Comparison of evolutionary algorithms in gene regulatory network model inference

Background: The evolution of high throughput technologies that measure gene expression levels has created a data base for inferring GRNs (a process also known as reverse engineering of GRNs). However, the nature of these data has made this process very di±cult. At the moment, several methods of discovering qualitative causal relationships between genes with high accuracy from microarray data exist, but large scale quantitative analysis on real biological datasets cannot be performed, to date, as existing approaches are not suitable for real microarray data which are noisy and insu±cient. Results: This paper performs an analysis of several existing evolutionary algorithms for quantitative gene regulatory network modelling. The aim is to present the techniques used and o®er a comprehensive comparison of approaches, under a common framework. Algorithms are applied to both synthetic and real gene expression data from DNA microarrays, and ability to reproduce biological behaviour, scalability and robustness to noise are assessed and compared. Conclusions: Presented is a comparison framework for assessment of evolutionary algorithms, used to infer gene regulatory networks. Promising methods are identi¯ed and a platform for development of appropriate model formalisms is established

A Parallel Divide-and-Conquer based Evolutionary Algorithm for Large-scale Optimization

Large-scale optimization problems that involve thousands of decision variables have extensively arisen from various industrial areas. As a powerful optimization tool for many real-world applications, evolutionary algorithms (EAs) fail to solve the emerging large-scale problems both effectively and efficiently. In this paper, we propose a novel Divide-and-Conquer (DC) based EA that can not only produce high-quality solution by solving sub-problems separately, but also highly utilizes the power of parallel computing by solving the sub-problems simultaneously. Existing DC-based EAs that were deemed to enjoy the same advantages of the proposed algorithm, are shown to be practically incompatible with the parallel computing scheme, unless some trade-offs are made by compromising the solution quality.Comment: 12 pages, 0 figure

Pan-genome Analysis, Visualization and Exploration

The dynamics of prokaryotic genomes are driven by the intricate interplay of different evolutionary forces such as gene duplication, gene loss and horizontal transfer. Even closely related strains can exhibit remarkable genetic diversity and substantial gene presence/absence variation. The pan-genome, namely the complete inventory of genes in a collection of strains, can be several times larger than the genome of any single strain. Although several tools for pan-genome analysis have been published, there is still much room for algorithmic improvement, as well as needs for applications that better interactively visualize and explore pan-genomes. Therefore, we have developed panX, an automated computational pipeline for efficient identification of orthologous gene clusters in the pan-genome. PanX identifies homologous relationships among genes using DIAMOND and MCL and then harnesses phylogeny-based post- processing to separate orthologs from paralogs. Furthermore, we take advantage of a divide-and-conquer strategy to achieve an approximately linear runtime on large datasets. The analysis result can be visualized by the accompanying software, an easy-to-use and powerful web-based visualization application for interactive exploration of the pan-genome. The visualization dashboard encompasses a variety of connected components that allow rapid searching, filtering and sorting of genes and flexible investigation of evolutionary relationships among strains and their genes. PanX seamlessly interlinks gene clusters with their alignments and gene phylogenies, maps mutations on the branches of gene tree and highlights gene gain and loss events on the core-genome phylogeny that can also be colored by metadata associated with strains. By using 120 simulated pan-genome datasets for benchmarking and comparing clustering results on real dataset between different tools, panX exhibits overall good performance across a large range of diversities. PanX is available at pangenome.de, with a wide range of microbial pan-genomes established. Besides, user-provided pan-genomes can be visualized either via a web server or by running panX locally as a web-based application

Supertree-like methods for genome-scale species tree estimation

A critical step in many biological studies is the estimation of evolutionary trees (phylogenies) from genomic data. Of particular interest is the species tree, which illustrates how a set of species evolved from a common ancestor. While species trees were previously estimated from a few regions of the genome (genes), it is now widely recognized that biological processes can cause the evolutionary histories of individual genes to differ from each other and from the species tree. This heterogeneity across the genome is phylogenetic signal that can be leveraged to estimate species evolution with greater accuracy. Hence, species tree estimation is expected to be greatly aided by current large-scale sequencing efforts, including the 5000 Insect Genomes Project, the 10000 Plant Genomes Project, the (~60000) Vertebrate Genomes Project, and the Earth BioGenome Project, which aims to assemble genomes (or at least genome-scale data) for 1.5 million eukaryotic species in the next ten years. To analyze these forthcoming datasets, species tree estimation methods must scale to thousands of species and tens of thousands of genes; however, many of the current leading methods, which are heuristics for NP-hard optimization problems, can be prohibitively expensive on datasets of this size. In this dissertation, we argue that new methods are needed to enable scalable and statistically rigorous species tree estimation pipelines; we then seek to address this challenge through the introduction of three supertree-like methods: NJMerge, TreeMerge, and FastMulRFS. For these methods, we present theoretical results (worst-case running time analyses and proofs of statistical consistency) as well as empirical results on simulated datasets (and a fungal dataset for FastMulRFS). Overall, these methods enable statistically consistent species tree estimation pipelines that achieve comparable accuracy to the dominant optimization-based approaches while dramatically reducing running time

