روش‌های استنباط فیلوژنتیک

خانواده‌ای از روش‌های محاسباتی، شامل روش‌های مبتنی بر فاصله، پارسیمونی، حداکثر درست‌نمایی و بیزی، درختان تکاملی را از داده‌های مولکولی و مورفولوژیکی تخمین می‌زنند.

Definition

روش‌های استنباط فیلوژنتیک الگوریتم‌ها و چارچوب‌های آماری هستند که روابط شاخه‌بندی بین تاکسون‌ها را از داده‌های ویژگی مشاهده‌شده، معمولاً تحت مدل‌های صریح تغییر تکاملی، تخمین می‌زنند.

Scope

این موضوع شامل دسته‌های اصلی روش‌های تخمین درخت: روش‌های مبتنی بر فاصله مانند همسایگی-پیوستن (neighbor-joining)، پارسیمونی مبتنی بر ویژگی، حداکثر درست‌نمایی مبتنی بر مدل، و استنباط بیزی با استفاده از زنجیره مارکوف مونت کارلو، به همراه مدل‌های جایگزینی، معیارهای بهینگی و نرم‌افزارهایی که آن‌ها را پیاده‌سازی می‌کنند، می‌شود.

Core questions

• دسته‌های اصلی روش‌های استنباط درخت کدامند؟
• روش‌های مبتنی بر فاصله، پارسیمونی، درست‌نمایی و بیزی چگونه با یکدیگر تفاوت دارند؟
• مدل‌های جایگزینی چه نقشی در استنباط ایفا می‌کنند؟
• روش‌ها چگونه با مجموعه‌داده‌های بزرگ مقیاس‌پذیری دارند؟

Key theories

استنباط حداکثر درست‌نمایی

حداکثر درست‌نمایی درخت و پارامترهای مدل را انتخاب می‌کند که توالی‌های مشاهده‌شده را تحت یک مدل جایگزینی صریح، محتمل‌ترین حالت می‌سازند و یک چارچوب آماری سازگار ارائه می‌دهد.

روش‌های مبتنی بر فاصله

رویکردهای مبتنی بر فاصله مانند همسایگی-پیوستن، تفاوت‌های جفتی توالی‌ها را به سرعت به یک درخت تبدیل می‌کنند که سرعت را به قیمت از دست دادن اطلاعات در سطح ویژگی ارائه می‌دهد.

استنباط بیزی با MCMC

روش‌های بیزی درختان را متناسب با احتمال پسین آن‌ها با استفاده از زنجیره مارکوف مونت کارلو نمونه‌برداری می‌کنند و هم تخمین درخت و هم معیاری از عدم قطعیت را ارائه می‌دهند.

Clinical relevance

این روش‌ها برای بازسازی تاریخچه انتقال عوامل بیماری‌زا، تعیین زمان رویدادهای واگرایی، و جایگذاری ارگانیسم‌های تازه کشف‌شده استفاده می‌شوند که مستقیماً از اپیدمیولوژی مولکولی و ژنومیک مقایسه‌ای حمایت می‌کنند.

History

چارچوب درست‌نمایی فلتنشتاین در سال ۱۹۸۱ و روش همسایگی-پیوستن سایتو و نی در سال ۱۹۸۷ سنت‌های آماری و مبتنی بر فاصله را پایه‌گذاری کردند؛ نرم‌افزارهای پرکاربرد مانند MrBayes و RAxML در دهه ۲۰۰۰ تحلیل‌های بیزی و درست‌نمایی در مقیاس بزرگ را به امری معمول تبدیل کردند.

Debates

سرعت در مقابل دقت در روش‌ها

روش‌های مبتنی بر فاصله و پارسیمونی سریع هستند اما ساده‌سازی‌های قوی‌تری انجام می‌دهند، در حالی که روش‌های درست‌نمایی و بیزی دقیق‌تر هستند اما از نظر محاسباتی پرهزینه‌ترند، این یک بده‌بستان است که انتخاب روش را برای مجموعه‌داده‌های بزرگ شکل می‌دهد.

Key figures

• Joseph Felsenstein
• Masatoshi Nei
• John Huelsenbeck

Seminal works

• felsenstein1981
• saitounei1987
• ronquist2003
• stamatakis2006

Frequently asked questions

تفاوت بین فیلوژنتیک حداکثر درست‌نمایی و بیزی چیست؟

حداکثر درست‌نمایی یک درخت و پارامترهای منفرد را پیدا می‌کند که بهترین تطابق را با داده‌ها دارند، در حالی که استنباط بیزی توزیعی از درختان را تولید می‌کند که بر اساس احتمال پسین آن‌ها وزن‌دهی شده‌اند و به طور طبیعی عدم قطعیت را بیان می‌کند.

چرا مدل‌های جایگزینی مورد نیاز هستند؟

زیرا تفاوت‌های توالی مشاهده‌شده تعداد واقعی تغییرات را زمانی که جایگاه‌ها بیش از یک بار جهش می‌یابند، کمتر از واقعیت تخمین می‌زنند؛ مدل‌ها برای نرخ‌های نابرابر و ضربه‌های متعدد تصحیح می‌کنند تا درختان را به دقت تخمین بزنند.