انضمام الجار
في المعلوماتية الحيوية ، تُعدّ طريقة الربط الجواري أسلوبًا للتجميع التصاعدي (التجميعي) لإنشاء الأشجار التطورية ، وقد ابتكرها نارويا سايتو وماساتوشي ني في عام 1987. [ 1 ] تعتمد هذه الخوارزمية عادةً على بيانات تسلسل الحمض النووي أو البروتين ، وتتطلب معرفة المسافة بين كل زوج من التصنيفات (مثل الأنواع أو التسلسلات) لإنشاء الشجرة التطورية. [ 2 ]
الخوارزمية

تأخذ خوارزمية الربط الجواري مصفوفة المسافة ، التي تحدد المسافة بين كل زوج من التصنيفات ، كمدخل. تبدأ الخوارزمية بشجرة غير محلولة تمامًا، تتوافق بنيتها مع بنية الشبكة النجمية ، وتكرر الخطوات التالية حتى يتم حل الشجرة بالكامل، وتصبح جميع أطوال الفروع معروفة:
- بناءً على مصفوفة المسافة الحالية، احسب مصفوفة(المحدد أدناه).
- أوجد زوجًا من التصنيفات المتميزة i و j (أي مع) الذي من أجلهأصغرها. أنشئ عقدة جديدة تربط التصنيفين i و j، ثم اربط هذه العقدة الجديدة بالعقدة المركزية. على سبيل المثال، في الجزء (ب) من الشكل على اليمين، تم إنشاء العقدة u لربط التصنيفين f و g.
- احسب المسافة من كل نوع من الأنواع في الزوج إلى هذه العقدة الجديدة.
- احسب المسافة من كل نوع من الأنواع الموجودة خارج هذا الزوج إلى العقدة الجديدة.
- ابدأ الخوارزمية مرة أخرى، واستبدل زوج الجيران المتصلين بالعقدة الجديدة واستخدم المسافات المحسوبة في الخطوة السابقة.
مصفوفة Q
استنادًا إلى مصفوفة المسافة التي تربطالتصنيفات، احسبxمصفوفةعلى النحو التالي:
| 1 |
أينالمسافة بين التصنيفاتو.
المسافة من أعضاء الزوج إلى العقدة الجديدة
لكل نوع من الأنواع في الزوج المراد ضمه، استخدم الصيغة التالية لحساب المسافة إلى العقدة الجديدة:
| 2 |
و:
التصنيفاتوهي التصنيفات المزدوجة وهي العقدة التي تم إنشاؤها حديثًا. الفروع المتصلةووووأطوالها،وهي جزء من الشجرة التي يتم إنشاؤها تدريجياً؛ فهي لا تؤثر ولا تتأثر بخطوات ربط الجيران اللاحقة.
المسافة بين التصنيفات الأخرى والعقدة الجديدة
لكل تصنيف لم يتم أخذه في الاعتبار في الخطوة السابقة، نحسب المسافة إلى العقدة الجديدة على النحو التالي:
| 3 |
أينهي العقدة الجديدة،هي العقدة التي نريد حساب المسافة إليها ووهؤلاء هم أعضاء الثنائي الذين انضموا حديثًا.
تعقيد
جار ينضم إلى مجموعة التصنيف يتطلبالتكرارات. في كل خطوة، يجب على المرء بناء وبحثالمصفوفة. في البدايةحجم المصفوفةثم الخطوة التالية هيإلخ. يؤدي تنفيذ ذلك بطريقة مباشرة إلى خوارزمية ذات تعقيد زمني قدره[ 3 ] توجد تطبيقات تستخدم أساليب استدلالية لتحقيق نتائج أفضل بكثير من ذلك في المتوسط . [ 4 ]
مثال

لنفترض أن لدينا خمسة أنواعومصفوفة المسافة التالية:
| أ | ب | ج | د | هـ | |
|---|---|---|---|---|---|
| أ | 0 | 5 | 9 | 9 | 8 |
| ب | 5 | 0 | 10 | 10 | 9 |
| ج | 9 | 10 | 0 | 8 | 7 |
| د | 9 | 10 | 8 | 0 | 3 |
| هـ | 8 | 9 | 7 | 3 | 0 |
الخطوة الأولى
الانضمام الأول
نحسبالقيم حسب المعادلة ( 1 ). على سبيل المثال:
نحصل على القيم التالية لـالمصفوفة (لا تُستخدم العناصر القطرية للمصفوفة ويتم حذفها هنا):
| أ | ب | ج | د | هـ | |
|---|---|---|---|---|---|
| أ | - 50 | - 38 | - 34 | - 34 | |
| ب | - 50 | - 38 | - 34 | - 34 | |
| ج | - 38 | - 38 | - 40 | - 40 | |
| د | - 34 | - 34 | - 40 | - 48 | |
| هـ | - 34 | - 34 | - 40 | - 48 | |
في المثال أعلاه،هذه هي أصغر قيمة لـلذلك نقوم بضم العناصرو.
