| Cytoscape | |
|---|---|
| Typ | Zpracování obrazu |
| Autor | Ústav systémové biologie |
| Zapsáno v | Java [1] |
| Operační systém | macOS , Microsoft Windows a Linux |
| První vydání | 2002 |
| Hardwarová platforma | Java virtuální stroj |
| Nejnovější verze | |
| Licence | GNU LGPL [3] |
| webová stránka | cytoscape.org _ |
| Mediální soubory na Wikimedia Commons | |
Cytoscape ( [ˌsaɪtə(u)'skeɪp] , sitescape , v ruském bioinformatickém slangu - cytoscape ) je open source bioinformatická platforma určená k vizualizaci sítí molekulárních interakcí a biologických drah s možností využití dalších dat, jako jsou funkční anotace, informace o úrovni genové exprese a další. Navzdory skutečnosti, že Cytoscape byl původně vyvinut pro biologický výzkum, je nyní široce používán k řešení různých problémů síťové analýzy a vizualizace [4] .
Cytoscape byl vyvinut v Institute for Systems Biology v Seattlu v roce 2002. První verze programu, Cytoscape 0.8 [5] , byla vydána v červenci 2002, následovaly verze 0.9 a 1.0 v listopadu 2002 a v březnu 2003. Řada 2.0 byla aktualizována od roku 2004 do roku 2012, poté byla v roce 2013 spuštěna řada 3.xx. Poslední velká aktualizace programu byla vydána v roce 2014 s vydáním Cytoscape v3.3, který reorganizoval hlavní interní datové modely a výrazně zlepšil podporu aplikací a pluginů třetích stran [6] .
Před verzí 3.3 se Cytoscape skládal z jádra a dalších pluginů. Počínaje verzí 3.3 byly některé funkce jádra rozděleny do základních pluginů. Jádro je kód, který organizuje, zobrazuje, čte a zapisuje sítě, ale neobsahuje žádné biologické funkce. Core Plugins jsou předinstalované moduly, které provádějí jiné funkce než Core, ale jsou nutné pro použití Cytoscape. Na rozdíl od předchozích verzí Cytoscape lze základní funkčnost pluginu aktualizovat bez vydání nové hlavní aktualizace Cytoscape [6] . Existují také další pluginy (dostupné v App Store), které umožňují provádět určité úkoly [7] . Od verze 3.6.1 Cytoscape automaticky instaluje nejnovější verzi Javy, se kterou bude pracovat [6] .
Program je nyní podporován International Open Source Consortium . K dnešnímu dni je nejnovější verzí Cytoscape verze 3.8. Obsahuje vylepšení výkonu a síťového vykreslování a vylepšenou integraci služeb NDEx. Nová verze má schopnost používat pro reprodukovatelné vysoce výkonné analýzy, víceškálové sítě, sítě interakcí protein-protein , přístupnou omickou analýzu [6] .
Jedním z dlouhodobých plánů je těsná integrace Cytoscape a NDEx tak, aby uživatelé mohli přirozeně stahovat a ukládat své sítě pomocí služby NDEx [6] .
Cytoscape aktuálně exportuje síť jako soubor, který lze použít jako doplňkový materiál pro článek v časopise. Online prohlížeč článků vydavatele časopisu může volně zobrazit síť v interaktivním prohlížeči, který uživateli umožňuje přibližovat si síť a přesouvat uzly [6] .
Přestože bylo simulační prostředí Cytoscape vyvinuto pro biologické úlohy, lze tento program uplatnit v mnoha dalších oblastech [4] .
V biologii
|
Konkrétní příklady z článků z roku 2019 :
|
V sociologii
|
Komplexní analýza sítě |
Hlavní částí Cytoscape [4] je síťový graf s molekulárními druhy jako uzly (vrcholy) a mezimolekulárními interakcemi jako spojnicemi (hranami) mezi uzly. Cytoscape Core poskytuje základní funkce pro integraci libovolných dat do grafu, vizualizaci grafu a integrovaná data, nástroje pro výběr a filtrování a rozhraní k externím metodám implementovaným jako zásuvné moduly [11] .
Vizualizace sítěV Cytoscape [4] jsou možné různé způsoby vizuálního znázornění sítí (grafů): cyklické, ve formě stromu, řízené silou [12] atd. Uživatel si také může analyzovanou síť organizovat po svém. Úrovně výrazů a p- hodnoty superponované na síti mohou být zobrazeny jako barva vrcholů nebo hran, tloušťka nebo barva okrajových čar atd. Uživatel může používat hotová vizualizační schémata a nezávisle je upravovat [13] .