Inferring phylogenetic trees under the general Markov model via a minimum spanning tree backbone

Phylogenetic trees are models of the evolutionary relationships among species, with species typically placed at the leaves of trees. We address the following problems regarding the calculation of phylogenetic trees. (1) Leaf-labeled phylogenetic trees may not be appropriate models of evolutionary relationships among rapidly evolving pathogens which may contain ancestor-descendant pairs. (2) The models of gene evolution that are widely used unrealistically assume that the base composition of DNA sequences does not evolve. Regarding problem (1) we present a method for inferring generally labeled phylogenetic trees that allow sampled species to be placed at non-leaf nodes of the tree. Regarding problem (2), we present a structural expectation maximization method (SEM-GM) for inferring leaf-labeled phylogenetic trees under the general Markov model (GM) which is the most complex model of DNA substitution that allows the evolution of base composition. In order to improve the scalability of SEM-GM we present a minimum spanning tree (MST) framework called MST-backbone. MST-backbone scales linearly with the number of leaves. However, the unrealistic location of the root as inferred on empirical data suggests that the GM model may be overtrained. MST-backbone was inspired by the topological relationship between MSTs and phylogenetic trees that was introduced by Choi et al. (2011). We discovered that the topological relationship does not necessarily hold if there is no unique MST. We propose so-called vertex-order based MSTs (VMSTs) that guarantee a topological relationship with phylogenetic trees.Phylogenetische Bäume modellieren evolutionäre Beziehungen zwischen Spezies, wobei die Spezies typischerweise an den Blättern der Bäume sitzen. Wir befassen uns mit den folgenden Problemen bei der Berechnung von phylogenetischen Bäumen. (1) Blattmarkierte phylogenetische Bäume sind möglicherweise keine geeigneten Modelle der evolutionären Beziehungen zwischen sich schnell entwickelnden Krankheitserregern, die Vorfahren-Nachfahren-Paare enthalten können. (2) Die weit verbreiteten Modelle der Genevolution gehen unrealistischerweise davon aus, dass sich die Basenzusammensetzung von DNA-Sequenzen nicht ändert. Bezüglich Problem (1) stellen wir eine Methode zur Ableitung von allgemein markierten phylogenetischen Bäumen vor, die es erlaubt, Spezies, für die Proben vorliegen, an inneren des Baumes zu platzieren. Bezüglich Problem (2) stellen wir eine strukturelle Expectation-Maximization-Methode (SEM-GM) zur Ableitung von blattmarkierten phylogenetischen Bäumen unter dem allgemeinen Markov-Modell (GM) vor, das das komplexeste Modell von DNA-Substitution ist und das die Evolution von Basenzusammensetzung erlaubt. Um die Skalierbarkeit von SEM-GM zu verbessern, stellen wir ein Minimale Spannbaum (MST)-Methode vor, die als MST-Backbone bezeichnet wird. MST-Backbone skaliert linear mit der Anzahl der Blätter. Die Tatsache, dass die Lage der Wurzel aus empirischen Daten nicht immer realistisch abgeleitet warden kann, legt jedoch nahe, dass das GM-Modell möglicherweise übertrainiert ist. MST-backbone wurde von einer topologischen Beziehung zwischen minimalen Spannbäumen und phylogenetischen Bäumen inspiriert, die von Choi et al. 2011 eingeführt wurde. Wir entdeckten, dass die topologische Beziehung nicht unbedingt Bestand hat, wenn es keinen eindeutigen minimalen Spannbaum gibt. Wir schlagen so genannte vertex-order-based MSTs (VMSTs) vor, die eine topologische Beziehung zu phylogenetischen Bäumen garantieren