تقدير طول الفرع الأول
يتركلنرمز إلى العقدة الجديدة. وبحسب المعادلة ( 2 ) أعلاه، فإن الفروع التي تربط ولثم تكون لها أطوال:
تحديث مصفوفة المسافة الأولى
ثم ننتقل إلى تحديث مصفوفة المسافة الأوليةإلى مصفوفة مسافة جديدة(انظر أدناه)، تم تقليص حجمه بمقدار صف واحد وعمود واحد بسبب ضممعإلى جارهمباستخدام المعادلة ( 3 ) أعلاه، نحسب المسافة منإلى كل عقدة أخرى بالإضافة إلىوفي هذه الحالة، نحصل على:
مصفوفة المسافة الناتجةيكون:
| u | ج | د | هـ | |
|---|---|---|---|---|
| u | 0 | 7 | 7 | 6 |
| ج | 7 | 0 | 8 | 7 |
| د | 7 | 8 | 0 | 3 |
| هـ | 6 | 7 | 3 | 0 |
القيم المكتوبة بخط غامق فيتتوافق مع المسافات المحسوبة حديثًا، في حين أن القيم المائلة لا تتأثر بتحديث المصفوفة لأنها تتوافق مع المسافات بين العناصر غير المشاركة في عملية الربط الأولى للتصنيفات.
الخطوات الثانية
عمليات انضمام ثانية
المقابلالمصفوفة هي:
| u | ج | د | هـ | |
|---|---|---|---|---|
| u | - 28 | - 24 | - 24 | |
| ج | - 28 | - 24 | - 24 | |
| د | - 24 | - 24 | - 28 | |
| هـ | - 24 | - 24 | - 28 | |
قد نختار الانضماموأو للانضماموكلا الزوجين لهما الحد الأدنىقيمةوكلا الخيارين يؤدي إلى النتيجة نفسها. وللتوضيح، دعونا ننضموواستدعِ العقدة الجديدة.
تقدير طول الفرع الثاني
أطوال الفروع المتصلة وليمكن حسابها:
يساعد ربط العناصر وحساب طول الفرع في رسم شجرة ربط الجيران كما هو موضح في الشكل .
تحديث مصفوفة المسافة الثانية
مصفوفة المسافة المحدثةأما بالنسبة للعقد الثلاث المتبقية،،، و، يتم حسابها الآن:
| v | د | هـ | |
|---|---|---|---|
| v | 0 | 4 | 3 |
| د | 4 | 0 | 3 |
| هـ | 3 | 3 | 0 |
الخطوات النهائية
تم تحديد بنية الشجرة بالكامل عند هذه النقطة. ومع ذلك، ولتوضيح الأمر، يمكننا حسابمصفوفة. على سبيل المثال:
| v | د | هـ | |
|---|---|---|---|
| v | - 10 | - 10 | |
| د | - 10 | - 10 | |
| هـ | - 10 | - 10 | |
وللتوضيح، دعونا ننضموواستدعِ العقدة الأخيرةيمكن حساب أطوال الفروع الثلاثة المتبقية:
اكتملت الآن شجرة ربط الجيران، كما هو موضح في الشكل .
الخلاصة: المسافات التراكمية
يمثل هذا المثال حالة مثالية: لاحظ أنه إذا انتقلنا من أي تصنيف إلى أي تصنيف آخر على طول فروع الشجرة، وجمعنا أطوال الفروع التي تم اجتيازها، فإن النتيجة تساوي المسافة بين تلك التصنيفات في مصفوفة المسافة المدخلة. على سبيل المثال، الانتقال منللديناتُسمى مصفوفة المسافات التي تتطابق مسافاتها مع شجرة ما "مصفوفة جمعية"، وهي خاصية نادرة في التطبيق العملي. عند إدخال مصفوفة مسافات جمعية، يضمن دمج الجيران إيجاد الشجرة التي تتطابق مسافاتها بين التصنيفات مع تلك المصفوفة.
