Αντικείμενο της παρούσας εργασίας είναι η ταξινόμηση των χρωμοσωμάτων, η οποία είναι βασισμένη σε εικόνα-ομαδοποίηση. Σκοπός αυτής της μεθόδου είναι η ταξινόμηση των χρωμοσωμάτων που δείχνει κάθε εικόνα. Στην πραγματικότητα δίνονται έξι (6) διαφορετικές εικόνες που κάθε μία αντιστοιχεί σε μία διαδικασία χρώσης (dye). Κάθε χρωμόσωμα παίρνει έξι τιμές (μία από κάθε εικόνα) από τις οποίες και ταυτοποιείται. Οι διαδικασίες της ταυτοποίησης είναι διαδικασίες ομαδοποίησης και ταξινόμησης. Η ομαδοποίηση γίνεται στον 6-διάστατο χώρο των χαρακτηριστικών και έπειτα γίνεται η ταξινόμηση στο επίπεδο της εικόνας. Η ταξινόμηση αυτή δημιουργεί έναν χάρτη που ονομάζεται καρυότυπος και ο οποίος αναφέρεται στην ταυτοποίηση (αναγνώριση) των χρωμοσωμάτων. Είναι δηλαδή το σύνολο των χρωμοσωμάτων του με τη συγκεκριμένη μορφολογία τους. Ως γνωστόν, ο άνθρωπος έχει 46 διαφορετικά χρωμοσώματα σε κάθε σωματικό του κύτταρο, τακτοποιημένα σε 22 ζευγάρια, τα οποία είναι μορφολογικά ίδια στα αρσενικά και στα θηλυκά άτομα και ονομάζονται αυτοσωμικά ή αυτοσωματικά. Το εικοστό τρίτο ζεύγος που απομένει καθορίζει το φύλο, δηλαδή στη γυναίκα αποτελείται από δύο όμοια χρωμοσώματα, τα XX, ενώ στον άνδρα από δύο διαφορετικά, τα ΧΥ και ονομάζονται χρωμοσώματα φύλου ή φυλετικά. Επομένως, υπάρχουν 24 κατηγορίες χρωμοσωμάτων. Πραγματοποιήθηκαν δύο εφαρμογές σε εικόνες της βάσεως δεδομένων M-FISH (Multiplex or Multicolor Fluorescence In Situ Hybridization), μέσω MATLAB. Η πρώτη εφαρμογή εκτελέστηκε με τη χρήση της Ευκλείδειας απόστασης για την εύρεση του πλησιέστερου γείτονα (nearest neighbor). Eνώ, η δεύτερη μέθοδος με χρήση του αλγόριθμου FCM (Fuzzy C-Means), ο οποίος δίνει τη δυνατότητα διαχωρισμού των n στοιχείων σε c ομάδες, όπου κάθε ομάδα έχει και ένα κέντρο V. Στην ουσία, ξεκινά από ένα τυχαίο σημείο και ύστερα από επαναλήψεις βρίσκει τα σωστά κέντρα. / The object of present work is the classification of chromosomes, which is based on picture-regrouping. Aim of this method is the classification of chromosomes that shows each picture. Actually they are given six (6) different pictures that every correspond in a process of pigmentation (dye). Each chromosome takes six values (one of each picture) from which also is identifying. The processes of identification are processes of regrouping and classification. The regrouping becomes in the 6-dimensional space of characteristics and then becomes the classification in the level of picture. This classification creates a map that is called karyotype and which is reported in the identification of chromosome, depending on it’s form and size. As we know, the person has 46 different chromosomes in each of his bodily cell, arranged in 22 pairs, which are morphological, same in arsenics and in feminine individuals and are named autosomes. The twentieth third pair that remains determines the sex, that is to say in the woman is constituted by two similar chromosomes, the XX, while in the man from the two otherwise, XY. Consequently, there are 24 types or categories of chromosomes. Were realised two applications in pictures of base of data M-FISH (Multiplex Fluorescence In Situ Hybridization), via MATLAB. The first application was executed with the use of Euclidean distance for the finding of nearest neighbour. While, the second method using FCM algorithm (Fuzzy C-Means), which gives the possibility of segregation of n of elements in c teams, where each team has also a centre V. In the substance, it begins from a accidental point and after repetitions finds the right centres.

Στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής μελετήθηκαν οι φυλογενετικές σχέσεις των χρωμοσωματικών φυλών του είδους M. thomasi με κυτταρογενετικές και μοριακές προσεγγίσεις. Συλλέχθηκαν συνολικά 408 άτομα από 65 τοποθεσίες της Ελλάδας, της Αλβανίας και του Μαυροβουνίου, που μελετήθηκαν με κλασικές κυτταρογενετικές μεθόδους (πρότυπο G & C ζώνωσης), συγκριτική μοριακή κυτταρογενετική ανάλυση με δείκτες τελομερικές και δορυφορικές αλληλουχίες, μοριακή φυλογένεση με δείκτες μιτοχονδριακούς γενετικούς τόπους (cytb, D-loop) και εργαστηριακές διασταυρώσεις ανάμεσα σε άτομα από διαφορετικές χρωμοσωματικές φυλές. Τα αποτελέσματα της παρούσας διατριβής δείχνουν ότι οι σκαπτοποντικοί από την Αττική και την Εύβοια παρουσιάζουν σημαντικές διαφορές σε σχέση με τους υπόλοιπους πληθυσμούς, σε όλες τις προσεγγίσεις που χρησιμοποιήθηκαν και προτείνεται να θεωρηθούν ως διακριτό είδος με το όνομα Microtus atticus, όπως είχε αρχικά περιγραφεί από τον Miller το 1910. Τα δύο αδελφά είδη M. thomasi και M. atticus έχουν παρόμοιο πρότυπο C και G ζώνωσης στα αυτοσωματικά χρωμοσώματα, αλλά διαφέρουν ως προς την σύσταση της ετεροχρωματίνης των Χ χρωμοσωμάτων (στο Μ. atticus αποτελείται κυρίως από τη δορυφορική αλληλουχία Mth-Alu900, ενώ στο M. thomasi από τελομερικές αλληλουχίες), παρουσιάζουν αναπαραγωγική απομόνωση (σε εργαστηριακές συνθήκες δίνουν στείρα F1 υβρίδια) και παρουσιάζουν γενετικές αποστάσεις, παραπλήσιες με άλλα στενά συγγενικά είδη Microtus ως προς τους μιτοχονδριακούς γενετικούς τόπους (cytb: 2,7% και D-loop: 2,6%). Τα δύο παραπάνω είδη παρουσιάζουν εκτεταμένους χρωμοσωματικούς πολυμορφισμούς που ομαδοποιούνται σε εννέα χρωμοσωματικές φυλές στο είδος M. thomasi: “thomasi” (2n=44, FN=44), “peloponnesiacus" (2n=44, FN=46), “Tichio” (2n=42, FN=44), “Rb-subalpine”(2n=40, FN=42), “subalpine” (2n=42, FN=42), “Preveza” (2n=40, FN=42), “Kali” (2n=40, FN=42), “Aridea” (2n=38, FN=42), “Edessa”(2n=38, FN=40) και δύο φυλές στο είδος M. atticus: "atticus" (2n=44, FN=46), "Evia" (2n=44, FN=44). Με βάση τα αποτελέσματα των εργαστηριακών διασταυρώσεων, τη φυλογενετική και την κυτταρογενετική μελέτη, πραγματοποιήθηκε μία εκτεταμένη αναθεώρηση της προέλευσης των ήδη γνωστών χρωμοσωματικών φυλών, ενώ βρέθηκαν και περιγράφηκαν νέες χρωμοσωματικές φυλές. Οι πληθυσμοί σκαπτοποντικών από την Αττική και την Πελοπόννησο, που σύμφωνα με παλαιότερες εργασίες, είχαν περιγραφεί ως "atticus" και άνηκαν στο είδος M. thomasi, στην παρούσα διδακτορική διατριβή διαχωρίζονται σε δύο χρωμοσωματικές φυλές, που κατατάσσονται στα δύο διαφορετικά είδη. Οι πληθυσμοί από την Αττική ανήκουν στη φυλή "atticus" και κατατάσσονται στο είδος M. atticus, ενώ οι πληθυσμοί σκαπτοποντικών από την Πελοπόννησο θεωρούνται ως μία διακριτή φυλή, την "peloponnesiacus" και κατατάσσονται στο είδος M. thomasi. Οι χρωμοσωματικές φυλές του είδους M. thomasi: “Tichio”, “Preveza”, “Kali” και "Edessa" που είχαν αναφερθεί ως πολυμορφισμοί σε παλαιότερες εργασίες, περιγράφονται πια ως διακριτές χρωμοσωματικές φυλές. Επίσης, περιγράφονται για πρώτη φορά η χρωμοσωματική φυλή “Aridea” (2n=38, FN=42) του είδους M. thomasi και η χρωμοσωματική φυλή "Evia" (2n=44, FN=44) του είδους M. atticus. Οι χρωμοσωματικές φυλές "atticus" του είδους M. atticus και "peloponnesiacus", "subalpine", "Kali" και "Edessa" του είδους M. thomasi διασταυρώθηκαν στο εργαστήριο με την θεωρούμενη ως πιο πρωτόγονη φυλή "thomasi" του είδους M. thomasi. Η χρωμοσωματική φυλή "atticus", που ανήκει στο είδος M. atticus, έδωσε στείρους απογόνους με τις φυλές "peloponnesiacus" και "thomasi", που ανήκουν στο είδος M. thomasi. Οι σκαπτοποντικοί της