Algorithms, load balancing strategies, and dynamic kernels for large-scale phylogenetic tree inference under Maximum Likelihood
Creators: name: Morel, Benoit
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2022
Subjects: subject: Computational Phylogenetics
subject: Phylogenetic Trees
subject: Reconciliation
subject: Computational Biology
subject: Bioinformatics
subject: FOS: Computer and information sciences
subject: Software Development

description: Phylogenetik, die Analyse der evolutionären Beziehungen zwischen biologischen Einheiten, spielt eine wesentliche Rolle in der biologischen und medizinischen Forschung. Ihre Anwendungen reichen von der Beantwortung grundlegender Fragen, wie der nach dem Ursprungs des Lebens, bis hin zur Lösung praktischer Probleme, wie der Verfolgung von Pandemien in Echtzeit. Heutzutage werden Phylogenetische Bäume typischerweise anhand molekularer Daten über wahrscheinlichkeitsbasierte Methoden berechnet. Diese Verfahren suchen nach demjenigen Stammbaum, welcher eine Likelihood-basierte Bewertungsfunktion unter einem gegebenen stochastischen Modell der Sequenzevolution maximiert. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf die Inferenz Phylogenetischer Bäume von Arten sowie Genen. Arten entwickeln sich durch Artbildungs- und Aussterbeereignisse. Gene entwickeln sich durch Ereignisse wie Genduplikation, Genverlust und horizontalen Gentransfer. Beide Ausprägungen der Evolution hängen miteinander zusammen, da Gene zu Arten gehören und sich innerhalb des Genoms der Arten entwickeln. Man kann Modelle der Gen-Evolution einsetzen, welche diesen Zusammenhang zwischen der Evolutionsgeschichte von Arten und Genen berücksichtigen, um die Genauigkeit phylogenetischer Baumsuchen zu verbessern. Die klassischen Methoden der phylogenetischen Inferenz ignorieren diese Phänomene und basieren ausschlie\ss lich auf Modellen der Sequenz-Evolution. Darüber hinaus sind aktuelle Maximum-Likelihood-Verfahren rechenaufwendig. Dies stellt eine große Herausforderung dar, zumal aufgrund der Fortschritte in der Sequenzierungstechnologie immer mehr molekulare Daten verfügbar werden und somit die verfügbare Datenmenge drastisch anwächst. Um diese Datenlawine zu bewältigen, benötigt die biologische Forschung dringend Werkzeuge, welche schnellere Algorithmen sowie effiziente parallele Implementierungen zur Verfügung stellen. In dieser Arbeit entwickle ich neue Maximum-Likelihood Methoden, welche auf einer expliziten Modellierung der gemeinsamen Evolutionsgeschichte von Arten und Genen basieren, um genauere phylogenetische Bäume abzuleiten. Außerdem implementiere ich neue Heuristiken und spezifische Parallelisierungsschemata um den Inferenzprozess zu beschleunigen. Mein erstes Projekt, ParGenes, ist eine parallele Softwarepipeline zum Ableiten von Genstammbäumen aus einer Menge genspezifischer Multipler Sequenzalignments. Für jedes Eingabealignment bestimmt ParGenes zunächst das am besten geeignete Modell der Sequenzevolution und sucht anschließend nach dem Genstammbaum mit der höchsten Likelihood unter diesem Modell. Dies erfolgt anhand von Methoden, welche dem aktuellen Stand der Wissenschaft entsprechen, parallel ausgeführt werden können und sich einer neuartigen Lastverteilungsstrategie bedienen. Mein zweites Projekt, SpeciesRax, ist eine Methode zum Ableiten eines gewurzelten Artenbaums aus einer Menge entsprechender ungewurzelter Genstammbäume. Berücksichtigt wird die Evolution eines Gens unter Genduplikation, Genverlust und horizontalem Gentransfer. SpeciesRax sucht den gewurzelten Artenbaum, der die Likelihood-basierte Bewertungsfunktion unter diesem Modell maximiert. Darüber hinaus führe ich eine neue Methode zur Berechnung von Konfidenzwerten auf den Kanten des resultierenden Artenbaumes ein und eine weitere Methode zur Schätzung der Kantenlängen des Artenbaumes. Mein drittes Projekt, GeneRax, ist eine neuartige Maximum-Likelihood-Methode zur Inferenz von Genstammbäumen. GeneRax liest als Eingabe einen gewurzelten Artenbaum sowie eine Menge genspezifischer Multipler Sequenz-Alignments und berechnet als Ausgabe einen Genstammbaum pro Eingabealignment. Dazu führe ich die sogenannte Joint Likelihood-Funktion ein, welche ein Modell der Sequenzevolution mit einem Modell der Genevolution kombiniert. Darüber hinaus kann GeneRax die Abfolge von Genduplikationen, Genverlusten und horizontalen Gentransfers abschätzen, die entlang des Eingabeartenbaums aufgetreten sind.