Cytoscape

Основная часть Cytoscape[4] представляет собой сетевой граф с молекулярными видами в качестве узлов (вершин) и межмолекулярных взаимодействий в качестве связей (ребер) между узлами. Cytoscape Core предоставляет базовую функциональность для интеграции произвольных данных на графе, визуального представления графа и интегрированных данных, инструментов выделения и фильтрации и интерфейса для внешних методов, реализованных в виде подключаемых модулей[11].

В Cytoscape[4] возможны разнообразные способы визуального представления сетей (графов): циклический, в виде дерева, force-directed[12] и пр. Также пользователь может по-своему организовывать анализируемую сеть. Наложенные на сеть уровни экспрессии и значения p-value могут быть отображены в виде цвета вершин или ребер, толщины или цвета краевых линий и пр. Пользователь может воспользоваться готовыми схемами визуализации и настроить их самостоятельно[13].

Карта межмолекулярных взаимодействий типа белок-белок и белок-ДНК дрожжей, созданная с использованием Cytoscape

Данные интегрируются с графической моделью с помощью атрибутов (Attributes). Это пары (имя, значение), которые сопоставляют имена узлов или ребер определенным значениям данных. Значения атрибута могут принимать любой тип (например, текстовые строки, дискретные или непрерывные числа, URL-адреса или списки) и либо загружаются из хранилища данных, либо генерируются динамически в сеансе. Графические браузеры позволяют пользователю просматривать все атрибуты выбранных узлов и ребер[14].

В то время как атрибут является предикатом узла или ребра, Annotation представляет иерархическую классификацию (то есть, формально, ориентированный граф без циклов) описаний групп узлов или ребер. Аннотации обычно соответствуют существующему хранилищу знаний, которое является большим, сложным и относительно статическим. Cytoscape объединяет аннотации с другими сетевыми типами данных путем передачи желаемых уровней аннотации на атрибуты узлов или ребер. Используя контроллер аннотаций, можно иметь множество уровней аннотации активными и отображаемыми одновременно, каждый как отдельный атрибут на требуемых узлах или ребрах[15].

Одним из наиболее фундаментальных инструментов для интерпретации данных молекулярного взаимодействия является визуализация узлов и ребер в виде двумерной сети. Cytoscape поддерживает множество алгоритмов автоматизированной компоновки сети, включая иерархическую и круговую компоновки[16].

Визуализация таких атрибутов как экспрессия генов и p-value. Cytoscape поддерживает широкий спектр визуальных свойств, таких как цвет, форма и размер узла, цвет и толщина границы узла, цвет края, толщина и стиль. Визуализация атрибута происходит с использованием таблицы поиска или интерполяции в зависимости от того, является атрибут дискретным или непрерывным[15].

Чтобы уменьшить сложность сети с большим молекулярным взаимодействием, необходимо отображать подмножества узлов и ребер выборочно. Узлы и ребра могут быть выбраны в соответствии с широким рядом критериев, включая выбор по имени, по списку имен или на основе атрибута. Более сложные запросы выбора сети поддерживаются с помощью набора инструментов фильтрации, который включает фильтр минимальных соседних узлов, выбирающий узлы с минимальным количеством соседей на заданном расстоянии в сети; фильтр локального расстояния, который выбирает узлы на заданном расстоянии от группы предварительно выбранных узлов; комбинированный фильтр, который выбирает узлы произвольно и/или с помощью комбинаций других фильтров, и другие. Cytoscape позволяет производить поиск вершин или ребер по их названиям[16][17].

Пользователь может выделить подсеть вершин и/или ребер, обладающих какими-либо свойствами. Например, пользователь может выбрать все вершины, имеющие степень больше установленного порога, имеющие определенную функциональную аннотацию, или все вершины, обозначающие гены, чей уровень экспрессии сильно изменился хотя бы в одном эксперименте в соответствие с p-value, загруженными вместе с данными об уровнях экспрессии. Пользователь может создать новую сеть, выделив часть предыдущей[16].

При исследовании сетей взаимодействия генов Cytoscape делает возможным поиск отдельных участков, которые состоят из генов с высокой экспрессионной активностью. Более того, в любом изучаемом объекте можно осуществлять поиск участков с высокой связностью элементов, или кластеров[16].

