Was sind einige Beispiele für sich entwickelnde Netzwerke in der Biologie?

Ich bin Masterstudent und beschäftige mich mit Netzwerkanalyse im Allgemeinen. Ein Netzwerk ist etwas, das Knoten hat, und es gibt Verbindungen zwischen den Knoten. Knoten und Links könnten Attribute haben. Ein sich entwickelndes Netzwerk ist eines, das sich im Laufe der Zeit ändert (neue Knoten und Links werden hinzugefügt usw.). Ein Beispiel dafür ist Facebook. Knoten sind Benutzer und Links repräsentieren die Freundschaftsbeziehung. Benutzer haben Attribute (Geschlecht, Alter usw.). Wie Sie wissen, ist ein Facebook-Netzwerk ein Beispiel für ein soziales Netzwerk.

Das Problem ist, dass so viele Menschen traditionelle, sich entwickelnde Netzwerke wie soziale Netzwerke, das Internet oder Transportnetzwerke studiert haben. Derzeit suche ich nach neuartigen Beispielen für sich entwickelnde Netzwerke, um sie zu untersuchen. Also dachte ich, es könnte einige Beispiele in der Biologie geben , die eine Art sich entwickelndes Netzwerk darstellen könnten.

Also meine Frage: Können Sie mir Beispiele in der Biologie für sich entwickelnde Netzwerke geben? Ich bin mir der metabolischen Netzwerke bewusst, aber das ist auch stark untersucht, ich brauche etwas anderes.

Ich weiß nicht, ob man sie Netzwerke nennen kann: Ökologische Beziehungen zwischen Organismen
@biogirl Meine Kopie von 'Ecological Networks' von Pascual und Dunne würde vorschlagen, dass Sie das können :)

Antworten (5)

Andere haben schön zusammengefasst, welche Arten von biologischen Netzwerken es gibt und wie sie sich entwickeln können. Ich möchte eine feine Unterscheidung zwischen Evolution und dynamischer Anpassung treffen und einige Bemerkungen über die relative Evolvierbarkeit verschiedener biologischer Netzwerke hinzufügen.

Bei gegebener Architektur kann ein Netzwerk dynamisch auf unterschiedliche Eingaben reagieren. Die bevorzugten Pfade können sich ändern und die Ausgangseigenschaften können variieren. Beispielfälle beinhalten die Auswirkung der Umgebung auf den Stoffwechsel. Ich persönlich würde dies nicht als Netzwerkentwicklung betrachten, da die Architektur gleich bleibt. Die Netzwerkentwicklung bezieht sich auf die Neuverkabelung oder das Hinzufügen neuer Verbindungen.

Es wäre angebracht, die biologischen Netzwerke wie folgt zu klassifizieren:

  • Molekulare Netzwerke

    • Genregulatorische Netzwerke (GRN)
    • Molekulare (Protein-Protein) Interaktionsnetzwerke (PPI)
    • Zellsignalisierungsnetzwerke

  • Mobilfunknetze

    • Neuronale Netze
    • Biofilme (?)

  • Organismennetzwerke

    • Ökologische Netzwerke (Nahrungsnetze etc.)

Es gibt mehrere Möglichkeiten, wie sich ein Netzwerk entwickeln kann: Hinzufügen von Kanten, Löschen von Kanten, Modifizieren von Kanten, Hinzufügen von Knoten, Löschen von Knoten und Duplizieren von Knoten.

In molekularen Netzwerken findet eine Kantenmodifikation statt, wenn die chemische Wechselwirkung beeinflusst wird. Beispielsweise kann sich in einem genregulatorischen Netzwerk eine Promotor-Transkriptionsfaktor (TF)-Interaktion ändern, wenn es eine Mutation in der Promotorsequenz oder in der DNA-Bindungsdomäne von TF gibt. Eine ähnliche Situation besteht in den Fällen von PPI- und Ligand-Rezeptor-Wechselwirkungen (obwohl das Konzept der Mutation nicht auf Liganden zutrifft). Gen-(Knoten) -Duplikationen sind ebenfalls ein häufiger Mechanismus der Evolution von GRN. Auch Gen- Deletionen /-Inaktivierungen verändern das Netzwerk und führen teilweise zu komplexen Erkrankungen. Stoffwechselnetzwerke entwickeln sich, wenn ein Enzym mutiert und ein neuer Weg geschaffen wird. Normalerweise kommen Knotenhinzufügungen selten vor; Knotenduplizierungen undKantenmodifikationen sind häufiger in molekularen Netzwerken.

