s 114 510 laskennallinen systeemibiologia kompleksiset verkot systeemibiologiassa n.
Download
Skip this Video
Loading SlideShow in 5 Seconds..
S-114.510 Laskennallinen systeemibiologia Kompleksiset verkot systeemibiologiassa PowerPoint Presentation
Download Presentation
S-114.510 Laskennallinen systeemibiologia Kompleksiset verkot systeemibiologiassa

Loading in 2 Seconds...

play fullscreen
1 / 19

S-114.510 Laskennallinen systeemibiologia Kompleksiset verkot systeemibiologiassa - PowerPoint PPT Presentation


  • 77 Views
  • Uploaded on

S-114.510 Laskennallinen systeemibiologia Kompleksiset verkot systeemibiologiassa. Motivaatio Kompleksiset verkot – uusi työkalu kompleksisten systeemien tutkimiseen ja vertailuun Verkkojen karakterisointi: astejakauma, klusteroituminen, … Mittakaavattomat verkot

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about 'S-114.510 Laskennallinen systeemibiologia Kompleksiset verkot systeemibiologiassa' - lee


An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
s 114 510 laskennallinen systeemibiologia kompleksiset verkot systeemibiologiassa

S-114.510 Laskennallinen systeemibiologiaKompleksiset verkot systeemibiologiassa

  • Motivaatio
  • Kompleksiset verkot – uusi työkalu kompleksisten systeemien tutkimiseen ja vertailuun
  • Verkkojen karakterisointi: astejakauma, klusteroituminen, …
  • Mittakaavattomat verkot
  • Sovelluksia systeemibiologiaan
  • Nykytilanne ja tulevaisuus

16.3.2005

Riitta Toivonen

miksi verkot ovat kuuma sana
Miksi verkot ovat kuuma sana
  • Reduktionismi näyttää tulleen tiensä päähän
    • Ymmärryksemme maailmasta ei enää lisäänny tarkastelemalla systeemien osasia erillisinä
    • Otettava huomioon myös vuorovaikutukset osien välillä

 Systeemiajattelu luonteva seuraava askel

  • Viime vuosina on havaittu, että monia kompleksisia systeemejä voidaan tutkia ja vertailla verkkoteorian avulla.
motivaatio
Motivaatio
  • Biologiassa viime vuosina voimakas suuntaus verkkoajatteluun (kuten monilla muillakin tieteenaloilla)
    • (Kiinnostuksen kohteina mm. aineenvaihduntaverkot, geenisäätelyverkot, proteiinien vuorovaikutusverkot ja ravintoverkot eli ’kuka syö kenet’)
  • Verkot ovat luonteva tapa hahmottaa biologisia systeemejä
    • vuorovaikutusten rakenne
    • modulaarisuus

 Biologisesti orientoituneen opiskelijan tai tutkijan on hyvä tietää mistä kompleksisissa verkoissa on kysymys

mit tarkoittavat kompleksinen systeemi ja kompleksinen verkko
Täsmällinen määrittely vaikeaa

Kompleksinen ei ole sama kuin monimutkainen – monimutkaiselta näyttävän systeemin osia saattavat ohjata yksinkertaiset lait.

Systeemissä kokonaisuutena ilmenee lainalaisuuksia, jotka eivät ole ilmeisiä osien käyttäytymissääntöjen perusteella (emergenssi)

Kompleksisena systeeminä voidaan tarkastella esim. yhteiskuntaa, ihmistä, solua, ekosysteemiä, taloutta, …

Kompleksisia verkkoja (kompleksisten systeemien osajoukko) ovat mm. sosiaaliset ja taloudelliset verkostot, internet, aineen-vaihduntaverkot, …

Mitä tarkoittavat ’kompleksinen systeemi’ ja ’kompleksinen verkko’?
verkko matemaattisena mallina
Verkko matemaattisena mallina
  • Verkko on solmujen ja niiden välisten kaarien joukko
    • esim. geenisäätelyverkossa se, että geeni A inhiboi geeniä B, voidaan kuvata piirtämällä kaari solmusta A:sta solmuun B
  • Tyypillisesti solmupareista vain harvat ovat kytkeytyneet toisiinsa kaarella
    • esim. ihmisen solussa on 30 000 geeniä, mutta aktivoitunut geeni inhiboi tai eksitoi vain murto-osaa näistä.

solmujoukko S ja kaarijoukko E:

S = {A,B,C,D,E}

E = {AB,BC,CA,CB,DC}

kompleksisten verkkojen teorian synty
Historia:

Klassinen verkkoteoria 1736 (Euler)

Satunnaisgraafit 1959 (Erdös & Rényi)

Kompleksisten verkkojen teoria 1998 

(Watts & Strogatz, Barabási & Albert).

