Cytoscape es un componente de software fundamental que es utilizado en campos de investigación de ramas como biología, sociología, informática, entre otras. Este software cuenta con aplicaciones en sitios web y servidores permitiendo a usuarios interactuar con diversas redes de visualización de datos y análisis de redes. Cytoscape es mayormente utilizado para crear visualizaciones interactivas, representación de datos o almacén de datos de redes de interacción proteína-proteína (IPP) Franz, M., Lopes, C. T., Fong, D., Kucera, M., Cheung, M., Siper, M. C., Huck, G., Dong, Y., Sumer, O., & Bader, G. D. (2023). Cytoscape.js update: a graph theory library for visualization and analysis. Bioinformatics (Oxford, England), 39(1). https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btad031. centro|miniaturadeimagen|354x354px|Red general de interacción proteína-proteína de Arabidopsis thaliana extraída de IntAct, modificada en Cytoscape 3.10.3.
Historia Cytoscape se creó originalmente en el Instituto de Biología de Sistemas de Seattle en 2002. Actualmente, lo está desarrollando un consorcio internacional de desarrolladores de código abierto. Cytoscape se hizo público inicialmente en julio de 2002 (v0.8); la segunda versión (v0.9) estuvo disponible en noviembre de 2002 y la v1.0 se lanzó en marzo de 2003. La versión 1.1.1 es la última versión estable de la serie 1.0. La versión 2.0 se lanzó inicialmente en 2004; Cytoscape 2.8.3, la versión final 2.xx, se lanzó en mayo de 2012. El lanzamiento del Cytoscape v3 en el 2014 mejoró la compatibilidad con aplicaciones de complementos de la tiendad de extensiones, y se han centrado en actualizar funciones como los estilos visuales (VizMapper), filtrado rápido de nodos, la capacidad de la red, la velocidad en general y la interfaz. En la última versión 3.10.3 lanzada en octubre del 2024 han implementado etiquetas del panel de estilo, además de imponer el uso de nombres de columnas en todas las redes, correcciones del cuadro de diálogo, generador de ecuaciones, entre otras mejoras.Cytoscape User Manual (cytoscape.org), Biostatistics Resource Conceptos clave para el análisis de redes biológicas
Nodo Es la esquematización más simple como un punto que puede representar, por ejemplo, una proteína siendo un nodo y las proteínas que interactúan con ella se representan como nodos adyacentes conectados por una línea que refleja la interacción Wagner A. (2003). How the global structure of protein interaction networks evolves. Proc Biol Sci. Mar 7;270(1514):457-66. https://doi.org/10.1098/rspb.2002.2269.
Dentro de las redes de interacción se puede determinar la importancia de un nodo de acuerdo con las medidas más utilizadas como la centralidad de grado Vignery K, Laurier W. (2020). A methodology and theoretical taxonomy for centrality measures: What are the best centrality indicators for student networks? PLoS ONE 15(12): e0244377. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0244377. Cuantas más interacciones tenga un nodo, más importante será para la red, lo que se define como un nodo central Winterbach, W., Mieghem, PV, Reinders, M. et al. (2013) Topology of molecular interaction networks. BMC Syst Biol 7, 90 https://doi.org/10.1186/1752-0509-7-90Milenković, T., Memišević, V., Bonato, A., & Pržulj, N. (2011). Dominating biological networks. PloS one, 6(8), e23016. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0023016.
Interacción Es la representación lineal de la conexión entre nodos, también llamado vértice. Una interacción entre nodos representa cómo estos, dependiendo de su entidad biológica, se relacionan entre sí para participar en un proceso biológico o en algún rool ecológico. Las interacciones también nos permiten formular hipótesis analíticas acerca de las funciones de proteínas, genes o entidades biológicas a partir de las interacciones de estos con sus primeros vecinos Titz, B., Schlesner, M., & Uetz, P. (2004). What do we learn from high-throughput protein interaction data? Expert Review of Proteomics, 1(1), 111–121. https://doi.org/10.1586/14789450.1.1.111.
Redes de interacción miniaturadeimagen|Red de genes de Arabidopsis thaliana extraída de IntAct y modificada en Cytoscape versión 3.10.3. Cada nodo contiene el identificador del Instituto Europeo de Bioinformática (EBI). En esta figura se muestran los elementos que conforman una red de interacción y un ejemplo de un nodo central. Las redes de interacción nos ayudan a comprender las estructuras y funciones de sistemas complejos, brindando información de patrones identificables, predicción de comportamientos de sistemas, análisis de estabilidad, entre otras. Un ejemplo son las redes genéticas, que permiten estudiar patrones de conexión para identificar genes clave en rutas metabólicas. Por otra parte, en redes ecológicas, se puede analizar una red trófica para revelar datos como la importancia de ciertas especies o interacción entre especie. De igual manera, también es posible estudiar las redes de interacción proteína-proteína, las cuales representan un total de proteínas que se relacionan modularmente, es decir, que interactúan entre sí para un determinado proceso bioquímicoYilmaz, M.; Paulic, M.; Seidel, T. (2022). Interactome of Arabidopsis thaliana. Plantas (Basilea, Suiza), 11(3), 350. https://doi.org/10.3390/plants11030350.
Primeros y segundos vecinos Una red de interacción contiene nodos centrales, los nodos que interactúan directamente con los nodos centrales se conocen como primeros vecinos, los segundos vecinos son los nodos que interactúan con los primeros vecinos, pero no directamente con el nodo central Albert, I., & Albert, R. (2004). Conserved network motifs allow protein-protein interaction prediction. Bioinformatics (Oxford, England), 20(18), 3346–3352. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/bth402.