Molecular phylogenetic analysis: design and implementation of scalable and reliable algorithms and verification of phylogenetic properties

El término bioinformática tiene muchas acepciones, una gran parte referentes a la bioinformática molecular: el conjunto de métodos matemáticos, estadísticos y computacionales que tienen como objetivo dar solución a problemas biológicos, haciendo uso exclusivamente de las secuencias de ADN, ARN y proteínas y su información asociada. La filogenética es el área de la bioinformática encargada del estudio de la relación evolutiva entre organismos de la misma o distintas especies. Al igual que sucedía con la definición anterior, los trabajos realizados a lo largo de esta tesis se centran en la filogenética molecular: la rama de la filogenética que analiza las mutaciones hereditarias en secuencias biológicas (principalmente ADN) para establecer dicha relación evolutiva. El resultado de este análisis se plasma en un árbol evolutivo o filogenia. Una filogenia suele representarse como un árbol con raíz, normalmente binario, en el que las hojas simbolizan los organismos existentes actualmente y, la raíz, su ancestro común. Cada nodo interno representa una mutación que ha dado lugar a una división en la clasificación de los descendientes. Las filogenias se construyen mediante procesos de inferencia en base a la información disponible, que pertenece mayoritariamente a organismos existentes hoy en día. La complejidad de este problema se ha visto reflejada en la clasificación de la mayoría de métodos propuestos para su solución como NP-duros [1-3].El caso real de aplicación de esta tesis ha sido el ADN mitocondrial. Este tipo de secuencias biológicas es relevante debido a que tiene un alto índice de mutación, por lo que incluso filogenias de organismos muy cercanos evolutivamente proporcionan datos significativos para la comunidad biológica. Además, varias mutaciones del ADN mitocondrial humano se han relacionado directamente con enfermedad y patogenias, la mayoría mortales en individuos no natos o de corta edad. En la actualidad hay más de 30000 secuencias disponibles de ADN mitocondrial humano, lo que, además de su utilidad científica, ha permitido el análisis de rendimiento de nuestras contribuciones para datos masivos (Big Data). La reciente incorporación de la bioinformática en la categoría Big Data viene respaldada por la mejora de las técnicas de digitalización de secuencias biológicas que sucedió a principios del siglo 21 [4]. Este cambio aumentó drásticamente el número de secuencias disponibles. Por ejemplo, el número de secuencias de ADN mitocondrial humano pasó de duplicarse cada cuatro años, a hacerlo en menos de dos. Por ello, un gran número de métodos y herramientas usados hasta entonces han quedado obsoletos al no ser capaces de procesar eficientemente estos nuevos volúmenes de datos.Este es motivo por el que todas las aportaciones de esta tesis han sido desarrolladas para poder tratar grandes volúmenes de datos. La contribución principal de esta tesis es un framework que permite diseñar y ejecutar automáticamente flujos de trabajo para la inferencia filogenética: PhyloFlow [5-7]. Su creación fue promovida por el hecho de que la mayoría de sistemas de inferencia filogenética existentes tienen un flujo de trabajo fijo y no se pueden modificar ni las herramientas software que los componen ni sus parámetros. Esta decisión puede afectar negativamente a la precisión del resultado si el flujo del sistema o alguno de sus componentes no está adaptado a la información biológica que se va a utilizar como entrada. Por ello, PhyloFlow incorpora un proceso de configuración que permite seleccionar tanto cada uno de los procesos que formarán parte del sistema final, como las herramientas y métodos específicos y sus parámetros. Se han incluido consejos y opciones por defecto durante el proceso de configuración para facilitar su uso, sobre todo a usuarios nóveles. Además, nuestro framework permite la ejecución desatendida de los sistemas filogenéticos generados, tanto en ordenadores de sobremesa como en plataformas hardware (clusters, computación en la nube, etc.). Finalmente, se han evaluado las capacidades de PhyloFlow tanto en la reproducción de sistemas de inferencia filogenética publicados anteriormente como en la creación de sistemas orientados a problemas intensivos como el de inferencia del ADN mitocondrial humano. Los resultados muestran que nuestro framework no solo es capaz de realizar los retos planteados, sino