Integrace datData jsou integrována s grafickým modelem pomocí atributů ( Attributes ). Jedná se o páry (název, hodnota), které mapují názvy uzlů nebo hran na konkrétní datové hodnoty. Hodnoty atributů mohou být libovolného typu (například textové řetězce, diskrétní nebo spojitá čísla, adresy URL nebo seznamy) a jsou buď načteny z úložiště dat, nebo generovány dynamicky v relaci. Grafické prohlížeče umožňují uživateli zobrazit všechny atributy vybraných uzlů a hran [14] .
Předávání anotacíZatímco atribut je predikát uzlu nebo hrany, Anotace představuje hierarchickou klasifikaci (tj. formálně orientovaný graf bez cyklů) popisů uzlů nebo skupin hran. Anotace obvykle odpovídají existujícímu úložišti znalostí, které je velké, složité a relativně statické. Cytoscape kombinuje anotace s jinými typy dat sítě předáním požadovaných úrovní anotací na atributech uzlu nebo hran. Pomocí ovladače anotací je možné mít aktivních a současně zobrazených více úrovní anotace, každou jako samostatný atribut na požadovaných uzlech nebo hranách [15] .
Vizualizace grafuJedním z nejzákladnějších nástrojů pro interpretaci dat molekulární interakce je vizualizace uzlů a hran jako 2D sítě. Cytoscape podporuje řadu automatizovaných algoritmů rozvržení sítě, včetně hierarchického a kruhového rozvržení [16] .
Vizualizace atributůVizualizace takových atributů, jako je genová exprese a p-hodnota . Cytoscape podporuje širokou škálu vizuálních vlastností, jako je barva uzlu, tvar a velikost, barva a tloušťka okraje uzlu, barva hran, tloušťka a styl. K vizualizaci atributů dochází pomocí vyhledávací tabulky nebo interpolace v závislosti na tom, zda je atribut diskrétní nebo spojitý [15] .
Hledání a filtrování částí grafuAby se snížila složitost sítě s velkou molekulární interakcí, je nutné selektivně zobrazovat podmnožiny uzlů a hran. Uzly a hrany lze vybírat podle široké škály kritérií, včetně výběru podle názvu, seznamu jmen nebo atributu. Složitější dotazy na výběr sítě jsou podporovány sadou filtrovacích nástrojů, které zahrnují minimální filtr sousedů, který vybírá uzly s minimálním počtem sousedů v dané vzdálenosti v síti; místní filtr vzdálenosti, který vybírá uzly v dané vzdálenosti ze skupiny předem vybraných uzlů; kombinovaný filtr, který vybírá uzly libovolně a/nebo pomocí kombinací jiných filtrů a další. Cytoscape umožňuje vyhledávat vrcholy nebo hrany podle jejich názvů [16] [17] .
Výběr vrcholů nebo hranUživatel si může vybrat podsíť vrcholů a/nebo hran, které mají nějaké vlastnosti. Uživatel může například vybrat všechny vrcholy, které mají stupeň větší než nastavený práh, mají specifickou funkční anotaci nebo všechny vrcholy, které reprezentují geny, jejichž úroveň exprese se alespoň v jednom experimentu hodně změnila podle načtené p-hodnoty. spolu s údaji o úrovni výrazu. Uživatel může vytvořit novou síť výběrem části předchozí [16] .
Hledat moduly a clusteryCytoscape umožňuje při zkoumání genových interakčních sítí hledat jednotlivé oblasti, které se skládají z genů s vysokou expresní aktivitou. Navíc v jakémkoli studovaném objektu je možné hledat oblasti s vysokou konektivitou prvků nebo shluků [16] .
Podpora mnoha formátůCytoscape podporuje mnoho standardních formátů, které zprostředkovávají molekulární interakce a jejich anotace: SIF (Simple Interaction Format), GML, XGMML, BioPAX, PSI-MI, GraphML , KGML (KEGG XML), SBML, OBO a Gene Association. Program podporuje textové soubory s oddělovači i formát Microsoft Excel . Uživatel může importovat soubory obsahující data o úrovních genové exprese a anotaci GO , načítat a ukládat libovolné atributy na vrcholy a hrany sítě (grafu). Například vrcholům označujícím proteiny lze přiřadit jejich funkci a hranám označujícím interakce mezi proteiny, spolehlivost těchto interakcí, tyto informace lze získat z databáze STRING [16] .