Topología de redes Son las diferentes estructuras de comunicación que se pueden presentar durante la organización de una red. Cada tipo de topología nos indica que tipo de flujo de información se está llevando a cabo. Existen varios tipos de topología: miniaturadeimagen|Topología de redes de interacción. a) La organización más pequeña muestra información sobre nodos únicos. b) Con tres o más nodos hace referencia a motivos. c) Los grupos más grandes de nodos se denominan módulos. d) En conjunto las organizaciones anteriores forman parte de la organización global de una red.
Nodo: Es la estructura más sencilla de una red que consta de un solo nodo. Motivo: Es la representación de patrones entre conexiones específicas que hay entre un pequeño grupo de nodos, estos motivos tienden a presentar funciones o regular procesos. Módulos: Son distintos grupos de nodos que están densamente conectados entre sí. Estos módulos representan unidades funcionales dentro de una gran red; la participación de distintos nodos a manera de módulos indica que participan en el mismo proceso. Organización global: es la estructura global de una red y esquematiza cómo los nodos se vinculan para formar motivos, los motivos se combinan para formar módulos y los módulos se unen para formar toda la red. Gulbahce, N., y Lehmann, S. (2008). El arte de la detección de comunidades. BioEssays: News and Reviews in Molecular, Cellular and Developmental Biology, 30 (10), 934–938. https://doi.org/10.1002/bies.20820
Métricas de Centralidad El análisis de redes permite identificar características estructurales fundamentales que revelan información sobre la importancia relativa de los nodos y sus conexiones. A continuación, se describen dos de los análisis más utilizados en Cytoscape.
Análisis de Grado El Grado (Degree) es el número de interacciones que tiene un nodo con otros nodos, si un nodo tiene un grado de 4 significa que está conectado a 4 nodos. Cuanto mayor sea el grado de conexión de un nodo, más central será y se puede relacionar con la importancia biológica de un gen o proteína en procesos específicos.
Centralidad de Clique Máximo (MCC, por sus siglas en inglés) Es un método de análisis topológico que se utiliza para identificar nodos centrales basado en cuántas “cliques máxima "contiene cada nodo. En este sentido, una “clique máxima” se define como un subconjunto de nodos que están altamente conectados entre sí, y cuyo tamaño depende del número de nodos que contiene. La diferencia entre el Degree y el MCC, es que cada nodo puede formar parte de distintos cliques, y el MCC mide que tan importante es un nodo de acuerdo con su papel en el clique más grande. Este análisis permite identificar proteínas centrales dentro de una red de interaccionesWang, M., Wang, H., & Zheng, H. A. (2022) Mini Review of Node Centrality Metrics in Biological Networks. International Journal of Network Dynamics and Intelligence. 1(1), 99–110. https://doi.org/10.53941/ijndi0101009.
Centralidad de intermediación (betweenness)
Mide la importancia de un nodo dentro de una red biológica, determina el grado en que un nodo actúa como un puente o intermediario entre otros nodos en la red .
Se dice que un nodo tiene alto betwenness cuando este nodo participa de manera repetida en la transferencia de información entre los nodos de la red. Es el responsable de transmitir la información y puede detener su flujo o distorsionar lo que se transmite. Si un nodo con alto betwenness es eliminado provocaría la interrupción de la comunicación.
Tabla de comandos básicos para la construcción de redes biológicas Para la creación de redes biológicas es necesario tener conocimientos previos sobre bases de datos que recopilan información acerca de interacciones que se desean estudiar. En algunos casos es posible extraer los datos de las interacciones de la red completa de un organismo o específicamente de módulos asociados a un mecanismo en particular. La información básica con la que se debe contar para la construcción de una red, son los nodos y el tipo de interacción que los relaciona. En algunas bases de datos es posible obtener información adicional, con la finalidad de profundizar en los análisis que se estén realizando. A continuación, se describen las cuatro formas de crear redes en Cytoscape: Tipo de construcciónDescripciónComandoEjemplo
Importando archivos de la red preexistentes con formato fijo.
Es necesario tener previamente descargado el archivo de la red (bases de datos) en alguno de estos formatos: SIF, GML, XGMML, para que Cytoscape pueda desplegar correctamente la red.
Hacer clic en la pestaña de:
File→ Import→ Network from file miniaturadeimagen|izquierda
Esto permitirá diseñar y agregar atributos específicos a la red de acuerdo con las necesidades que requiera el trabajo.
Importando archivos de Excel preexistentes.
Se realiza con tablas de atributos, que son archivos de Excel donde el usuario elige las columnas que representan los nodos y se asignan características a cada uno de los nodos de la red. Este tipo de tablas facilita el análisis de las redes cuando se evalúan diferentes características asociadas.
1.- Hacer clic en la pestaña de File → Import → Network from file En la figura se muestra la tabla mínima para construir una red, esta debe contener al menos dos columnas, una llamada SOURCE y otra llamada TARGET para que Cytoscape sea capaz de crear una red con interacciones entre al menos dos nodos.
miniaturadeimagen|izquierda Como resultado se obtiene la red con el formato predeterminado.miniaturadeimagen|izquierda
Importando desde bases de datos públicasPermite importar redes desde bases de datos públicas. También hay una barra de búsqueda en la parte superior en el panel de control para acceder directamente a las bases de datos File→ Import→ Network from Public Databasesminiaturadeimagen|izquierda