Εξελικτικά δίκτυα



Εισαγωγή στα Εξελικτικά δίκτυα 
Στην προέλευση των ειδών κατά τον Δαρβίνο ,  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. Επιπλέον, έχουν βρεθεί στοιχεία ευρείας οριζόντιας μεταφοράς γονιδίων στα φυτά . 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 .

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.

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 .

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.

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.

Ανακατασκευή εξελικτικών δικτύων 
Οι φυλογενέσεις παίζουν σημαντικό ρόλο στην αναπαράσταση των σχέσεων ανάμεσα σε βιολογικές οντότητες. Η διεισδυτικότητά τους έχει οδηγήσει βιολόγους, μαθηματικούς και επιστήμονες πληροφορικής, στο σεδιασμό ποικιλίας μεθόδων για την ανακατασκευή τους. Οι περισσότερες από αυτές τις μεθόδους, έχουν χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή δέντρων. Ωστόσο, οι βιολόγοι, αναγνωρίζουν ότι τα δέντρα απλά υπεραπλοποιούν την οπτική μας στην εξέλιξη σε μερικές περιπτώσεις και δεν μπορούν να μοντελοποιήσουν γεγονότα όπως η υβριδική ειδογένεση, η οριζόντια μεταφορά γονιδίων και ο ανασυνδυασμός. Αυτό το δίκτυο εξελικτικών γεγονότων (reticulation events), απαιτούν τη χρήση άλλων μεθόδων μοντελοποίησης, όπως είναι τα εξελικτικά δίκτυα.

Η ανακατσκευή και η ποιοτική αξιολόγηση των εξελικτικών δικτύων είναι πολύ σημαντική, δεδομένης της οφθαλμοφανούς καθολικότητας των δικτύων εξελικτικών γεγονότων και του σημαντικού ρόλου που παίζουν. Οι σχέσεις μεταξύ των εξελικτικών δικτύων από τη μια μεριά, και των δέντρων και των κλαδιών τους από την άλλη, έχουν μεγάλη σημασία. Από την οπτική της πληροφορικής, αυτές οι σχέσεις θέτουν τη βάση για ένα ευρύ φάσμα μεθόδων που έχουν αναπτυχθεί για την ανακατασκευή εξελικτικών δικτύων. Από την οπτική της βιολογίας, αυτές οι σχέσεις, έχουν κάνει εμφανές το πώς μοριακές ακολουθίες εξελίσσονται σε αυτά τα δίκτυα. Το δίκτυο εξελικτικών γεγονότων, χωρίζει τη γονιδιωματική ιστορία σε επιμέρους τμήματα, καθένα εκ των οποίων, έχει αυστηρό μοτίβο καταγωγής σε μορφή δέντρου. Η ταυτοποίηση των δέντρων αυτών και η εξικοίωση με τη δυσαρμονία τους, αποτελούν τη βάση για την κατασκευή μεθόδων ανακατασκευής.  

Στην ανακατασκευή φυλογενέσεων, μια συνήθης μεθοδολογία για την αξιολόγηση των μεθόδων ανακατασκευής είναι η προσομοίωση. Η προσομοίωση, επιτρέπει την άμεση σύγκριση ανάμεσα στην "αυθεντική" φυλογένεση και της ανακατασκευής της, κάτι που δεν είναι εφικτό με πραγματικό τύπο δεδομένων, όπου η αυθεντική φυλογένεση είναι στην καλύτερη μεροληπτικά γνωστή. Στην έρευνα της προσομοίωσης, ένα μοντέλο φυλογένεσης παράγεται σε δύο στάδια: Μια τοπολογία δημιουργείται κι έπειτα η εξέλιξη μιας ομάδας μοριακών ακολουθιών προσομοιώνεται σε αυτήν την τοπολογία. Οι ακολουθίες που αποκτήθηκαν στα φύλλα, στη συνέχεια, χρησιμοποιούνται στις μεθόδους ανακατασκευής που εξετάζονται και τα αποτελέσματα συγκρίνονται με το μοντέλο φυλογένεσης.