رجل فريد
مصفوفة Q المستخدمة في خوارزمية الربط بين الجيران فريدة من نوعها: أي معيار اختيار يكون
- دالة خطية لمسافات الإدخال
- يختار دائمًا زوجًا متجاورًا عند تطبيقه على المسافات الجمعية، و
- لا يتغير عند إعادة التسمية
سيختار دائمًا نفس الزوج الذي يختار أصغر قيمة في مصفوفة Q. [ 5 ]
انضمام الجيران كحد أدنى للتطور
يمكن اعتبار خوارزمية الربط الجواري بمثابة خوارزمية استدلالية جشعة لمعيار التطور الأدنى المتوازن [ 6 ] (BME). لكل بنية طوبولوجية، يُعرّف معيار BME طول الشجرة (مجموع أطوال الفروع) على أنه مجموع مرجح للمسافات في مصفوفة المسافات، وتعتمد الأوزان على البنية الطوبولوجية. البنية الطوبولوجية المثلى وفقًا لمعيار BME هي تلك التي تُقلل طول الشجرة. في كل خطوة، تقوم خوارزمية الربط الجواري بربط زوج التصنيفات الذي يُحقق أكبر انخفاض في طول الشجرة المُقدّر. لا يضمن هذا الإجراء إيجاد القيمة المثلى لمعيار BME، على الرغم من أنه غالبًا ما يُحققها، وعادةً ما يكون قريبًا جدًا منها. [ 6 ]
المزايا والعيوب
تتمثل الميزة الرئيسية لطريقة NJ في سرعتها [ 7 ] : 466 مقارنةً بطرق المربعات الصغرى ، والتقشف الأقصى ، والاحتمالية القصوى . [ 7 ] وهذا يجعلها عملية لتحليل مجموعات البيانات الكبيرة (مئات أو آلاف التصنيفات) ولعملية إعادة التوزيع العشوائي (bootstrapping )، حيث قد تكون وسائل التحليل الأخرى (مثل التقشف الأقصى ، والاحتمالية القصوى ) مكلفة حسابيًا .
تتميز خوارزمية الربط الجواري بخاصية أنه إذا كانت مصفوفة المسافة المدخلة صحيحة، فإن الشجرة الناتجة ستكون صحيحة أيضًا. علاوة على ذلك، تُضمن صحة بنية الشجرة الناتجة طالما أن مصفوفة المسافة "شبه جمعية"، وتحديدًا إذا كان كل عنصر في مصفوفة المسافة يختلف عن المسافة الحقيقية بأقل من نصف طول أقصر فرع في الشجرة. [ 8 ] عمليًا، نادرًا ما تُحقق مصفوفة المسافة هذا الشرط، لكن الربط الجواري غالبًا ما يُنشئ بنية الشجرة الصحيحة على أي حال. [ 9 ] تشير صحة الربط الجواري لمصفوفات المسافة شبه الجمعية إلى أنه متسق إحصائيًا في ظل العديد من نماذج التطور؛ فمع توفر بيانات ذات طول كافٍ، يُعيد الربط الجواري بناء الشجرة الحقيقية باحتمالية عالية. بالمقارنة مع خوارزميتي UPGMA و WPGMA ، يتميز الربط الجواري بأنه لا يفترض أن جميع السلالات تتطور بنفس المعدل ( فرضية الساعة الجزيئية ).
مع ذلك، فقد حلت طرق علم الوراثة العرقي محل طريقة الربط بين الجيران إلى حد كبير، إذ لا تعتمد هذه الطرق على قياسات المسافة وتوفر دقة فائقة في معظم الظروف. ومن عيوب طريقة الربط بين الجيران أنها غالباً ما تُسند أطوالاً سالبة لبعض الفروع.
