| Cytoscape | |
|---|---|
| Type | Billedbehandling |
| Forfatter | Institut for Systembiologi |
| Skrevet i | Java [1] |
| Operativ system | macOS , Microsoft Windows og Linux |
| Første udgave | 2002 |
| Hardware platform | Java virtuel maskine |
| nyeste version | |
| Licens | GNU LGPL [3] |
| Internet side | cytoscape.org _ |
| Mediefiler på Wikimedia Commons | |
Cytoscape ( [ˌsaɪtə(u)'skeɪp] , sitescape , på russisk bioinformatisk slang - cytoscape ) er en open source bioinformatikplatform designet til at visualisere netværk af molekylære interaktioner og biologiske veje med mulighed for at bruge yderligere data, såsom funktionel annotering, information om niveauet af genekspression og andre. På trods af at Cytoscape oprindeligt blev udviklet til biologisk forskning, er det nu meget brugt til at løse forskellige netværksanalyse- og visualiseringsproblemer [4] .
Cytoscape blev udviklet på Institute for Systems Biology i Seattle i 2002. Den første version af programmet, Cytoscape 0.8 [5] , blev udgivet i juli 2002, efterfulgt af udgivelser 0.9 og 1.0 i henholdsvis november 2002 og marts 2003. 2.0-serien blev opdateret fra 2004 til 2012, hvorefter 3.xx-serien blev lanceret i 2013. Den sidste større opdatering af programmet blev udgivet i 2014 med udgivelsen af Cytoscape v3.3, som omorganiserede de vigtigste interne datamodeller og væsentligt forbedrede understøttelse af tredjepartsapplikationer og plugins [6] .
Før version 3.3 bestod Cytoscape af en kerne og yderligere plugins. Fra og med version 3.3 er nogle funktioner i Core blevet opdelt i kerne-plugins. Kernen er koden, der organiserer, viser, læser og skriver netværk, men som ikke indeholder biologiske funktioner. Core Plugins er forudinstallerede moduler, der udfører andre funktioner end Core, men som er nødvendige for at bruge Cytoscape. I modsætning til tidligere versioner af Cytoscape kan kerne Plugin-funktionalitet opdateres uden at frigive en ny større Cytoscape-opdatering [6] . Der er også yderligere plugins (tilgængelige i App Store), som giver dig mulighed for at udføre visse opgaver [7] . Siden version 3.6.1 installerer Cytoscape automatisk den seneste version af Java til at arbejde med [6] .
Programmet er nu understøttet af International Open Source Consortium . Til dato er den seneste version af Cytoscape version 3.8. Den indeholder forbedringer af ydeevne og netværksgengivelse og forbedret NDEx-serviceintegration . Den nye version har evnen til at bruge til reproducerbar high-throughput analyse, multiskala netværk, netværk af protein-protein interaktioner , tilgængelig omics analyse [6] .
En af de langsigtede planer er at integrere Cytoscape og NDEx tæt, så brugerne naturligt kan downloade og gemme deres netværk ved hjælp af NDEx-tjenesten [6] .
Cytoscape eksporterer i øjeblikket netværket som en fil, der kan bruges som supplerende materiale til en tidsskriftsartikel. Tidsskriftsudgiverens online artikelfremviser kan frit vise netværket i en interaktiv fremviser, der giver brugeren mulighed for at zoome ind på netværket og flytte noder [6] .
På trods af at Cytoscape-simuleringsmiljøet er udviklet til biologiske opgaver, kan dette program anvendes på mange andre områder [4] .
I biologi
|
Specifikke eksempler fra 2019-artikler :
|
I sociologi
|
Omfattende netværksanalyse |
Hoveddelen af Cytoscape [4] er en netværksgraf med molekylære arter som noder (hjørnepunkter) og intermolekylære interaktioner som links (kanter) mellem noder. Cytoscape Core giver kernefunktionalitet til integration af vilkårlige data på en graf, grafvisualisering og integrerede data, udvælgelses- og filtreringsværktøjer og en grænseflade til eksterne metoder implementeret som plug-ins [11] .
NetværksvisualiseringI Cytoscape [4] er forskellige måder til visuel repræsentation af netværk (grafer) mulige: cyklisk, i form af et træ, force-directed [12] osv. Brugeren kan også organisere det analyserede netværk på sin egen måde. Udtryksniveauer og p -værdier overlejret på netværket kan vises som farven på hjørner eller kanter, tykkelsen eller farven på kantlinjer osv. Brugeren kan bruge færdige visualiseringsskemaer og tilpasse dem uafhængigt [13] .