Σύγκριση εξελικτικών δικτύων 
Κατά την ανακατασκευή φυλογενέσεων, οι ερευνητές επιθυμούν να ποσοτικοποιήσουν τις ομοιότητες και τις διαφορές ανάμεσα σε δύο φυλογενέσεις που έχουν ανακατασξευαστεί είτε από δύο διαφορετικές πηγές δεδομένων, είτε από δύο διαφορετικές μεθόδους ανακατασκευής. Αυτή η ποσοτικοποίηση θα παρέχει μια ξεκάθαρη εικόνα αρχικά σε παραδοχές ή διαφωνίες ανάμεσα σε αναλύσεις, επίσης σε εκτιμητές εμπιστοσύνης για διάφορα σημεία της φυλογένεσης και τέλος σε μετρικές για τη σύγκριση της αποδοτικότητας της μεθόδου ανακατασκευής της φυλογένεσης. Στην περίπτωση των φυλογενετικών δέντρων, η ποσοτικοποίηση αυτή βασίζεται κατά κύριο λόγο σε δύο κριτήρια:

 Τοπολογικές διαφορές: Οι τοπολογίες, ή τα σχήματα δύο φυλογενετικών δέντρων συγκρίνονται και οι διαφορές τους ποσοτικοποιούνται.
 Καταλληλότητα στην εξέλιξη ακολουθιών: Όταν δύο φυλογενέσεις ανακατασκευάζονται από την ίδια βάση δεδομένων ακολουθιών, το πιο σύνηθες είναι να συγκρίνονται με βάση το πόσο καλά μοντελοποιούν την εξέλιξη των ακολουθιών. Τα πιο κοινώς χρησιμοποιούμενα κριτήρια για τη μέτρηση της καταλληλότητας είναι η μέγιστη πιθανοφάνεια, η maximum parsimony και η μπεϋζιανή πιθανότητα.