Eroja klassiseen verkkoteoriaan mm.:

stokastinen lähestymistapa

verkon kasvu ja muutos ajassa

Kompleksisten verkkojen teorian synty
er s t rke tapa kuvailla verkkoa verkon astejakauma
Solmuun liittyvien kaarien määrää nimitetään solmun asteeksi

Eräs tapa luonnehtia verkkoa on määrittää sen astejakauma: todennäköisyys, että satunnaisesti valitulla solmulla on k kaarta

Eräs tärkeä tapa kuvailla verkkoa:verkon astejakauma

Esim. solmuun J liittyy 3 saapuvaa kaarta (IJ, KJ ja MJ) ja 1 lähtevä kaari (JK)

 sen aste on kJ= 3+1 = 4

Astejakauma

N(k)

k

2

3 4 5

astejakaumasta mittakaavattomat verkot
Reaalimaailman verkkojen aste-jakauma noudattaa lähes aina (likimain) potenssilakia

Toistaiseksi tutkituissa verkoissa eksponentti γon väliltä 2.2 ... 6

Potenssilakia noudattavia verkkoja kutsutaan mittakaavattomiksi (scale free)

Mittakaavattomissa verkoissa osalla solmuista on hyvin paljon linkkejä (navat, hubs)

esim. webissä Google, aineenvaihdunta-verkoissa ATP, jne.

Astejakaumasta - Mittakaavattomat verkot
muita verkon tunnuslukuja ja jakaumia klusteroitumiskerroin
klusteroitumiskerroin

”ystävieni ystävät ovat minunkin ystäviäni”

Ci = (#kolmiot) /

(#mahdolliset kolmiot)

tunnusluku, jonka avulla havaitaan verkon osajoukkoja, jotka toimivat tiiviissä yhteistyössä (moduleita)

klusteroitumisen jakauma kertoo verkon modulaarisuudesta

Muita verkon tunnuslukuja ja jakaumia: klusteroitumiskerroin
proteiinien vuorovaikutusverkot
Proteiinien vuorovaikutusverkot
  • Erään hiivan (Saccharomyces cerevisiae) proteiinien vuorovaikutusverkon astejakauma

(Data neljästä eri tietokannasta)

    • Proteiinilla on verkossa k linkkiä, jos se reagoi k eri proteiinin kanssa
    • Kuvaajasta voimme lukea esim: noin joka sadannella proteiinilla on kymmenkunta linkkiä
    • Jakauma noudattaa potenssilakia
aineenvaihduntaverkot
Aineenvaihduntaverkot
  • Verkon solmut (kuvassa valkoiset suorakaiteet) ovat metaboliitteja ja kaaret niiden välisiä kemiallisia reaktioita
    • mustat laatikot välituotteita
    • reaktioita katalysoivat entsyymit merkitty numeroin
aineenvaihduntaverkot1
Aineenvaihduntaverkot
  • Astejakauman log-log-kuvaaja on suora

 astejakauma noudattaa potenssilakia

Arkit

Bakteerit

Eukaryootit

miksi proteiinien vuorovaikutus verkolla on t llainen astejakauma kahdentuminen ja mutaatio
Miksi proteiinien vuorovaikutus-verkolla on tällainen astejakauma?Kahdentuminen ja mutaatio
  • Geenit tuottavat proteiineja
  • Geenien evoluutiossa eräs tärkeä tekijä on geenien kahdentuminen perimässä
    • B.Dujon et al. ”Genome evolution in yeasts”, Nature, 430:35-44, July 1, 2004
    • K.H.Wolfe, D.C. Shields, ”Molecular evidence for an ancient duplication of the entire yeast genome”, Nature, 387:708-713, June 12, 1997
  • Geenin kopioista toinen voi hoitaa entisiä tehtäviä, jolloin toinen on vapaa siirtymään uudenlaisiin tehtäviin (tuottamaan hieman erilaisia proteiineja, jotka vuorovaikuttavat osittain samojen proteiinien kanssa kuin ennen, osittain toisten)
  • Simulaatiot osoittavat, että tällä mekanismilla - kahdentamalla solmuja ja muuttamalla niiden linkkejä hieman - syntyy mittakaavaton verkko
    • A.Vázquez, ”Growing networks with local rule: preferential attachment, clustering hierarchy and degree correlations, Phys.Rev.Lett. E 67, 056104 (2003 )
miss menn n kompleksisten verkkojen teoriassa
Missä mennään kompleksisten verkkojen teoriassa?

Tutkimuksen kohteina

  • Verkkojen generointialgoritmit
    • tavoitteena kehittää verkkomalleja, jotka kuvaisivat yhä paremmin reaalimaailman verkkoja
  • Verkoissa tapahtuvat prosessit, mm.
    • tarttuvien tautien leviäminen ja epidemiat
    • huhujen eteneminen sosiaalisessa verkossa
nykytilanne ja tulevaisuus
Nykytilanne ja tulevaisuus
  • Toistaiseksi teoriankehitystä
  • Muutaman vuoden kuluttua yleinen kompleksisten verkkojen teoria lienee muotoutunut
  • Sen jälkeen paneuduttava kunkin tieteenalan erityisominaisuuksiin
  • Sovelluksia odotettavissa tulevaisuudessa
    • lääketiede, biologia, sosiologia, …
the barab si albert scale free model

(1) Networks continuously expand by the addition of new nodes

WWW : addition of new documents

(2) New nodes prefer to link to highly connected nodes.

WWW : linking to well known sites

The Barabási-Albert Scale-Free Model

PREFERENTIAL ATTACHMENT:the probability that a node connects to a node with k links is proportional to k.

P(k)=k-3

(problem: clusteringtoo low)

Barabási & Albert, Science286, 509 (1999)