In neuronalen Netzen ist die Plastizität höher als in molekularen Netzen. Es gibt eine grundlegende Architektur, die für die Unterstützung des Lebens unerlässlich ist, aber die Verbindungen ändern sich dennoch ständig in den Nicht-Kernregionen. Da die aktive Neurogenese nach einem bestimmten Punkt aufhört, können wir davon ausgehen, dass die Anzahl der Knoten unverändert bleibt, aber das Hinzufügen von Kanten (neue Synapsen), das Löschen von Kanten (synaptisches Pruning) und die Modifizierung von Kanten (langfristige Potenzierung / Depression) weit verbreitet und weit verbreitet ist. Bei neurodegenerativen Erkrankungen sterben Neuronen ab und somit gehen Knoten verloren.

Ökologische Netzwerke werden durch Umwelt- und geologische Barrieren beeinflusst. Es gibt also mehrere Teilnetzwerke (Ökosysteme), die schwach oder stark miteinander verbunden sind. Die Einführung fremder Arten ( Knotenaddition ) verursacht eine sofortige Störung der lokalen Netzwerkarchitektur. Langfristige Auswirkungen entstehen durch Aussterben ( Knotenlöschung ), Speziation ( Knotenentwicklung , die zu Randmodifikationen führt , dh Ernährungsgewohnheiten usw.).

Es ist auch zu beachten, dass in allen Fällen die Auswirkung einer Änderung auf ein Netzwerk davon abhängt, welcher Knoten/Kante betroffen ist; Hubs werden streng überwacht und sind vor Störungen geschützt, da jede Fehlregulierung zum Zusammenbruch des Netzwerks führen kann. Einige Netzwerke folgen auch dem bevorzugten Verbindungsverhalten (was im Widerspruch zur Hub-Bewahrung als Mechanismus zu stehen scheint). Ich vermute , dass molekulare Netzwerke keine bevorzugte Bindung verwenden, während ökologische Netzwerke dies tun.

Das Folgende beantwortet die Frage nicht! Es gibt nur einige Ideen, wo ich persönlich einige Arbeiten zur Netzwerkanalyse in der Biologie gefunden habe.

Die meisten Netzwerke, von denen ich in der Biologie gehört habe, betreffen

  • Netzwerk von Arteninteraktionen
  • Netzwerk individueller Interaktionen innerhalb einer Population
  • Netzwerk von Subpopulationsinteraktionen innerhalb einer Metapopulation
  • neuronales Netzwerk
  • Anatomie Netzwerk (Blutgefäße, Skelett, etc..)
  • Netzwerk von Stoffwechselwegen.

Ich gebe Ihnen unten eine Reihe von Artikeltiteln, die Netzwerke in der Biologie diskutieren. Ich werde die Links wahrscheinlich später hinzufügen ⌣ ¨ aber wenn Sie diese Titel einfach kopieren und auf Scholar.google oder WebOfKnowledge einfügen, werden Sie die Artikel leicht finden.

  • Entwicklung eines sozialen Entscheidungsnetzwerks von Wirbeltieren
  • Klimawandel, menschliche Auswirkungen auf Korallenriffe
  • Architektur der wechselseitigen Steigerung der Biodiversität
  • Variation in der Migrationsneigung zwischen Individuen, die durch die Landschaftsstruktur aufrechterhalten werden
  • Skelett- und fraktale Skalierung in komplexen Netzwerken
  • Die Habitatmodifikation verändert die Struktur tropischer Wirtsparasitoid-Nahrungsnetze

Dieser letzte Artikel betrifft den Einfluss verschiedener Umgebungen auf das Interaktionsnetzwerk zwischen Wirt und Parasiten. Ziemlich interessant für einen Biologen.