التطبيقات والأنواع المختلفة
تتوفر العديد من البرامج التي تُطبّق خوارزمية الانضمام الجواري. ومن بين تطبيقات الانضمام الجواري التقليدية (أي باستخدام معايير تحسين الانضمام الجواري الكلاسيكية، وبالتالي إعطاء النتائج نفسها)، يُعتبر برنامجا RapidNJ (الذي بدأ العمل به عام 2003، وخضع لتحديث رئيسي عام 2011، ولا يزال يُحدّث حتى عام 2023) [ 10 ] وNINJA (الذي بدأ العمل به عام 2009، وآخر تحديث له عام 2013) [ 11 ] من أحدث البرامج في هذا المجال. وتتراوح أوقات تشغيلهما عادةً مع مربع عدد التصنيفات تقريبًا.
تشمل المتغيرات التي تنحرف عن النسخة الأصلية ما يلي:
- حسّنت طريقتَا BIONJ (1997) [ 12 ] وWeighbor (2000) [ 13 ] من دقة النتائج بالاستفادة من حقيقة أن المسافات الأقصر في مصفوفة المسافة معروفة بشكل أفضل من المسافات الأطول. وقد تم توسيع نطاق الطريقتين لتشمل مصفوفات المسافة غير المكتملة. [ 14 ]
- تحتفظ خوارزمية "البحث السريع عن العقدة" بأفضل عقدة، وتكون تعقيداتها الزمنية دائمًا من رتبة O(n^2)؛ بينما تُجري خوارزمية "البحث المريح عن العقدة" بحثًا تسلقيًا، وتحتفظ بتعقيداتها الزمنية في أسوأ الحالات من رتبة O(n^3). وتُعدّ خوارزمية البحث السريع عن العقدة أسرع من خوارزمية البحث المريح عن العقدة. [ 15 ]
- FastME هو تطبيق لطريقة التطور الأدنى المتوازن (BME) ذات الصلة الوثيقة (انظر § ربط الجوار كتطور أدنى ). وهو سريع تقريبًا ودقيق أكثر من NJ. يبدأ بشجرة تقريبية ثم يُحسّنها باستخدام مجموعة من الحركات الطوبولوجية مثل تبادلات أقرب جار (NNI). [ 16 ] FastTree هي طريقة مشابهة. تعمل على "ملفات تعريف" التسلسل بدلًا من المصفوفة. تبدأ بشجرة NJ تقريبية، ثم تُعيد ترتيبها إلى BME، ثم تُعيد ترتيبها إلى أقصى احتمال تقريبي. [ 17 ]
- يستخدم NeighborNet [ 18 ] مصفوفة Q ونوعًا مختلفًا من خطوة الاختزال لإنشاء الشبكات التطورية، بدلاً من الأشجار التطورية.
انظر أيضاً
مراجع
- ↑ سايتو، ن.؛ ني، م. (1 يوليو 1987). "طريقة الربط الجواري: طريقة جديدة لإعادة بناء الأشجار التطورية" . علم الأحياء الجزيئي والتطور . 4 (4): 406-425 . doi : 10.1093/oxfordjournals.molbev.a040454 . PMID 3447015 .
- ↑ كزافييه ديديلوت (2010). "التحليل القائم على التسلسل لبنية التجمعات البكتيرية" . في: د. آشلي روبنسون؛ دانيال فالوش؛ إدوارد ج. فيل (محررون). علم الوراثة السكانية البكتيرية في الأمراض المعدية . جون وايلي وأولاده. ص 46-47 . ISBN 978-0-470-42474-2.
- ↑ ستودير، جيه إيه؛ كيبلر، كيه جيه (نوفمبر 1988). "ملاحظة حول خوارزمية الربط الجواري لسايتو وني" . علم الأحياء الجزيئي والتطور . 5 (6): 729-31 . doi : 10.1093/oxfordjournals.molbev.a040527 . ISSN 1537-1719 . PMID 3221794 .
- ↑ مايلوند، توماس؛ برودال، جيرث إس؛ فاجربيرج، رولف؛ بيدرسن، كريستيان إن إس؛ فيليبس، ديريك (2006). "إعادة صياغة طريقة الربط الجواري" . بي إم سي بيوانفورماتيكس . 7 (1): 29. doi : 10.1186/1471-2105-7-29 . PMC 3271233. PMID 16423304 .
- ↑ براينت، ديفيد (يونيو 2005). "حول تفرد معيار الاختيار في خوارزمية الربط الجواري" . مجلة التصنيف . 22 (1): 3-15 . doi : 10.1007/s00357-005-0003-x . ISSN 0176-4268 .