DataintegrationData integreres med den grafiske model ved hjælp af attributter ( Attributter ). Disse er (navn, værdi) par, der knytter node- eller kantnavne til specifikke dataværdier. Attributværdier kan være af enhver type (for eksempel tekststrenge, diskrete eller kontinuerlige tal, URL'er eller lister) og enten indlæses fra et datalager eller genereres dynamisk i en session. Grafiske browsere giver brugeren mulighed for at se alle attributter for udvalgte noder og kanter [14] .
Sender annoteringerMens en attribut er et knude- eller kantprædikat, repræsenterer en annotering en hierarkisk klassifikation (det vil sige formelt set en rettet graf uden cyklusser) af knude- eller kantgruppebeskrivelser. Annoteringer svarer normalt til et eksisterende videnlager, der er stort, komplekst og relativt statisk. Cytoscape kombinerer annoteringer med andre netværksdatatyper ved at videregive ønskede annotationsniveauer på node- eller kantattributter. Ved at bruge en annotationscontroller er det muligt at have flere annotationsniveauer aktive og vist på samme tid, hver som en separat attribut på de nødvendige noder eller kanter [15] .
GrafvisualiseringEt af de mest fundamentale værktøjer til fortolkning af molekylære interaktionsdata er visualiseringen af noder og kanter som et 2D-netværk. Cytoscape understøtter en række automatiserede netværkslayoutalgoritmer, herunder hierarkiske og cirkulære layouts [16] .
AttributvisualiseringVisualisering af sådanne attributter som genekspression og p-værdi . Cytoscape understøtter en lang række visuelle egenskaber såsom nodefarve, form og størrelse, nodekantfarve og tykkelse, kantfarve, tykkelse og stil. Attributvisualisering sker ved hjælp af en opslagstabel eller interpolation, afhængigt af om attributten er diskret eller kontinuerlig [15] .
Find og filtrering af dele af en grafFor at reducere kompleksiteten af et netværk med stor molekylær interaktion er det nødvendigt at vise delmængder af noder og kanter selektivt. Noder og kanter kan vælges i henhold til en lang række kriterier, herunder valg efter navn, liste over navne eller attribut. Mere komplekse netværksudvælgelsesforespørgsler understøttes med et sæt filtreringsværktøjer, der inkluderer et minimum nabofilter, der udvælger noder med det mindste antal naboer i en given afstand i netværket; et lokalt afstandsfilter, der udvælger knudepunkter i en given afstand fra en gruppe af forudvalgte knudepunkter; et kombineret filter, der vælger noder vilkårligt og/eller ved hjælp af kombinationer af andre filtre og andre. Cytoscape giver dig mulighed for at søge efter hjørner eller kanter ved deres navne [16] [17] .
Valg af hjørner eller kanterBrugeren kan vælge et undernet af hjørner og/eller kanter, der har nogle egenskaber. For eksempel kan brugeren vælge alle hjørner, der har en grad større end en fastsat tærskel, har en specifik funktionel annotering eller alle knudepunkter, der repræsenterer gener, hvis ekspressionsniveau har ændret sig meget i mindst ét eksperiment i henhold til den indlæste p-værdi sammen med data på udtryksniveau. . Brugeren kan oprette et nyt netværk ved at vælge en del af det forrige [16] .
Søg efter moduler og klyngerNår man udforsker geninteraktionsnetværk, gør Cytoscape det muligt at søge efter individuelle regioner, der består af gener med høj ekspressionsaktivitet. Desuden er det i ethvert objekt, der undersøges, muligt at søge efter områder med en høj forbindelse af elementer eller klynger [16] .
Understøttelse af mange formaterCytoscape understøtter mange standardformater, der formidler molekylære interaktioner og deres annoteringer: SIF (Simple Interaction Format), GML, XGMML, BioPAX, PSI-MI, GraphML , KGML (KEGG XML), SBML, OBO og Gene Association. Afgrænsede tekstfiler samt Microsoft Excel -formatet understøttes af programmet. Brugeren kan importere filer, der indeholder data om genekspressionsniveauer og GO - annotering, indlæse og gemme vilkårlige attributter på hjørnerne og kanterne af netværket (graf). For eksempel kan hjørner, der angiver proteiner, tildeles deres funktion, og kanter, der angiver interaktioner mellem proteiner, pålideligheden af disse interaktioner, denne information kan fås fra STRING-databasen [16] .