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.
 Network: Λογισμικό πακέτο, δημοσιευμένο από τους Dr. Michael και αδελφό του, Peter Forster, ιδρυτές της Fluxus Technology Ltd. Χρησιμοποιήθηκε πρόσφατα, στην έρευνα σχετικά με τον ιό SARS-CoV-2, για τον σχηματισμό φυλογενετικού δικτύου του μέσω της χρήσης 1001 ιικών γονιδιωμάτων. Η νεότερη έκδοση του λογισμικού, Network 10 είναι διαθέσιμη για κατέβασμα, και παράγει φυλογενετικά δίκτυα από γενετικά, λεκτικά, και άλλα δεδομένα, υπολογίζοντας έπειτα την "ηλικία" κάθε προγόνου του δικτύου. Σε αυτό μπορούν να προσαρτώνται ακόμα 2 προαιρετικά λογισμικά, το DNA Alignment, και το Network Publisher. Το πρώτο, χρησιμοποιείται για την εισαγωγή αλληλουχιών DNA και αμινοξέων, ενώ το δεύτερο για την εξαγωγή γραφημάτων με περισσότερες επιλογές όσον αφορά την αναπαράσταση των δεδομένων, συμπεριλαμβανομένου της σύγκρισης μεταξύ διαγραμμάτων.
Phylogeny Programs: Μία συλλογή από προγράμματα σχετικά με τη φυλογένεση, μερικά από τα οποία μπορούνα να υπολογίζουν φυλογενετικά δίκτυα. Η πλατφόρμα βασίζεται κυρίως στους δημιουργούς ώστε να καταθέσουν το πρόγραμμά τους, και έχει τη μορφή βάσης δεδομένων, επιτρέποντας στον χρήστη να ανατρέξει στα προγράμματα ανάλογα με τις ιδιότητές τους (π.χ. εάν είναι διαθέσιμα δωρεάν). Παρά την μεγάλη διαθέσιμη ποικιλία προγραμμάτων, εξαγγέλεται στην αρχική σελίδα ότι δεν έχουν ελεγχθεί από τον διαχειριστή ως προς την λειτουργικότητά και αποτελεσματικότητά τους, παρά μόνο οι πηγές από τις οποίες προήλθαν. Συνολικά βρίσκονται διαθέσιμα 392 λογισμικά πακέτα φυλογένεσης, και 54 ανοιχτοί διαδικτυακοί διακομιστές, κατατεθημένοι στην βάση.
Λίστα προγραμμάτων φυλογένεσης: Μία συλλογή από εξειδικευμένα προγράμματα που αποσκοπούν στην προσέγγιση διάφορων πτυχών της φυλογενετικής ανάλυσης, συμπεριλαμβανομένης της κατασκευής δικτύων και της σύγκρισής τους. Σε αυτή τη λίστα παρέχεται σύντομη περιγραφή του κάθε προγράμματος, ενώ επίσης συμπεριλαμβάνονται τα λογισμικά πακέτα Phylonet, Network, Dendroscope κ.α.
SplitsTree: Αποτελεί δημοφιλές πρόγραμμα για τον υπολογισμό και την οπτικοποίηση φυλογενετικών δέντρων και δικτύων μέσω της εισαγωγής δεδομένων αλληλουχίας ή απόστασης μεταξύ των κόμβων. Η νεότερες διαθέσιμες εκδόσεις, η SplitsTree4 και SplitsTree5 είναι διαθέσιμες δωρεάν.
Dendroscope: Το Dendroscope, με νεότερη την έκδοση Dendroscope3 είναι ένας πολυδύναμος περιηγητής φυλογενετικών δέντρων αλλά και δικτύων με ρίζα. Επιτρέπει την παρουσίαση πολλαπλών δέντρων/δικτύων ταυτόχρονα, δίνοντας δυνατότητες υπολογισμού της εκάστοτε μορφής από την άλλη. Σημαντικό πλεονέκτημά του αποτελεί το πλήθος δυνατοτήτων απεικόνισης, και ανασχεδιασμού - επεξεργασίας των δεδομένων, ιδιαίτερα χρήσιμο χαρακτηριστικό για την προετοιμασία αποτελεσμάτων προς δημοσίευση. Το λογισμικό είναι διαθέσιμο δωρεάν, και υποστηρίζει χειρισμό μέσω της γραμμής εντολών.
T-REX: Είναι ένας διαδικτυακός διακομιστής, ελεύθερος δωρεάν, για την οπτικοποίηση, υπολογισμό, και ταυτοποίηση εξελικτικών δικτύων και δέντρων. Η δυνατότητές του συμπεριλαμβάνουν χρήσιμες λειτουργίες όπως η ανακάλυψη οριζόντια μεταφερόμενων γονιδίων, και ο υπολογισμός εξελικτικών δέντρων και δικτύων από πίνακες με ελλειπή δεδομένα. Διαθέτει επίσης δημοφιλή προγράμματα πολλαπλής στοίχισης, όπως το MUSCLE και το ClustalW.
TCS: Γραμμένο σε κώδικα Java, το TCS είναι ένα πρόγραμμα υπολογισμού εξελικτικών δέντρων και δικτύων με μεθόδους στατιστικής φειδωλότητας. Το πρόγραμμα αυτό είναι ελεύθερα διαθέσιμο. 
Phangorn: Αποτελεί ένα λογισμικό πακέτο για ανακατασκευή και ανάλυση φυλογενετικών δικτύων. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιεί κριτήρια μέγιστης φειδωλότητας, μέγιστης πιθανοφάνειας, και σύζευξης Hadamard. Περιέχει επίσης δυνατότητες σύγκρισης δέντρων, αλλά και απεικόνισης. Το πακέτο, καθώς και ο οδηγός χρήσης του, είναι διαθέσιμα στις σελίδες των αναφορών.

Παραπομπές 

Φυλογενετική