que, en el caso de la replicación de sistemas, la posibilidad de configurar cada elemento que los componen mejora ampliamente su aplicabilidad.Durante la implementación de PhyloFlow descubrimos varias carencias importantes en algunas bibliotecas software actuales que dificultaron la integración y gestión de las herramientas filogenéticas. Por este motivo se decidió crear la primera biblioteca software en Python para estudios de filogenética molecular: MEvoLib [8]. Esta biblioteca ha sido diseñada para proveer una sola interfaz para los conjuntos de herramientas software orientados al mismo proceso, como el multialineamiento o la inferencia de filogenias. MEvoLib incluye además configuraciones por defecto y métodos que hacen uso de conocimiento biológico específico para mejorar su precisión, adaptándose a las necesidades de cada tipo de usuario. Como última característica relevante, se ha incorporado un proceso de conversión de formatos para los ficheros de entrada y salida de cada interfaz, de forma que, si la herramienta seleccionada no soporta dicho formato, este es adaptado automáticamente. Esta propiedad facilita el uso e integración de MEvoLib en scripts y herramientas software.El estudio del caso de aplicación de PhyloFlow al ADN mitocondrial humano ha expuesto los elevados costes tanto computacionales como económicos asociados a la inferencia de grandes filogenias. Por ello, sistemas como PhyloTree [9], que infiere un tipo especial de filogenias de ADN mitocondrial humano, recalculan sus resultados con una frecuencia máxima anual. Sin embargo, como ya hemos comentado anteriormente, las técnicas de secuenciación actuales permiten la incorporación de cientos o incluso miles de secuencias biológicas nuevas cada mes. Este desfase entre productor y consumidor hace que dichas filogenias queden desactualizadas en unos pocos meses. Para solucionar este problema hemos diseñado un nuevo algoritmo que permite la actualización de una filogenia mediante la incorporación iterativa de nuevas secuencias: PHYSER [10]. Además, la propia información evolutiva se utiliza para detectar posibles mutaciones introducidas artificialmente por el proceso de secuenciación, inexistentes en la secuencia original. Las pruebas realizadas con ADN mitocondrial han probado su eficacia y eficiencia, con un coste temporal por secuencia inferior a los 20 segundos.El desarrollo de nuevas herramientas para el análisis de filogenias también ha sido una parte importante de esta tesis. En concreto, se han realizado dos aportaciones principales en este aspecto: PhyloViewer [11] y una herramienta para el análisis de la conservación [12]. PhyloViewer es un visualizador de filogenias extensivas, es decir, filogenias que poseen al menos un millar de hojas. Esta herramienta aporta una novedosa interfaz en la que se muestra el nodo seleccionado y sus nodos hijo, así como toda la información asociada a cada uno de ellos: identificador, secuencia biológica, ... Esta decisión de diseño ha sido orientada a evitar el habitual “borrón” que se produce en la mayoría de herramientas de visualización al mostrar este tipo de filogenias enteras por pantalla. Además, se ha desarrollado en una arquitectura clienteservidor, con lo que el procesamiento de la filogenia se realiza una única vez por parte el servidor. Así, se ha conseguido reducir significativamente los tiempos de carga y acceso por parte del cliente. Por otro lado, la aportación principal de nuestra herramienta para el análisis de la conservación se basa en la paralelización de los métodos clásicos aplicados en este campo, alcanzando speed-ups cercanos al teórico sin pérdida de precisión. Esto ha sido posible gracias a la implementación de dichos métodos desde cero, incorporando la paralelización a nivel de instrucción, en vez de paralelizar implementaciones existentes. Como resultado, nuestra herramienta genera un informe que contiene las conclusiones del análisis de conservación realizado. El usuario puede introducir un umbral de conservación para que el informe destaque solo aquellas posiciones que no lo cumplan. Además, existen dos tipos de informe con distinto nivel de detalle. Ambos se han diseñado para que sean comprensibles y útiles para los usuarios.Finalmente, se ha diseñado e implementado un predictor de mutaciones patógenas en ADN mitocondrial desarollado en máquinas de vectores de soporte (SVM): Mitoclass.1 [13]. Se trata del primer predictor para este tipo de secuencias biológicas. Tanto es así, que ha sido