InteroperabilitetPå grund af det faktum, at Cytoscape understøtter en lang række formater, kan det nemt kombineres med andre programmer. Hvis en bruger for eksempel arbejdede med netværk i igraph- eller Bioconductor-programmerne, kan Cytoscape downloade outputfilerne fra disse programmer, analysere og gemme resultaterne, for eksempel i PSI-MI-formatet, som derefter kan bruges til behandling af andre bioinformatiske programmer eller scripts [16] .
Kommunikation med eksterne databaserCytoscape er i stand til at oprette forbindelse direkte til tredjeparts databaser, downloade netværk og annotering. Eksempler på anvendte databaser: Pathway Commons, IntAct, BioMart, NCBI Entrez Gene [16] .
Gemmer en sessionDen aktuelle arbejdstilstand kan gemmes som en sessionsfil, der inkluderer alle indstillinger, analyserede netværk, deres visualisering, stilarter, arbejdsvinduets tilstand, plug-ins osv. Sessionsfilen har Cytoscape Session (.cys) forlængelse [16] .
Lagring af billederCytoscape giver dig mulighed for at gemme billeder i høj kvalitet. Understøtter følgende formater: PDF , PS , SVG , PNG , JPEG og BMP [16] .
VisVisning af netværk i Cytoscape er lettet af muligheden for at zoome ind og ud af billeder, rulle dem og manuel redigering. For at gøre det nemmere at arbejde med enorme netværk (for eksempel dem, der indeholder mere end 100.000 hjørner eller kanter), er der et "fugleperspektiv"-vindue [16] .
Application Manager og Cytoscape App StoreAnsøgninger til undersøgelse af netværk og molekylære profiler er tilgængelige for dette program. Cytoscape er bygget på Java-platformen, så du kan oprette yderligere applikationer til dataimport, analyse og visualisering. Mange applikationer er tilgængelige på Cytoscape App Store. De fleste applikationer kan installeres ved hjælp af App Manager eller direkte fra App Store [18] [16] .
Understøttelse af andre sprogCytoscape bruger en 2-bit tegnkodningsstandard. Du kan bruge et hvilket som helst sprog i datafiler. Mange Cytoscape-funktioner og -applikationer understøtter flere sprog, inklusive russisk og østasiatisk [16] .
Plugins er kraftfulde udvidelser til implementering af nye algoritmer, yderligere netværksanalyse og biologisk semantik. Plugins får adgang til Core-netværksmodellen og kan også styre, hvordan netværket vises. Mens Cytoscape Core er open source-software , er plugins separat software, der kan være dækket af enhver licens, afhængigt af forfatterne af plugins [19] [16] .
WikiPathwaysWikiPathways er en database over biologiske veje, der vedligeholdes af det videnskabelige samfund. Hver sti i databasen er forsynet med identifikatorer, der kan bruges til beregninger og datavisualisering. WikiPathways plugin til Cytoscape er tilgængelig fra App Store [20] .
Legend CreatorPlugin til at skabe legender i Cytoscape. Det tilføjer et kontrolpanel, der kan scanne internettet og stylesheet for at generere en forklaring for hver funktion. Dens hovedfunktion er at tilføje en farvegradient for at kvantificere værdien af attributter [21] [22] .
GNCGNC er et nyt Cytoscape plug-in til vurdering af den biologiske sammenhæng i gennetværk ved sammenligning med standarden. GNC-plugin'et bruger GNC-algoritmen til at evaluere den biologiske sammenhæng i gennetværk. Pluginnet er blevet integreret i Cytoscape for at øge tilgængeligheden af algoritmen for brugerne. Denne integration gjorde det muligt for brugeren at analysere ikke kun netværkets globale biologiske konsistens, men også den biologiske konsistens på niveauet af genforhold. Dette giver brugeren mulighed for at bruge Cytoscape til yderligere at analysere og visualisere netværk [23] .