Фрагмент сети взаимодействия белков из M. tuberculosis, визуализированной в Cytoscape. Жёлтым выделен транскрипционный фактор, функционально взаимосвязанный с многими белками. В левом нижнем углу находится связная компонента из многих белков — это NADH-дегидрогеназа со многими своими цепями.

Cytoscape поддерживает много стандартных форматов, передающих взаимодействия молекул и их аннотацию: SIF (Simple Interaction Format), GML, XGMML, BioPAX, PSI-MI, GraphML, KGML (KEGG XML), SBML, OBO и Gene Association. Текстовые файлы с разделителями, а также формат Microsoft Excel поддерживаются программой. Пользователь может импортировать файлы, содержащие данные об уровнях экспрессии генов и GO аннотацию, загружать и сохранять произвольные атрибуты на вершинах и ребрах сети (графа). Например, к вершинам, обозначающим белки, может быть приписана их функция, а к ребрам, обозначающим взаимодействия между белками, достоверность этих взаимодействий, эту информацию можно получить из базы данных STRING[16].

В силу того, что Cytoscape поддерживает широкий спектр форматов, его легко можно совмещать с другими программами. Например, если пользователь работал с сетями в программах igraph или Bioconductor, Cytoscape может загрузить файлы выдачи этих программ, провести анализ и сохранить результаты, например, в формате PSI-MI, который дальше может быть использован для обработки другими биоинформатическими программами или скриптами[16].

Cytoscape способен напрямую подключаться к сторонним базам данных, загружать сети и аннотацию. Примеры используемых баз данных: Pathway Commons, IntAct, BioMart, NCBI Entrez Gene[16].

Текущее состояние работы может быть сохранено в виде файла сессии, который включает в себя все настройки, анализируемые сети, их визуализацию, стили, состояние рабочего окна, плагинов и пр. Файл сессии имеет расширение Cytoscape Session (.cys)[16].

Cytoscape позволяет сохранять изображения в высоком качестве. Поддерживает следующие форматы: PDF, PS, SVG, PNG, JPEG и BMP[16].

Просмотр сетей в Cytoscape облегчен возможностью увеличения и уменьшения изображений, их прокрутки, ручного редактирования. Чтобы упростить работу с огромными сетями (например, содержащими более 100 000 вершин или ребер), имеется окно «вида с птичьего полета»[16].

К данной программе доступны приложения для исследования сетей и молекулярных профилей. Cytoscape создан на платформе Java, поэтому можно создавать дополнительные приложения для импорта данных, их анализа и визуализации. Множество приложений доступны на Cytoscape App Store. Большинство приложений можно устанавливать с помощью менеджера App Manager или напрямую из App Store[18][16].

Cytoscape использует 2-битовый стандарт кодирования символов. Можно использовать любой язык в файлах с данными. Многие функции и приложения Cytoscape поддерживают несколько языков, включая русский и восточно-азиатские[16].

Подключаемые модули представляют собой мощные средства расширения возможностей для реализации новых алгоритмов, дополнительного сетевого анализа и биологической семантики. Подключаемые модули получают доступ к сетевой модели Core и могут также управлять отображением сети. Хотя Cytoscape Core — это открытое программное обеспечение, плагины — это отдельное программное обеспечение, которое может быть защищено любой лицензией в зависимости от авторов плагинов[19][16].

WikiPathways — это база данных биологических путей, поддерживаемая научным сообществом. Каждый путь в базе данных снабжен идентификаторами, которые можно использовать для вычислений и визуализации данных. Плагин WikiPathways для Cytoscape доступен в App Store[20].

Плагин для создания легенд в Cytoscape. Он добавляет панель управления, которая может сканировать сеть и таблицу стилей для создания легенды для каждой характеристики. Его основной функцией является добавление цветового градиента для определения количественного значения атрибутов[21][22].

GNC — новый плагин Cytoscape для оценки биологической когерентности генных сетей путем сравнения со стандартной. GNC плагин использует GNC алгоритм для оценки биологической когерентности генных сетей. Плагин был интегрирован в Cytoscape для увеличения доступности алгоритма для пользователей. Эта интеграция позволила пользователю анализировать не только глобальную биологическую согласованность сети, но и биологическую согласованность на уровне взаимоотношений генов. Это позволяет пользователю использовать Cytoscape для дальнейшего анализа и визуализации сетей[23].

