίζα αντιστοιχεί στον κοινό πρόγονο όλων των ειδών του δέντρου, επομένως, οι κατευθυνόμενες ακμές μπορούν να θεωρηθούν ότι δείχνουν τη χρονική σειρά των εξελικτικών γεγονότων [18]. Ένα εργαλείο που χρησιμοποιείται συχνά ως μοντέλο εξέλιξης είναι τα δυαδικά δέντρα με ρίζα (binary tree). Ένα δέντρο με καθορισμένη ρίζα θεωρείτε δυαδικό όταν όλοι οι κόμβοι του έχουν βαθμό ≤ 2 (αριθμός των παιδιών).
Εξελικτικά δίκτυα
Όπως προαναφέρθηκε, τα δέντρα δεν είναι ικανά να παρουσιάζουν γεγονότα οριζόντιας μεταφοράς γονιδίων, ανασυνδυασμού και υβριδισμού. Έτσι, σε αυτές τις περιπτώσεις, κάποια κλαδιά του δέντρου ενώνονται σε έναν κόμβο δικτύωσης και έτσι το δέντρο μετατρέπεται σε ένα δίκτυο. Ένα εξελικτικό δίκτυο μπορεί να είναι αναλυτικό (explicit) και να περιγράφει βιολογικά γεγονότα ή να είναι αφηρημένο (abstract) εάν οι ακμές του δεν ερμηνεύονται βιολογικά.
Τα δέντρα και τα δίκτυα είναι συνδεδεμένοι (συνεκτικοί) γράφοι. Τα παραπάνω έχουν επισημασμένα τα φύλλα και τους κόμβους τους (labbeled), αναπαριστώντας έτσι σύγχρονους εξελικτικά οργανισμούς ενώ οι εσωτερικοί τους κόμβοι δεν είναι συνήθως επισημασμένοι. Επιπλέον οι ακμές τους συνδέουν όλους τους κόμβους. Λόγω της πολυπλοκότητας της εξελικτικής ιστορίας δύο τύποι γράφων έχουν αναπτυχθεί:
1. Τα εξελικτικά δέντρα και δίκτυα με ρίζα (κατευθυνόμενοι άκυκλοι γράφοι), στα οποία οι εσωτερικοί κόμβοι αντιπροσωπεύουν τους προγόνους των κόμβων του φύλλου και οι κατευθυνόμενες ακμές αντιπροσωπεύουν ιστορικά μονοπάτια της μεταφερόμενης γενετικής πληροφορίας μεταξύ προγόνων και απογόνων.
2. Τα εξελικτικά δέντρα και δίκτυα χωρίς ρίζα (μη κατευθυνόμενοι γράφοι), στα οποία οι εσωτερικοί κόμβοι δεν αντιπροσωπεύουν τους προγόνους και οι μη κατευθυνόμενες ακμές αντιπροσωπεύουν τις συγγενικές ομοιότητες μεταξύ των κόμβων του φύλλου.
Ο πρώτος τύπος εξελικτικού δικτύου αναπαριστά αναλυτικά τη γενεαλογική ιστορία των οργανισμών και έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως[19].
Ορισμός: Ένα εξελικτικό δίκτυο N σε ένα σύνολο φύλλων [n] είναι ένας άκυκλος κατευθυνόμενος γράφος χωρίς παράλληλες ακμές (π.χ. χωρίς πολλαπλές ακμές) και ικανοποιεί τις ακόλουθες συνθήκες:
(i) H ρίζα έχει εξωτερικό βαθμό δύο (out-degree).
(ii) Οι μόνοι κόμβοι με εξωτερικό βαθμό μηδέν είναι τα φύλλα [n] και ο καθένας από αυτούς έχει εσωτερικό βαθμό ένα (in-degree).
(iii) Όλοι οι άλλοι κόμβοι είτε έχουν εσωτερικό βαθμό ένα και εξωτερικό δύο, ή εσωτερικό δύο και εξωτερικό ένα [18].
Επιπλέον, ο ιστότοπος " Who is who in phylogenetic network " είναι μία εξαιρετική πηγή για την ανακάλυψη άρθρων και συγγραφέων στο πεδίο των εξελικτικών δικτύων.