ReNEReNE er et Cytoscape 3.x-plugin designet til automatisk at berige et standard gen-baseret regulatorisk netværk med mere detaljerede transskriptionelle , post-transkriptionelle og translationelle data. Resultatet er et udvidet netværk, der mere præcist modellerer faktiske biologiske reguleringsmekanismer. ReNE kan automatisk importere et netværkslayout fra Reactome eller KEGG eller arbejde med brugerdefinerede stier beskrevet ved hjælp af standard OWL/XML -dataformatet , som Cytoscape-importproceduren accepterer. Derudover giver ReNE forskere mulighed for at kombinere flere veje, der kommer fra forskellige kilder. Det resulterende udvidede netværk er stadig et fuldt funktionelt Cytoscape-netværk, hvor hvert regulatorisk element ( transkriptionsfaktor , miRNA , gen , protein ) og reguleringsmekanisme (opregulering/nedregulering) er klart visuelt identificeret, hvilket giver mulighed for bedre visuel forståelse af deres rolle og indflydelse på netværksadfærd. Det avancerede netværk skabt af ReNE eksporteres til forskellige formater til yderligere analyse gennem tredjepartsapplikationer. ReNE udvider netværket ved kun at integrere data fra offentligt tilgængelige kilder uden nogen konklusioner eller forudsigelser [24] .
NOANOA er et Cytoscape-plugin, der bruges til netværksontologianalyse . Den implementerede NOA-algoritme er baseret på netværksberigelse ved at udvide Gene Ontology -annoteringer til links til netværk eller grafkanter. Dette plugin gør det nemt at analysere et eller flere Cytoscape-netværk i henhold til brugerspecificerede parametre. Plug-in'et præsenterer resultaterne i form af tabeller, og genererer desuden varmekort og kompilerer en oversigt over netværk fra Cytoscape [25] .
Cluster MakerClusterMaker er et Cytoscape-plugin, der implementerer flere klynge- og visualiseringsalgoritmer , der kan bruges uafhængigt eller i kombination til at analysere og visualisere biologiske datasæt og til at validere eller generere hypoteser om biologisk funktion. Pluginnet giver resultater i form af et netværk, dendrogram og varmekort [26] .
CytoClusterCytoCluster er et Cytoscape-plugin til klyngeanalyse af biologiske netværk. CytoCluster integrerer seks klyngealgoritmer. Nemlig: HC-PIN (Algorithm for Hierarchical Clustering of Protein Interaction Networks), OH-PIN (Identification of Overlapping and Hierarchical Modules of Protein Interaction Networks), IPCA (Algorithm for Identification of Complex Proteins), ClusterONE (Clustering with Overlapping Neighbor Extension) , DCU Funktion (Detektionskomplekser baseret på den ubestemte grafmodel), IPC-MCE (identifikation af proteinkomplekser baseret på det maksimale ekspansionskompleks) og BinGO (genontologi af biologiske netværk). Brugeren kan vælge enhver af de listede klyngealgoritmer i henhold til deres krav. Hovedfunktionen af disse seks klyngealgoritmer er at detektere proteinkomplekser eller funktionelle moduler. Desuden kan BinGO bruges til at bestemme, hvilke Gene Ontology (GO) kategorier der er statistisk repræsenteret flere gange i et gensæt eller biologisk netværksundergraf [27] .
StringAppSTRING er en af de mest populære kilder til proteinnetværk, men dens webgrænseflade er primært beregnet til at teste små netværk og relaterede beviser. Cytoscape-softwaren er meget bedre egnet til store netværk og tilbyder mere fleksibilitet med hensyn til netværksanalyse, import og visualisering af yderligere data. I denne henseende blev stringApp-plugin'et oprettet, som kombinerer Cytoscape STRING. Dette forenkler importen af STRING'er til Cytoscape, bevarer udseendet og følelsen af mange STRING-funktioner og integrerer data fra relaterede databaser [28] .
CyClust3DCyClust3D er et plugin til at gruppere motiver af netværk integreret i netværk. Traditionelle grafklyngealgoritmer kan ikke detektere tætte topologiske strukturer eller funktionelle moduler, hvori motiver af netværk integreret i molekylære netværk er samlet. CyClust3D-plugin'et gør det muligt at detektere sådanne moduler ved at klynge sammensatte tre-node netværksmotiver ved hjælp af 3D-spektralklyngealgoritmen [29] .
PiNGOPiNGO er et Cytoscape-plugin til at finde kandidatgener til biologiske netværk. PiNGO er et værktøj til screening af biologiske netværk for kandidatgener, det vil sige gener, der forudsiges at være involveret i en biologisk proces af interesse. Brugeren kan indsnævre søgningen til gener med specifikke kendte funktioner eller udelukke gener, der tilhører bestemte funktionelle klasser. PiNGO yder støtte til en bred vifte af organismer og genontologiklassifikationsordninger og kan nemt tilpasses til andre organismer og funktionelle klassifikationer [30] .