φυλής "subalpine" έδωσαν γόνιμους απογόνους στην F1 γενεά, στην F2 γενεά και στις ανάδρομες διασταυρώσεις, όταν διασταυρώνονται με σκαπτοποντικούς της φυλής "thomasi". Αντίθετα, οι σκαπτοποντικοί της φυλής "Kali" έδωσαν στείρους απογόνους στην F2 γενεά, ενώ οι σκαπτοποντικοί της φυλής "Edessa" έδωσαν στείρους απογόνους στην F1 γενεά, όταν διασταυρώνονται με σκαπτοποντικούς της φυλής "thomasi", αν και ανήκουν στο ίδιο είδος. Η αναπαραγωγική απομόνωση των φυλών "Kali" και "Edessa", από τη φυλή "thomasi" οφείλεται σε χρωμοσωματικές ασυμβατότητες και αποτελεί ένδειξη ότι η γενετική διαφοροποίηση των χρωμοσωματικών φυλών μπορεί να οδηγήσει υπό προϋποθέσεις σε ειδογένεση. Με βάση την παλαιογεωγραφία του ελληνικού χώρου και την συγκριτική ερμηνεία των αποτελεσμάτων που προέκυψαν από όλες τις προσεγγίσεις, παρουσιάζεται ένα πιθανό σενάριο της εξελικτικής ιστορίας των χρωμοσωματικών φυλών των ειδών M. thomasi και M. atticus. Υποθέτουμε ότι η προγονική μορφή των δύο ειδών βρισκόταν σε παγετώδες καταφύγιο της Νότιας Ελλάδας κατά την τελευταία παγετώδη περίοδο (πριν από 10.000-125.000 χρόνια). Εξαιτίας οικολογικών ή/και παλαιοκλιματολογικών παραγόντων, ο αρχικός πληθυσμός διασπάστηκε σε δύο υποπληθυσμούς, που σταδιακά διαφοροποιήθηκαν σε διακριτά είδη. Με το τέλος της πρόσφατης παγετώδους περιόδου, η σταδιακή βελτίωση των κλιματολογικών συνθηκών, επέτρεψε στο είδος M. thomasi να αποικίσει την Κεντρική και Βόρεια Ελλάδα, την Αλβανία και το Μαυροβούνιο, όπου διαμορφώθηκαν σταδιακά όλες οι γνωστές χρωμοσωματικές φυλές. Αντίθετα, οι αλλαγές στο ηπειρωτικό ανάγλυφο, όπως η άνοδος της στάθμης της θάλασσας και ο αποχωρισμός της Εύβοιας από την Στερεά Ελλάδα, απομόνωσαν το είδος M. atticus στην περιοχή της Αττικής και της Εύβοιας αποτρέποντας την περαιτέρω εξάπλωσή του. / During the current PhD project, the phylogenetic relationships of the chromosomal races of the underground vole Microtus thomasi were examined through cytogenetic and molecular approaches. In total, 408 voles were collected from 65 localities of Greece, Albania and Montenegro, in order to clarify their phylogenetic relationships with classical cytogenetic techniques (G and C banding), comparative cytogenetic analysis with telomeric and satellite markers, molecular phylogeny with markers mtDNA markers (cytb, D-loop) and hybridization experiments between voles from distinct chromosomal races. Our results indicate that the voles from Attiki and Evia seem to be differentiated from other populations, based in all applied approaches. In this context, we propose that the populations from Attiki and Evia should be considered as a distinct species, validating the species name Microtus atticus, as it has been originally described by Miller at 1910. The two sibling species, Microtus thomasi and Microtus atticus have karyotypes with similar G and C banding pattern, but differ in the content of the X chromosome heterochromatin (mainly Mth-Alu900 satellite sequence in M. atticus, telomeric repeats in M. thomasi), appear reproductively isolated (produce sterile F1 hybrids when crossed in laboratory conditions) and the between species genetic distances were calculated similar to other closely related Microtus species (2,7% for cytb and 2,6% for D-loop). The two species demonstrate an extensive chromosomal polymorphism, resulting in the description of nine chromosomal races in M. thomasi: “thomasi” (2n=44, FN=44), “peloponnesiacus" (2n=44, FN=46), “Tichio” (2n=42, FN=44), “Rb-subalpine”(2n=40, FN=42), “subalpine” (2n=42, FN=42), “Preveza” (2n=40, FN=42), “Kali” (2n=40, FN=42), “Aridea” (2n=38, FN=42), “Edessa”(2n=38, FN=40) and