구조적 특징에 기반한 대사 경로 레이아웃 알고리즘

Abstract

In metabolomics, metabolic pathway is represented by well-displayed graph. Metabolic pathways, especially, have a complex binding structure, which makes the graphical representation hard to visualize. So graph layout techniques are a vital part in systems biology in order to enhance understanding and use of visualized chemical reaction pathways in our body. There is a problem that edge crossings exponentially increase as the number of nodes grows. To apply automatic graph layout techniques to the genome-scale metabolic flow of metabolism domains, it is very important to reduce unnecessary edge crossing on a metabolic pathway layout. This thesis proposes novel algorithms for drawing metabolic pathways in not only two dimensions (2D) but two and a half dimensions (2.5D). First we proposed an improved 2D layout algorithm based on structural properties. It enhances the readability by making use of the bipartite graph. Specially, we reduce unnecessary edge crossings by utilizing the characteristic of a metabolic network as a scale-free network. Second, we proposed metabolic pathway layout modules in 2.5D as an alternative to 3D visualizations. Metabolic pathways are displayed in two parallel planes, however with interdependent layouts, hierarchically. The meaningful components existing in a pathway are translated to an upper layer based on 2D pathway layout result. It enhances the legibility and reduces unnecessary edge-crossings by using 3D layout modules instead of 2D layout algorithms. Third, we proposed an improved metabolic pathway layout algorithm in 2.5D based on 2-layer layout. Our algorithm searches any meaningful component existing in a pathway, such as circular components, highly connected nodes, and the components are drawn in upper layer. Then the remaining subgraphs except meaningful components are drawn in lower layer by utilizing a new radial layout algorithm. It reduces ultimately reduced the number of edge crossings. This algorithm is the basis of flexible analysis for metabolic pathways. Finally we extend 2.5D pathway layout algorithm with 2-layers to 2.5D pathway layout algorithm with 3-layers. The algorithm is designed for more flexible and balanced drawing of more complex metabolic pathway graph. Meaningful components of a pathway and 2 groups for other components except meaningful components are drawn in three parallel planes, center layer, upper layer, lower layer. It is suitable to draw not only a single pathway graph but pathway network composed of multiple pathways. ;생명체 내에서 나타나는 네트워크 중 하나인 대사 경로는 화합물의 상호 관계를 그래프를 통해 표현된다. 대사 경로는 본질적인 복잡성 때문에 대사 경로 내의 흐름을 한 눈에 알 수 있도록 가시화하여 보여 주는 도구가 반드시 필요하다. 이러한 가시화 도구의 경우 노드수가 증가할수록 에지 교차가 기하급수적으로 증가하는 문제가 있다. 따라서 유전체 수준의 대사 경로를 연구하기 위해서는 대사 경로 그래프 레이아웃 상에 나타나는 에지 교차를 줄이는 것이 시각화의 매우 중요한 부분이다. 본 논문에서는 대사 경로의 구조적인 특징에 기반한 2차원 및 3차원 레이아웃 알고리즘을 제안한다. 첫째, 대사 경로의 구조적인 특징을 고려한 2차원 레이아웃 알고리즘을 제안한다. 대사 경로 그래프의 구조로 이분 그래프의 구조를 이용하여 가독성을 높인다. 또한 대사 경로가 ‘척도 없는 네트워크’ 구조를 갖는다는 사실을 반영하여 대사 경로를 레이아웃 함으로써 노드 증가에 따른 에지 교차 증가 현상을 완화시킬 수 있다. 둘째, 2-계층을 이용한 2.5차원 대사 경로 레이아웃 모듈을 제안한다. 2-계층을 이용한 2.5차원 대사 경로 레이아웃 모듈은 대사 경로 그래프를 3차원 상의 평행한 2-계층을 이용하여 계층적으로 레이아웃 한다. 2차원 대사 경로 레이아웃 알고리즘을 적용한 결과를 바탕으로 대사 경로 그래프 상에 존재하는 주요 컴포넌트를 3차원 상의 상위 계층으로 평행이동 시킴으로써 레이아웃 결과를 얻는다. 그 결과 표현 영역을 3차원으로 확장시킴으로써 가독성을 높이고, 에지 교차수를 감소시키는 결과를 얻는다. 셋째, 새로운 2-계층을 이용한 2.5차원 대사 경로 레이아웃 알고리즘을 제안한다. 대사 경로의 구조적 특징을 고려하여 대사 경로 그래프에 존재하는 주요 컴포넌트인 환형 컴포넌트 또는 연결성 높은 노드를 찾아 상위 계층에 레이아웃 하고 나머지 부분그래프는 하위 계층에 새로 제안한 방사 레이아웃 알고리즘을 이용하여 레이아웃 한다. 실험을 통해 2차원 레이아웃 알고리즘을 적용했을 때보다 에지 교차수가 현저히 줄어듦을 확인할 수 있다. 2-계층을 이용한 2.5차원 대사 경로 레이아웃 알고리즘은 유연성 있는 대사 경로 분석의 기초가 된다. 넷째, 2-계층을 이용한 2.5차원 대사 경로 레이아웃 알고리즘을 확장하여 좀더 유연성 있는 3-계층을 이용한 2.5차원 대사 경로 레이아웃 알고리즘을 제안한다. 3-계층을 이용한 2.5차원 대사 경로 레이아웃 알고리즘은 좀 더 크고 복잡한 대사 경로 그래프에 대해 보다 나은 레이아웃 결과를 얻고자 설계한 알고리즘이다. 대사 경로에 존재하는 주요 컴포넌트와 주요 컴포넌트를 제외한 나머지 부분을 두 그룹으로 나누어 각각 중앙 계층, 상위 계층, 하위 계층에 나누어 균형 있게 레이아웃 한다. 이는 사이즈가 큰 단일 대사 경로 그래프뿐만 아니라 대사 경로 네트워크를 레이아웃 하는 방법으로 사용하기에 적합하다.