Λογισμικά υπολογισμού/επεξεργασίας δικτύων
- Phylonet: Αποτελεί ένα πακέτο λογισμικών - εργαλείων για την ανάλυση και ανακατασκευή εξελικτικών σχέσεων. Το συγκεκριμένο αποτελεί μία βασική προσέγγιση στην συλλογή μιας ολοκληρωμένης "σουίτας" στη διάθεση του εξελικτικού βιολόγου, διαθέτοντας εργαλεία αναπαράστασης, ανάγνωσης, και επεξεργασίας. Διαθέτονται επίσης εργαλεία ανάλυσης εξελικτικών δικτύων ανάλογα με τα βασικά τους χαρακτηριστικά. Ακόμα, είναι δυνατή η σύγκριση δικτύων με βάση τόσο τις τοπολογικές διαφορές, όσο και την εξέλιξη των αλληλουχιών τους. Τέλος, υπάρχουν επίσης εργαλεία για την ανακατασκευή εξελικτικών δικτύων από δέντρα ειδών και γονιδίων. Η σουίτα δημοσιεύτηκε το 2008 και υποστηρίζει την ανάλυση μεγάλων όγκων δεδομένων, παράγοντας αρχεία σε μορφοποίηση eNewick για διαχείριση από τα διαφορετικά εργαλεία, καθώς και διαχείριση μέσω της γραμμής εντολών, για πιο λεπτομερείς ενέργειες από πλευράς του χρήστη.[20]
Βιβλιογραφία
- ↑ Darwin, C.: On the origin of species by means of natural selection. J. Murray, London (1859).
- ↑ Doolittle, W.: Lateral genomics. Trends in Biochemical Sciences 24(12), M5–M8 (1999).
- ↑ Doolittle, W.: Phylogenetic classification and the universal tree. Science 284, 2124–2129 (1999).
- ↑ Hao, W., Golding, G.: Patterns of bacterial gene movement. Mol. Biol. Evol. 21(7), 1294–1307 (2004).
- ↑ Kurland, C., Canback, B., Berg, O.: Horizontal gene transfer: A critical view. Proc. Nat’l Acad. Sci., USA 100(17), 9658–9662 (2003).
- ↑ Nakamura, Y., Itoh, T., Matsuda, H., Gojobori, T.: Biased biological functions of horizontally transferred genes in prokaryotic genomes. Nature Genetics 36(7), 760–766 (2004).
- ↑ Ochman, H., Lawrence, J., Groisman, E.: Lateral gene transfer and the nature of bacterial innovation. Nature 405(6784), 299–304 (2000).
- ↑ Welch, R., Burland, V., Plunkett, G., Redford, P., Roesch, P., Rasko, D., Buckles, E., Liou, S., Boutin, A., Hackett, J., Stroud, D., Mayhew, G., Rose, D., Zhou, S., Schwartz, D., Perna, N., Mobley, H., Donnenberg, M., Blattner, F.: Extensive mosaic structure revealed by the complete genome sequence of uropathogenic escherichia coli. Proc. Nat’l Acad. Sci., USA99(26), 17,020–17,024 (2002).
- ↑ Bergthorsson, U., Adams, K., Thomason, B., Palmer, J.: Widespread horizontal transfer of mitochondrial genes in flowering plants. Nature 424, 197–201 (2003).
- ↑ Bergthorsson, U., Richardson, A., Young, G., Goertzen, L., Palmer, J.: Massive horizontal transfer of mitochondrial genes from diverse land plant donors to basal angiosperm Amborella. Proc. Nat’l Acad. Sci., USA 101, 17,747–17,752 (2004).
- ↑ Mower, J., Stefanovic, S., Young, G., Palmer, J.: Gene transfer from parasitic to host plants. Nature 432, 165–166 (2004).
- ↑ Ellstrand, N., Whitkus, R., Rieseberg, L.: Distribution of spontaneous plant hybrids. Proc. Nat’l Acad. Sci., USA 93(10), 5090–5093 (1996).
- ↑ Mallet, J.: Hybrid speciation. Nature 446, 279–283 (2007).
- ↑ Noor, M., Feder, J.: Speciation genetics: Evolving approaches. Nature Review Genetics 7, 851–861 (2006).
- ↑ Rieseberg, L., Baird, S., Gardner, K.: Hybridization, introgression, and linkage evolution. Plant Molecular Biology 42(1), 205–224 (2000).
- ↑ Rieseberg, L., Carney, S.: Plant hybridization. New Phytologist 140(4), 599–624 (1998).
- ↑ Nakhleh L. Evolutionary Phylogenetic Networks: Models and Issues. In: Heath L., Ramakrishnan N. (eds) Problem Solving Handbook in Computational Biology and Bioinformatics. Springer, Boston, MA. https://doi.org/10.1007/978-0-387-09760-2_7 (2010).
- ↑ Gross Ε., Long C., Rusinko J.: Phylogenetic Networks, Published in: A Project-Based Guide to Undergraduate Research in Mathematics by Springer International Publishing, (2019).
- ↑ Morrison D.A.: Phylogenetic Networks: A Review of Methods to Display Evolutionary History, Annual Research & Review in Biology 4(10): 1518-1543, (2014).
- ↑ Than, Cuong; Ruths, Derek; Nakhleh, Luay (2008-12). «PhyloNet: a software package for analyzing and reconstructing reticulate evolutionary relationships» (στα αγγλικά). BMC Bioinformatics 9 (1): 322. doi:. ISSN 1471-2105. PMID 18662388. PMC PMC2533029. https://bmcbioinformatics.biomedcentral.com/articles/10.1186/1471-2105-9-322.