two chromosomal races in M. atticus: "atticus" (2n=44, FN=46), "Evia" (2n=44, FN=44). Based on the results from the hybridization experiments, the molecular phylogenetic and the cytogenetic analysis, we proceed to the re-evaluation of the known chromosomal races and the description of new chromosomal races. The voles from Attiki and Peloponnesus, which were described to the "atticus" chromosomal race of the species M. thomasi according to previous publications, are distinguished in two races, which are attributed to distinct species. In fact, the voles from Attiki are attributed to "atticus" race and classified in M. atticus, while the voles from Peloponnesus are attributed to a new race, named "peloponnesiacus" and classified to M. thomasi. The race "atticus", consisting of the populations from Attiki and Peloponnesus according to previous studies, was distinguished in two distinct, reproductively isolated races: "atticus" (2n=44, FN=46) (populations from Attiki) attributed to M. atticus, and "peloponnesiacus" (2n=44, FN=46) (populations from Peloponnesus), attributed to M. thomasi. Furthermore, we described four chromosomal races (“Tichio”, “Preveza”, “Kali” και "Edessa") in the species M. thomasi, which were referred in previous works as chromosomal polymorphisms. In the same context, we described for first time the chromosomal race "Aridea" (2n=38, FN=42) in the species M. thomasi and the chromosomal race "Evia" (2n=44, FN=44) in the species M. atticus. The chromosome races "atticus" of the species M. atticus and "peloponnesiacus", "subalpine", "Kali" and "Edessa" of the species M. thomasi, were crossed in laboratory conditions with the most primitive form "thomasi" of the species M. thomasi. The voles from the chromosomal race "atticus" (M. atticus) produced sterile F1 hybrids, when crossed with voles from the chromosomal races "thomasi" and "peloponnesiacus" (M. thomasi). The voles from the chromosomal race "subalpine" produced fully fertile hybrids in F1, F2 and backcrosses generations, when crossed with the voles from the chromosomal race "thomasi". On the contrary, the voles from the chromosomal races "Kali" and "Edessa" produced sterile hybrids in F2 and F1 generations, when crossed with the voles from the chromosomal race "thomasi", despite the fact that all three races belong to the same species. The reproductive isolation of the chromosomal races "Kali" and "Edessa" could be attributed to chromosomal incompatibilities and indicates that the genetic differentiation of the chromosomal races could eventually lead to speciation. Based on the geographical traits of the Southern Balkans and the comparative interpretation of our results, we are able to present a possible scenario of the evolutionary history of the chromosomal races of the species M. thomasi and M. atticus. We assume that the primitive form was distributed in a glacial refugium of Southern Greece, during the last Glacial period (10.000-125.000 BP). Due to ecological or/and climatological factors, the ancestral population was separated in two subpopulations, which evolved to distinct species. At the end of the last glacial period, the global warming allowed the voles of M. thomasi to expand northwards to the Balkans, colonizing unoccupied areas of Greece, Albania and Montenegro and establishing all known chromosomal races. On the contrary, the changes of the landscape, due to the rise of the sea level and the separation of Evia Island from the Greek mainland, further isolated the M. atticus populations in Attiki and Evia, prohibiting the northwards colonization.