- 1 2 غاسكويل أو، ستيل إم (2006). "الكشف عن خوارزمية الربط الجواري" . التطور البيولوجي الجزيئي . 23 (11): 1997-2000 . doi : 10.1093/molbev/msl072 . PMID 16877499 .
- 1 2 كوهنر، إم كيه؛ فيلسنشتاين، جيه. (1994-05-01). "مقارنة محاكاة لخوارزميات علم الوراثة في ظل معدلات تطور متساوية وغير متساوية" . علم الأحياء الجزيئي والتطور . 11 (3): 459-468 . doi : 10.1093/oxfordjournals.molbev.a040126 . ISSN 0737-4038 . PMID 8015439 .
- ↑ أتيسون ك (1997). "أداء خوارزميات الربط الجواري لإعادة بناء السلالات"، الصفحات 101-110 . في: جيانغ، ت.، ولي، د.، محرران،سلسلة محاضرات في علوم الحاسوب، 1276 ، سبرينغر-فيرلاغ، برلين. مؤتمر كوكوون 97.
- ↑ ميهايسكو ر، ليفي د، باتشر ل (2009). "لماذا تنجح خوارزمية الربط بين الجيران؟". Algorithmica . 54 (1): 1–24 . arXiv : cs/0602041 . doi : 10.1007/s00453-007-9116-4 . S2CID 2462145 .
{{cite journal}}: صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفين ( رابط ) - ↑ "RapidNJ" . birc.au.dk .
- ↑ "NINJA: أداة لاستنتاج علم الوراثة على نطاق واسع باستخدام طريقة الانضمام المجاورة - الصفحة الرئيسية" . wheelerlab.org .
- ^ "ATGC: BioNJ" . www.atgc-montpellier.fr .
- ↑ "الصفحة الرئيسية للميزان" . 5 مارس 2015. مؤرشف من الأصل في 2015-03-05.
- ↑ كريسكولو، ألكسيس؛ غاسكويل، أوليفييه (ديسمبر 2008). "خوارزميات سريعة شبيهة بخوارزمية NJ للتعامل مع مصفوفات المسافة غير المكتملة" . مجلة BMC Bioinformatics . 9 (1): 166. doi : 10.1186/1471-2105-9-166 . PMC 2335114. PMID 18366787 .
- ↑ سيمونسن، مارتن؛ مايلوند، توماس؛ بيدرسن، كريستيان ن. س. (2008). "الربط السريع للجوار" (ملف PDF) . الخوارزميات في المعلوماتية الحيوية . سلسلة محاضرات في علوم الحاسوب. المجلد 5251. الصفحات 113-122 . doi : 10.1007/978-3-540-87361-7_10 . ISBN 978-3-540-87360-0.
- ^ "ATGC: FastME" . www.atgc-montpellier.fr .
- ↑ "FastTree 2.1: أشجار الاحتمالية القصوى التقريبية للمحاذاة الكبيرة" . www.microbesonline.org .
- ↑ براينت، د. (29-08-2003). "شبكة الجوار: طريقة تجميعية لبناء الشبكات التطورية" . علم الأحياء الجزيئي والتطور . 21 (2): 255-265 . doi : 10.1093/molbev/msh018 . ISSN 0737-4038 .
مصادر أخرى
- ستودير، جيه. إيه.، وكبلر، كيه. جيه. (1988). "ملاحظة حول خوارزمية الربط الجواري لسايتو وني" . التطور البيولوجي الجزيئي . 5 (6): 729-731 . doi : 10.1093/oxfordjournals.molbev.a040527 . PMID 3221794 .
- مارتن سيمونسن؛ توماس مايلوند؛ كريستيان إن إس بيدرسن (2008). "الربط السريع للجوار". الخوارزميات في المعلوماتية الحيوية . سلسلة محاضرات في علوم الحاسوب. المجلد 5251. الصفحات 113-122 . CiteSeerX 10.1.1.218.2078 . doi : 10.1007/978-3-540-87361-7_10 . ISBN 978-3-540-87360-0.
روابط خارجية
- طريقة الربط بين الجيران ( مؤرشفة بتاريخ 9 يوليو 2021 في أرشيف الإنترنت ) - دليل تعليمي
- خوارزميات المعلوماتية الحيوية
- علم الوراثة العرقي
- علم الوراثة الحاسوبي
- خوارزميات تحليل التجميع