InteroperabilitaVzhledem k tomu, že Cytoscape podporuje širokou škálu formátů, lze jej snadno kombinovat s dalšími programy. Pokud uživatel například pracoval se sítěmi v programech igraph nebo Bioconductor, může Cytoscape stáhnout výstupní soubory těchto programů, analyzovat a uložit výsledky například ve formátu PSI-MI, které pak mohou být použity pro zpracování jiné bioinformatické programy nebo skripty [16] .
Komunikace s externími databázemiCytoscape je schopen se připojit přímo k databázím třetích stran, sítím pro stahování a anotacím. Příklady použitých databází: Pathway Commons, IntAct, BioMart, NCBI Entrez Gene [16] .
Ukládání relaceAktuální stav práce lze uložit jako soubor session, který obsahuje všechna nastavení, analyzované sítě, jejich vizualizaci, styly, stav pracovního okna, plug-iny atd. Soubor session má Cytoscape Session (.cys) prodloužení [16] .
Ukládání obrázkůCytoscape umožňuje ukládat obrázky ve vysoké kvalitě. Podporuje následující formáty: PDF , PS , SVG , PNG , JPEG a BMP [16] .
ZobrazitProhlížení sítí v Cytoscape usnadňuje možnost přibližování a oddalování snímků, jejich posouvání a ruční úpravy. Pro snazší práci s obrovskými sítěmi (například těmi, které obsahují více než 100 000 vrcholů nebo hran) je zde okno „ptačí perspektivy“ [16] .
Správce aplikací a Cytoscape App StorePro tento program jsou k dispozici aplikace pro studium sítí a molekulárních profilů. Cytoscape je postaven na platformě Java, takže můžete vytvářet další aplikace pro import dat, analýzu a vizualizaci. Mnoho aplikací je dostupných na Cytoscape App Store. Většinu aplikací lze nainstalovat pomocí Správce aplikací nebo přímo z App Store [18] [16] .
Podpora dalších jazykůCytoscape používá standard 2bitového kódování znaků. V datových souborech můžete použít jakýkoli jazyk. Mnoho funkcí a aplikací Cytoscape podporuje více jazyků, včetně ruštiny a východní Asie [16] .
Pluginy jsou výkonná rozšíření pro implementaci nových algoritmů, dodatečné síťové analýzy a biologické sémantiky. Pluginy přistupují k modelu hlavní sítě a mohou také řídit, jak je síť zobrazena. Zatímco Cytoscape Core je software s otevřeným zdrojovým kódem , pluginy jsou samostatný software, na který se může vztahovat jakákoli licence v závislosti na autorech pluginů [19] [16] .
WikiPathwaysWikiPathways je databáze biologických cest spravovaná vědeckou komunitou. Každá cesta v databázi je opatřena identifikátory, které lze použít pro výpočty a vizualizaci dat. Plugin WikiPathways pro Cytoscape je dostupný v App Store [20] .
Legend CreatorPlugin pro vytváření legend v Cytoscape. Přidává ovládací panel, který dokáže skenovat web a šablonu stylů a generovat legendu pro každou charakteristiku. Jeho hlavní funkcí je přidat barevný gradient pro kvantifikaci hodnoty atributů [21] [22] .
GNCGNC je nový zásuvný modul Cytoscape pro hodnocení biologické koherence genových sítí ve srovnání se standardní. Zásuvný modul GNC používá algoritmus GNC k vyhodnocení biologické koherence genových sítí. Plugin byl integrován do Cytoscape, aby se zvýšila dostupnost algoritmu pro uživatele. Tato integrace umožnila uživateli analyzovat nejen globální biologickou konzistenci sítě, ale také biologickou konzistenci na úrovni genových vztahů. To umožňuje uživateli používat Cytoscape k další analýze a vizualizaci sítí [23] .