Τo Gene Expression Programming - GEP (Προγραμματισμός Γονιδιακής Έκφρασης - ΠΓΕ) είναι μια μέθοδος αυτόματης παραγωγής προγραμμάτων η οποία ανήκει στη γενική κατηγορία των Εξελικτικών Αλγορίθμων, εκείνων των τεχνικών δηλαδή που εμπνέονται από τις φυσικές διεργασίες της βιολογικής εξέλιξης. Συγκεκριμένα ο ΠΓΕ χρησιμοποιεί πληθυσμούς από άτομα, επιλέγει τα άτομα σύμφωνα με την καταλληλότητά τους (fitness) και εισάγει νέα σημεία (άτομα, πιθανές λύσεις) στον πληθυσμό χρησιμοποιώντας έναν ή περισσότερους γενετικούς τελεστές. Στόχος αυτής της Μεταπτυχιακής Διπλωματικής Εργασίας ήταν ο σχεδιασμός και η υλοποίηση ενός Ολοκληρωμένου Γραφικού Περιβάλλοντος για τον Προγραμματισμό Γονιδιακής Έκφρασης καθώς και η υλοποίηση ορισμένων καινοτομιών. Στα πλαίσια της διπλωματικής εργασίας, σχεδιάσθηκε και αναπτύχθηκε ένας καινοτόμος τελεστής για την μέθοδο του ΠΓΕ. Ο συγκεκριμένος τελεστής πραγματοποιεί μια τοπική αναζήτηση στις μεταβλητές που χρησιμοποιούνται στη μοντελοποίηση του εκάστοτε προβλήματος και επιλέγει εκείνες τις μεταβλητές για τις οποίες η απόδοση του αλγορίθμου βελτιστοποιείται. Η απόδοση του καινούργιου τελεστή ελέγχθηκε και πειραματικά. Μια επιπλέον καινοτομία που εφαρμόστηκε είναι η αυξομείωση του αριθμού των μεταλλάξεων. Συγκεκριμένα, επιλέγουμε να μειώνουμε τον αριθμό των μεταλλάξεων καθώς ο πληθυσμός εξελίσσεται, ενώ τον αυξάνουμε όταν έχουμε μικρή διαφορά ανάμεσα στη βέλτιστη και τη μέση απόδοση του πληθυσμού. Ο μεταβλητός αριθμός μεταλλάξεων σε συνδυασμό με την ικανότητα της μεθοδολογίας του ΠΓΕ να αποφεύγει τα τοπικά ακρότατα βελτιώνει σημαντικά την προσαρμοστικότητα του αλγορίθμου. Επιπλέον, για την αντιμετώπιση της αυξημένης υπολογιστικής πολυπλοκότητας που παρουσιάζει η μέθοδος, εισήχθη η έννοια του παραλληλισμού. Τέλος, η τροποποιημένη μέθοδος του ΠΓΕ εφαρμόστηκε σε πληθώρα προβλημάτων όπως η μοντελοποίηση συμπεριφοράς μιας χρονοσειράς μαγνητοεγκεφαλογραφήματος, η μοντελοποίηση της συμπεριφοράς κόπωσης υλικών, η πρόβλεψη ισοτιμίας δολαρίου – ευρώ, η πρόβλεψη πρωτεϊνικών αλληλεπιδράσεων και η πρόβλεψη του βαθμού υδατοκορεσμού ελαιοκαλλιεργειών. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν είναι ιδιαίτερα ενθαρρυντικά. / Gene Expression Programming (GEP) is one method of automatic generation of programs that belongs to a wider class of Evolutionary Algorithms. Evolutionary Algorithms are inspired by biological mechanisms of evolution. Specifically, GEP uses populations of individuals, select the individuals according to their fitness, and introduce genetic variation using one or more genetic operators. The purpose of this Master's Thesis was to design and implement an Integrated Graphical Environment for Gene Expression Programming and the implementation of certain innovations. Ιn the context of this thesis an innovative operator was designed and developed for the GEP method. This particular operator is conducting a local search on the variables used in modeling of a problem and chooses those variables for which the performance of the algorithm is optimized. The performance of the new operator was experimentally tested. Another innovation implemented was the fluctuation in the number of mutations. Specifically, we choose to reduce the number of mutations as the population evolves, while we increase it when the performance of the best individual found is very close to the average performance of the population. The variable number of mutations in combination with the ability of the methodology of GEP to avoid local extrema significantly improves the adaptability of the algorithm. Moreover, in order to face the increased computational complexity of the method, we introduce parallelism. Finally, the modified method of GEP was applied to many problems such as modeling behavior of a MEG’s time series, modeling of fatigue behavior of materials, forecasting Euro - United States Dollar exchange rate, predicting protein interactions and predicting the degree of saturation of olive crops. The results are very encouraging.