necesario crear el primer repositorio de mutaciones patógenas conocidas, mdmv.1, para poder entrenar y evaluar nuestro predictor. Se ha demostrado que Mitoclass.1 mejora la clasificación de las mutaciones frente a los predictores más conocidos y utilizados, todos ellos orientados al estudio de patogenicidad en ADN nuclear. Este éxito radica en la novedosa combinación de propiedades a evaluar por cada mutación en el proceso de clasificación. Además, otro factor a destacar es el uso de SVM frente a otras alternativas, que han sido probadas y descartadas debido a su menor capacidad de predicción para nuestro caso de aplicación.REFERENCIAS[1] L. Wang and T. Jiang, “On the complexity of multiple sequence alignment,” Journal of computational biology, vol. 1, no. 4, pp. 337–348, 1994.[2] W. H. E. Day, D. S. Johnson, and D. Sankoff, “The Computational Complexity of Inferring Rooted Phylogenies by Parsimony,” Mathematical Biosciences, vol. 81, no. 1, pp. 33–42, 1986.[3] S. Roch, “A short proof that phylogenetic tree reconstruction by maximum likelihood is hard,” IEEE/ACM Transactions on Computational Biology and Bioinformatics (TCBB), vol. 3, no. 1, p. 92, 2006.[4] E. R. Mardis, “The impact of next-generation sequencing technology on genetics,” Trends in genetics, vol. 24, no. 3, pp. 133–141, 2008.[5] J. Álvarez-Jarreta, G. de Miguel Casado, and E. Mayordomo, “PhyloFlow: A Fully Customizable and Automatic Workflow for Phylogeny Estimation,” in ECCB 2014, 2014.[6] J. Álvarez-Jarreta, G. de Miguel Casado, and E. Mayordomo, “PhyloFlow: A Fully Customizable and Automatic Workflow for Phylogenetic Reconstruction,” in IEEE International Conference on Bioinformatics and Biomedicine (BIBM), pp. 1–7, IEEE, 2014.[7] J. Álvarez, R. Blanco, and E. Mayordomo, “Workflows with Model Selection: A Multilocus Approach to Phylogenetic Analysis,” in 5th International Conference on Practical Applications of Computational Biology & Bioinformatics (PACBB 2011), vol. 93 of Advances in Intelligent and Soft Computing, pp. 39–47, Springer Berlin Heidelberg, 2011.[8] J. Álvarez-Jarreta and E. Ruiz-Pesini, “MEvoLib v1.0: the First Molecular Evolution Library for Python,” BMC Bioinformatics, vol. 17, no. 436, pp. 1–8, 2016.[9] M. van Oven and M. Kayser, “Updated comprehensive phylogenetic tree of global human mitochondrial DNA variation,” Human Mutation, vol. 30, no. 2, pp. E386–E394, 2009.[10] J. Álvarez-Jarreta, E. Mayordomo, and E. Ruiz-Pesini, “PHYSER: An Algorithm to Detect Sequencing Errors from Phylogenetic Information,” in 6th International Conference on Practical Applications of Computational Biology & Bioinformatics (PACBB 2012), pp. 105–112, 2012.[11] J. Álvarez-Jarreta and G. de Miguel Casado, “PhyloViewer: A Phylogenetic Tree Viewer for Extense Phylogenies,” in ECCB 2014, 2014.[12] F. Merino-Casallo, J. Álvarez-Jarreta, and E. Mayordomo, “Conservation in mitochondrial DNA: Parallelized estimation and alignment influence,” in 2015 IEEE International Conference on Bioinformatics and Biomedicine (BIBM 2015), pp. 1434–1440, IEEE, 2015.[13] A. Martín-Navarro, A. Gaudioso-Simón, J. Álvarez-Jarreta, J. Montoya, E. Mayordomo, and E. Ruiz-Pesini, “Machine learning classifier for identification of damaging missense mutations exclusive to human mitochondrial DNA-encoded polypeptides,” BMC Bioinformatics, vol. 18, no. 158, pp. 1–11, 2017.<br /

panX: pan-genome analysis and exploration

Horizontal transfer, gene loss, and duplication result in dynamic bacterial genomes shaped by a complex mixture of different modes of evolution. Closely related strains can differ in the presence or absence of many genes, and the total number of distinct genes found in a set of related isolates-the pan-genome-is often many times larger than the genome of individual isolates. We have developed a pipeline that efficiently identifies orthologous gene clusters in the pan-genome. This pipeline is coupled to a powerful yet easy-to-use web-based visualization for interactive exploration of the pan-genome. The visualization consists of connected components that allow rapid filtering and searching of genes and inspection of their evolutionary history. For each gene cluster, panX displays an alignment, a phylogenetic tree, maps mutations within that cluster to the branches of the tree and infers gain and loss of genes on the core-genome phylogeny. PanX is available at pangenome.de. Custom pan-genomes can be visualized either using a web server or by serving panX locally as a browser-based application