ReNEReNE je Cytoscape 3.x plugin navržený tak, aby automaticky obohatil standardní genově založenou regulační síť o podrobnější transkripční , post-transkripční a translační data. Výsledkem je rozšířená síť, která přesněji modeluje skutečné biologické regulační mechanismy. ReNE může automaticky importovat rozložení sítě z Reactome nebo KEGG nebo pracovat s vlastními cestami popsanými pomocí standardního formátu dat OWL/XML , který akceptuje procedura importu Cytoscape. ReNE navíc umožňuje výzkumníkům kombinovat více cest přicházejících z různých zdrojů. Výsledná rozšířená síť je stále plně funkční sítí Cytoscape, kde jsou každý regulační prvek ( transkripční faktor , miRNA , gen , protein ) a regulační mechanismus (up-regulace/down-regulace) jasně vizuálně identifikovány, což umožňuje lepší vizuální pochopení jejich role. a dopad na chování sítě. Pokročilá síť vytvořená ReNE je exportována do různých formátů pro další analýzu prostřednictvím aplikací třetích stran. ReNE rozšiřuje síť pouze integrací dat z veřejně dostupných zdrojů, bez jakýchkoli závěrů či předpovědí [24] .
NOANOA je Cytoscape plugin používaný pro analýzu ontologie sítě . Implementovaný algoritmus NOA je založen na obohacování sítě rozšířením anotací genové ontologie na odkazy na sítě nebo okraje grafu. Tento plugin usnadňuje analýzu jedné nebo více sítí Cytoscape podle uživatelem zadaných parametrů. Plug-in prezentuje výsledky ve formě tabulek, dále generuje tepelné mapy a sestavuje přehled sítí z Cytoscape [25] .
Cluster MakerClusterMaker je zásuvný modul Cytoscape, který implementuje několik shlukovacích a vizualizačních algoritmů , které lze použít nezávisle nebo v kombinaci k analýze a vizualizaci biologických datových sad a k ověření nebo generování hypotéz o biologické funkci. Plugin poskytuje výsledky ve formě sítě, dendrogramu a tepelné mapy [26] .
CytoClusterCytoCluster je plugin Cytoscape pro shlukovou analýzu biologických sítí. CytoCluster integruje šest shlukovacích algoritmů. Jmenovitě: HC-PIN (algoritmus pro hierarchické shlukování sítí proteinových interakcí), OH-PIN (identifikace překrývajících se a hierarchických modulů sítí proteinových interakcí), IPCA (algoritmus pro identifikaci komplexních proteinů), ClusterONE (shlukování s překrývajícím se sousedským rozšířením) , DCU Function (detekční komplexy založené na modelu neurčitého grafu), IPC-MCE (identifikace proteinových komplexů na základě komplexu maximální expanze) a BinGO (genová ontologie biologických sítí). Uživatel si může vybrat libovolný z uvedených shlukovacích algoritmů podle svých požadavků. Hlavní funkcí těchto šesti shlukovacích algoritmů je detekce proteinových komplexů nebo funkčních modulů. Kromě toho lze BinGO použít k určení, které kategorie genové ontologie (GO) jsou statisticky reprezentovány vícekrát v genové sadě nebo podgrafu biologické sítě [27] .
StringAppSTRING je jedním z nejoblíbenějších zdrojů proteinových sítí, ale jeho webové rozhraní je určeno především pro testování malých sítí a související důkazy. Software Cytoscape se mnohem lépe hodí pro velké sítě a nabízí větší flexibilitu, pokud jde o analýzu sítě, import a vizualizaci dalších dat. V tomto ohledu byl vytvořen plugin stringApp, který kombinuje Cytoscape STRING. To zjednodušuje import STRING do Cytoscape, zachovává vzhled a dojem z mnoha funkcí STRING a integruje data ze souvisejících databází [28] .
CyClust3DCyClust3D je plugin pro shlukování motivů sítí integrovaných do sítí. Tradiční algoritmy shlukování grafů nedokážou detekovat husté topologické struktury nebo funkční moduly, do kterých se shromažďují motivy sítí integrovaných do molekulárních sítí. Plugin CyClust3D umožňuje detekovat takové moduly shlukováním motivů kompozitní tříuzlové sítě pomocí 3D spektrálního shlukovacího algoritmu [29] .
PiNGOPiNGO je Cytoscape plugin pro hledání kandidátních genů pro biologické sítě. PiNGO je nástroj pro screening biologických sítí na kandidátní geny, tj. geny, u kterých se předpokládá, že budou zapojeny do biologického procesu, který je předmětem zájmu. Uživatel může zúžit vyhledávání na geny se specifickými známými funkcemi nebo vyloučit geny patřící do určitých funkčních tříd. PiNGO poskytuje podporu pro širokou škálu organizmů a schémat klasifikace genové ontologie a lze jej snadno přizpůsobit pro jiné organismy a funkční klasifikace [30] .