network motifs - Instytut Informatyki

ii.pwr.wroc.pl

network motifs - Instytut Informatyki

Detekcja motywów w złożonych

strukturach sieciowych – perspektywy

zastosowań

Krzysztof Juszczyszyn

Instytut Informatyki Technicznej PWr


MOTYWY SIECIOWE -NETWORK MOTIFS

1. Co to jest

2. Jak mierzyć

3. Gdzie i jak (szybko) szukać

4. Interpretacje

5. Software

6. Perspektywy, kontrowersje...


NETWORK MOTIFS

Motyw sieciowy (network motif):

wzorzec połączeń między węzłami ( podgraf), występujący

znacznie częściej niż w grafie losowym o tych samych

parametrach ( liczba węzłów, połączeń, rozkład stopni

węzłów,...).

R Milo, S Shen-Orr, S Itzkovitz, N Kashtan, D Chklovskii & U Alon,

Network Motifs: Simple Building Blocks of Complex Networks

Science, 298:824-827 (2002).


NETWORK MOTIFS

Początek: dlaczego bioinformatyka

- nieporównywalne z innymi dziedzinami repozytoria danych (ilość).

- wieloletnie badania struktur sieciowych (sieci metaboliczne, regulacji

genów, katalityczne, komórkowe... - szczegółowość).

- powyższe w odniesieniu do wielu organizmów (różnorodność)

Pojawienie się / poszukiwania standardowych metod klasyfikacji,

badania, modelowania ewolucyjnego struktur sieciowych.

Computer science - inspiracje...

Jeśli TAK – jakie będą różnice w porównaniu z podejściem do sieci

informacyjnych/społecznych/informatycznych...


NETWORK MOTIFS

Systemy sieciowe

- analogie...


NETWORK MOTIFS

Typowe rozmiary motywów 3-7 węzłów.

Miary obecności motywów w sieciach:

Z-score – najpopularniejsza miara statystyczna.

Koncentracja C – w porównaniu z innymi motywami.


„Real” sieci regulacji genów w prostych organizmach.

Motyw: feed forward loop :


NETWORK MOTIFS

Występowanie:

Wszędzie: Sieci informacyjne,

społeczne, biologiczne, ewolucyjne,

biochemiczne,... praktycznie

każda nielosowa (czyt: rzeczywista)

struktura sieciowa (pod warunkiem

odpowiedniej skali).

„wszędzie” nie znaczy „te same”

ani też „w takich samych

proporcjach”...

(bakteria E.coli – sieć regulacji genów)


NETWORK MOTIFS

„Network fingerprint”

Skala !

TSP: „Networks’ fingerprints”


NETWORK MOTIFS

W bioinformatyce:

- Profile TSP dla kilku typów sieci (genom, metabolizm, synteza

białek) oraz kilkudziesięciu organizmów na różnych stadiach

rozwoju ewolucyjnego.

- Pierwsze (2006-2007) propozycje klasyfikacji ewolucyjnej,

szybkiego ustalania pokrewieństwa organizmów na podstawie

profili TSP.


NETWORK MOTIFS

Wykrywanie motywów:

1. Przegląd zupełny grafu sieci.

Złożone obliczenia, dla motywów 5-7 węzłowych oraz sieci

k*mln węzłów - nie praktykuje się.

2. Próbkowanie sieci (network sampling)

Tanio - maksymalnie O(n 2 )


NETWORK MOTIFS

Network sampling – motywy n-węzłowe


NETWORK MOTIFS

Network sampling:


Network sampling – wyniki

WWW; 325tys. węzłów, 1.46mln połączeń

(Barabasi & Albert, 1999)

NETWORK MOTIFS


Network sampling – wyniki

NETWORK MOTIFS

Dla porównania: przegląd zupełny: ~1.4mln motywów.


Network sampling – wyniki

NETWORK MOTIFS


NETWORK MOTIFS

Co dalej

Kolorowanie motywów – wagi krawędzi.

Symulacje wskazują korelację między topologią sieci (np. lokalność

połączeń) a „stężeniem” motywów.

Artificial Intelligence in Medicine (2007) 41, 117—127


NETWORK MOTIFS

Motywy a funkcje elementów sieci (obecnie znane

interpretacje/zastosowania: biochemia).


Software:

NETWORK MOTIFS

http://www.minet.uni-jena.de/~wernicke/motifs/index.html

http://mavisto.ipk-gatersleben.de/

http://www.weizmann.ac.il/mcb/UriAlon/


NETWORK MOTIFS

Open questions & challenges :

Możliwości reinterpretacji dla systemów informacyjnych/

społecznych/informatycznych:

• Motywy z wagami/etykietami...-

• Motywy w klasyfikacji sieci danego typu -

• Motywy szczególne w danej klasie sieci (a są Interpretacja) -

Motywy jako takie:

• „Geografia motywów” w sieci (wpływ na własności i ewolucję) -

Wymiar czasowy – ewolucja systemów:

• Szansa na „zdjęcia poklatkowe” szybkozmiennych struktur sieci-

• Motywy a ewolucja sieci -

• Motywy a zjawiska krytyczne w sieciach -

• Motywy jako „czynnik sterujący”systemu sieciowego -


NETWORK MOTIFS

DZIĘKUJĘ

ZA UWAGĘ

More magazines by this user
Similar magazines