ReNE — плагин Cytoscape 3.x разработанный для автоматического обогащения стандартной регуляторной сети, созданной на основе генов с более подробными транскрипционными, посттранскрипционными и трансляционными данными. В результате получается расширенная сеть, которая точнее моделирует фактические биологические регуляторные механизмы. ReNE может автоматически импортировать сетевой макет из Reactome или KEGG или работать с пользовательскими путями, описанными с использованием стандартного формата данных OWL / XML, который принимает процедура импорта Cytoscape. Кроме того, ReNE позволяет исследователям объединять несколько путей, поступающих из разных источников. Получающаяся в результате расширенная сеть по-прежнему является полностью функциональной сетью Cytoscape, где каждый регуляторный элемент (фактор транскрипции, miRNA, ген, белок) и регуляторный механизм (повышающая регуляция / понижающая регуляция) четко визуально идентифицируются, что позволяет лучше визуально понять их роль и влияние на поведение сети. Усовершенствованная сеть, созданная ReNE, экспортируется в различные форматы для дальнейшего анализа через сторонние приложения. ReNE расширяет сеть, интегрируя данные только из общедоступных источников, без каких-либо выводов или предсказаний[24].

NOA — это плагин Cytoscape, используемый для анализа онтологии сетей. Реализованный алгоритм NOA основан на обогащении сетей, путем расширения аннотаций Gene Ontology до ссылок на сети или грани графа. Этот плагин облегчает анализ одной или нескольких сетей Cytoscape в соответствии с заданными пользователем параметрами. Плагин представляет результаты в виде таблиц, а также формирует тепловые карты и составляет обзор сетей из Cytoscape[25].

ClusterMaker — плагин Cytoscape реализующий несколько алгоритмов кластеризации и визуализации, которые можно использовать независимо или в комбинации для анализа и визуализации наборов биологических данных, а также для подтверждения или создания гипотез о биологической функции. Плагин предоставляет результаты в виде сети, дендрограммы и тепловой карты[26].

CytoCluster — плагин Cytoscape для кластерного анализа биологических сетей. CytoCluster объединяет шесть алгоритмов кластеризации. А именно: HC-PIN (алгоритм иерархической кластеризации сетей взаимодействий белков), OH-PIN (идентификация перекрывающихся и иерархических модулей сетей взаимодействий белков), IPCA (алгоритм идентификации комплексных белков), ClusterONE (кластеризация с расширением перекрывающихся соседей), функция DCU (обнаружение комплексов на основе модели неопределенного графа), IPC-MCE (идентификация белковых комплексов на основе комплекса максимального расширения) и BinGO (онтология генов биологических сетей). Пользователь может выбрать любой из перечисленных алгоритмов кластеризации в соответствии со своими требованиями. Основная функция этих шести алгоритмов кластеризации заключена в обнаружении белковых комплексов или функциональных модулей. Более того, BinGO можно использовать для определения того, какие категории Gene Ontology (GO) статистически представлены несколько раз в наборе генов или подграфе биологической сети[27].

STRING является одним из самых популярных источников белковых сетей, однако её веб-интерфейс в основном предназначен для проверки небольших сетей и соответствующих доказательств. Программное обеспечение Cytoscape намного лучше подходит для работы с большими сетями и предлагает большую гибкость в плане сетевого анализа, импорта и визуализации дополнительных данных. В связи с этим, был создан плагин stringApp, объединяющий Cytoscape STRING. И тем самым упрощает импорт сетей STRING в Cytoscape, сохраняет внешний вид и многие функции STRING, а также интегрирует данные из связанных баз данных[28].

CyClust3D — плагин для кластеризации мотивов сетей интегрированных в сети. Традиционные алгоритмы кластеризации графов не могут обнаружить плотные топологические структуры или функциональные модули, в которые собираются мотивы сетей интегрированные в молекулярные сети. Плагин CyClust3D позволяет обнаруживать такие модули с помощью кластеризации составных трехузловых сетевых мотивов с использованием алгоритма трехмерной спектральной кластеризации[29].

PiNGO — плагин Cytoscape для поиска генов кандидатов в биологические сети. PiNGO представляет собой инструмент для скрининга биологических сетей на наличие генов-кандидатов, то есть генов, которые, как предсказывают, будут вовлечены в интересующий биологический процесс. Пользователь может сузить поиск до генов с конкретными известными функциями или исключить гены, принадлежащие к определенным функциональным классам. PiNGO обеспечивает поддержку широкого спектра организмов и схем классификации генной онтологии, и его можно легко настроить для других организмов и функциональных классификаций[30].