Ich würde erwarten, dass die meisten sich entwickelnden Netzwerke in der Biologie die Auswirkungen von Umweltveränderungen auf das Netzwerk von Arten, Subpopulationen und Arteninteraktionen betreffen. Sie haben vielleicht einiges erwartet, das mehr mit der Evolutionsbiologie zu tun hat. Ich denke, der größte Teil dieser Arbeit betrifft die Evolutionsökologie und Evolutionsprozesse in Metapopulationen. Hier ist ein sehr interessanter und sehr theoretischer Artikel (von Stuart Kauffmann) über Evolutionsbiologie, obwohl das nichts mit Ökologie zu tun hat.

  • Antichaos und Anpassung
1-Eigentlich muss ich einen Datensatz eines sich entwickelnden Netzwerks erstellen (der im Laufe der Zeit aufgezeichnet wird), damit ich die Daten untersuchen kann. Meine Universität hat eine großartige Biologieabteilung, ist es also möglich, die Daten von etwas zu bekommen, das Sie erwähnt haben? Oder sind die Beispiele theoretisch? Ich bin überhaupt nicht gut in Biologie, deshalb fand ich sie etwas schwierig zu verstehen. 2- Ich mache mir nur Sorgen um sich entwickelnde Netzwerke. Können Sie also bitte die Beispiele entfernen, die sich nicht auf sich entwickelnde Netzwerke beziehen?
Beim erneuten Lesen des einzigen Artikels, von dem ich dachte, dass er ein sich entwickelndes Netzwerk anbietet, wird mir klar, dass es eigentlich kein sich entwickelndes Netzwerk gibt. Es ist nur ein Vergleich von Netzwerken zwischen verschiedenen Ökosystemen. Hm … also kenne ich keinen Artikel, der über die Analyse eines sich entwickelnden Netzwerks in der Biologie berichtet. Es gibt wahrscheinlich aber weiter. Ich denke, ich werde meine Antwort nicht löschen, weil sie eine Vorstellung davon gibt, wo wir Netzwerke in der Biologie finden können, die immer informativ sind.
Es wird noch schwieriger, wenn Sie einen guten Datensatz finden müssen, denke ich. Sobald Sie einen Artikel gefunden haben, der ein sich entwickelndes Netzwerk darstellt, können Sie die Autoren jederzeit fragen, ob Sie ihre Daten für Ihr Projekt verwenden können, und vergessen Sie natürlich nicht, ihnen mitzuteilen, dass Sie ihre Arbeit zitieren werden.

Ich finde das eine sehr interessante Frage, da ich persönlich sehr häufig mit Netzwerken arbeite!

Basierend auf Ihrer Definition von sich entwickelnden Netzwerken ist es möglich, Protein-Protein-Interaktionsnetzwerke als sich entwickelnd zu betrachten, da im Laufe der Zeit immer mehr Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Proteinen entdeckt werden und immer mehr neuartige Proteine ​​(Knoten) auf ihre Wechselwirkung mit anderen Proteinen getestet werden.

Wenn dies Ihrer Definition entspricht, können Sie PP-Interaktionsdatenbanken wie BioGRID verwenden und sich die verschiedenen Releases ansehen und sehen, welche Proteine ​​im Laufe der Zeit hinzugefügt wurden und welche neuen Interaktionen zwischen verschiedenen Releases hinzugefügt wurden. Hier ist die Archivseite für BioGRID ( http://thebiogrid.org/download.php ). BioGRID hat auch ein Cytoscape-Plugin, das Sie verwenden können, obwohl ich noch nie mit dynamischen Netzwerken in Cytoscape gearbeitet habe, also schauen Sie sich vielleicht Pavlopoulos et al 2008 BioData Min an, eine Übersicht über Visualisierungswerkzeuge für die biologische Netzwerkanalyse.

Hoffe das hilft!

mmhh interessant. Und schön, dass die Daten bei deinem Beispiel frei verfügbar sind. Aber die Analyse dieses sich entwickelnden Netzwerks würde mehr über die Geschichte der Entdeckung neuer Proteine ​​aussagen als über die wirklich zugrunde liegenden biologischen Mechanismen. Ich bin mir aber nicht sicher. Es könnte Aufschluss darüber geben, wie nah wir an einer guten Definition dessen sind, wie das Netzwerk von Proteininteraktionen aussieht, denke ich. Diese Daten könnten das OP tatsächlich interessieren.
Ja, dieser dynamisch analysierte Datensatz kann uns sagen, wie nah wir an einer guten Schätzung der globalen PP-Wechselwirkungen in einem bestimmten Organismus sind, angesichts der verwendeten Techniken/Ausrüstung und wie die Fortschrittsrate beim Auffinden von PP-Wechselwirkungen im Laufe der Zeit war, aber nichtsdestoweniger handelt es sich eher um eine historische Darstellung als um eine biologische Grundlage. Die Daten sollten angemessener mit Ausrüstungen/Techniken korreliert werden, obwohl es viele andere versteckte Variablen gibt, wie z. B. die Anzahl der Personen, die zwischen den Datenfreigaben an der Entdeckung von PP-Interaktionen usw.

