Вывод по методу наименьших квадратов в филогении - Least squares inference in phylogeny

Вывод по методу наименьших квадратов в филогении генерируетфилогенетическое дерево на основе наблюдаемой матрицы попарных генетические расстояния и, необязательно, весовая матрица. Цель состоит в том, чтобы найти дерево, которое максимально удовлетворяет ограничениям по расстоянию.

Обычные и взвешенные методы наименьших квадратов

Расхождение наблюдаемых попарных расстояний ${displaystyle D_{ij}}$и расстояния ${displaystyle T_{ij}}$ по филогенетическому дереву (т.е. сумма длин ветвей на пути от листа ${displaystyle i}$ листать${displaystyle j}$) измеряется

${displaystyle S=sum _{ij}w_{ij}(D_{ij}-T_{ij})^{2}}$

где гири ${displaystyle w_{ij}}$ зависят от используемого метода наименьших квадратов. Построение дерева наименьших квадратов и расстояний направлено на поиск дерева (топология и длины ветвей) с минимальной S. Это нетривиальная задача. Он включает поиск в дискретном пространстве топологий двоичных деревьев без корней, размер которых экспоненциально зависит от числа листьев. Для n листов существует 1 • 3 • 5 • ... • (2n-3) различных топологий. Перечислить их уже при небольшом количестве листьев невозможно. Для нахождения достаточно хорошей топологии используются методы эвристического поиска. Оценка S для данной топологии (которая включает вычисление длин ветвей) - это линейный метод наименьших квадратов Проблема: есть несколько способов взвешивания квадратов ошибок.${displaystyle (D_{ij}-T_{ij})^{2}}$, в зависимости от знаний и предположений о вариациях наблюдаемых расстояний. Если об ошибках ничего не известно или предполагается, что они распределены независимо и равны для всех наблюдаемых расстояний, тогда все веса ${displaystyle w_{ij}}$ установлены на единицу. Это приводит к обычной оценке методом наименьших квадратов. В случае взвешенного метода наименьших квадратов ошибки считаются независимыми (или их корреляции неизвестны). Учитывая независимые ошибки, в идеале конкретный вес должен быть установлен на величину, обратную дисперсии соответствующей оценки расстояния. Иногда дисперсии могут быть неизвестны, но они могут быть смоделированы как функция оценок расстояния. В методе Фитча и Марголиаша^[1]например, предполагается, что дисперсия пропорциональна квадрату расстояний.

Обобщенный метод наименьших квадратов

Описанные выше обычные и взвешенные методы наименьших квадратов предполагают независимые оценки расстояния. Если расстояния выводятся из геномных данных, их оценки коварируются, потому что эволюционные события на внутренних ветвях (истинного дерева) могут одновременно сдвигать несколько расстояний вверх или вниз. Полученные ковариации можно учесть, используя метод обобщенных наименьших квадратов, т.е. минимизируя следующую величину

${displaystyle sum _{ij,kl}w_{ij,kl}(D_{ij}-T_{ij})(D_{kl}-T_{kl})}$

куда ${displaystyle w_{ij,kl}}$ являются элементами, обратными ковариационная матрица оценок расстояния.

Вычислительная сложность

Нахождение длин дерева и ветвей с минимизацией остатка наименьших квадратов является НП-полный проблема.^[2] Однако для данного дерева оптимальные длины ветвей могут быть определены в ${displaystyle O(n^{2})}$ время для обычных наименьших квадратов, ${displaystyle O(n^{3})}$ время для взвешенных наименьших квадратов, и ${displaystyle O(n^{4})}$ время для обобщенных наименьших квадратов (учитывая обратное ковариационная матрица ).^[3]

внешняя ссылка

• ФИЛИП, свободно распространяемый пакет филогенетического анализа, содержащий реализацию метода взвешенных наименьших квадратов.
• PAUP, аналогичный пакет доступен для покупки
• Дарвин, среда программирования с библиотекой функций для статистического, числового, последовательного и филогенетического анализа

Рекомендации

1. Fitch WM, Марголиаш Э. (1967). Построение филогенетических деревьев. Наука 155: 279-84.
2. Уильям Х. День, Вычислительная сложность вывода филогении из матриц несходства, Вестник математической биологии, том 49, выпуск 4, 1987 г., страницы 461-467, ISSN 0092-8240, Дои:10.1016 / S0092-8240 (87) 80007-1.
3. Дэвид Брайант, Питер Уодделл, Быстрая оценка критериев наименьших квадратов и минимальной эволюции на филогенетических деревьях, Mol Biol Evol (1998) 15 (10): 1346