Ich bin mir nicht sicher, ob dies Ihrer Definition eines Netzwerks entspricht, aber es gibt mehrere Kinase-Kaskaden, die Signale übertragen. Beispielsweise hat sich die grundlegende MAPK-Kaskade entwickelt, um verschiedene Rollen über die ERK-, JNK- und p38-Kaskaden zu erfüllen

Die Evolution der MAP-Kinase-Signalwege: Koduplikation interagierender Proteine ​​führt zu neuen Signalkaskaden. Caffrey et al., Journal of Molecular Evolution, 1997. Link hier

Alte Signale: vergleichende Genomik von pflanzlichen MAPK- und MAPKK-Genfamilien. Hier verlinken . Manning et al., Trends in Biochemical Sciences, 2002.

Können Sie bitte einige Referenzen hinzufügen?
ein paar Referenzen hinzugefügt -- das Lesen von Wikipedia-Artikeln über MAPK wäre auch sehr nützlich; diese Proteine ​​sind für eine Vielzahl von Zellfunktionen äußerst wichtig

Ameisen, Schleimpilze und Gehirne.

Ameisen und Schleimpilze verwenden einfache Regeln, um auf aufkommende Weise ziemlich gute Transportnetzwerke zu erzeugen, und Gehirne verdrahten und verdrahten sich ständig neu (Hinzufügen/Entfernen von Kanten, aber normalerweise keine Knoten) .

Aus evolutionären Netzwerken, metabolischen Netzwerken und ökologischen Netzwerken ist es aufgrund der beteiligten Zeit- und Raumskalen viel schwieriger, konkrete Datensätze zu erhalten. (Ich meine die Zeitskala, in der das Hinzufügen / Löschen von Knoten und die Kantenmodifikation stattfinden, die in der Evolutionszeit liegt.)

Schleimpilzformen, Ameisenpfade und Neuronenspuren sind jedoch alle im Labor reproduzierbar. Ameisenähnliche Algorithmen sind ziemlich verbreitet, also könnten Sie einen davon ausführen und dann den Graphen untersuchen, den er ausgibt, während er funktioniert. Das sind nicht gerade biologische Netzwerke, aber sicherlich biomimetische. Wenn die Feinheiten wahrscheinlich wichtig sind, müssen Sie möglicherweise einige Ameisen physisch bekommen.

Wenn Sie nach vorgefertigten Datenbanken für Schleimpilz- oder Ameisenexperimente suchen, können Sie versuchen, die Autoren des PNAS-Papiers zu kontaktieren , aber ich glaube nicht, dass irgendjemand versucht, das Verhalten von Schleimpilzen als Diagramm zu modellieren. Du könntest der Erste sein!

Könnten Sie einige Datenbanken und Referenzen bereitstellen, die die Entwicklung dieser Netzwerke im Laufe der Zeit aufgezeichnet haben? Auch die neuronale Neuverdrahtung/Verdrahtung ist ein statisches, aber dynamisches Netzwerk, aber es entwickelt sich nicht in dem Sinne, dass die Anzahl der Neuronen und damit der Knoten im Laufe der Zeit nach der Geburt zunimmt, wie in der WYSIWYG-Antwort angegeben, aber wie gesagt, es kann nur als dekonstruktive Entwicklung verwendet werden Netzwerke bei neurodegenerativen Erkrankungen. Ein paar Referenzen wären trotzdem toll!
Ich bin mir nicht sicher, ob die Datenbanken, die Sie anfordern, existieren. Für Studien wie diese wären sie aber auf jeden Fall nützlich. Ich habe einige Verweise auf Menschen hinzugefügt, die in relevanten Bereichen arbeiten, und einige biomimetische Ansätze, die für Sie funktionieren könnten.
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