Solutions to decision-making problems in management engineering using molecular computational algorithms and experimentations

制度:新 ; 報告番号:甲3368号 ; 学位の種類:博士(工学) ; 授与年月日:2011/5/23 ; 早大学位記番号:新568

Novel Algorithms and Methodology to Help Unravel Secrets that Next Generation Sequencing Data Can Tell

The genome of an organism is its complete set of DNA nucleotides, spanning all of its genes and also of its non-coding regions. It contains most of the information necessary to build and maintain an organism. It is therefore no surprise that sequencing the genome provides an invaluable tool for the scientific study of an organism. Via the inference of an evolutionary (phylogenetic) tree, DNA sequences can be used to reconstruct the evolutionary history of a set of species. DNA sequences, or genotype data, has also proven useful for predicting an organisms’ phenotype (i. e. observed traits) from its genotype. This is the objective of association studies. While methods for finding the DNA sequence of an organism have existed for decades, the recent advent of Next Generation Sequencing (NGS) has meant that the availability of such data has increased to such an extent that the computational challenges that now form an integral part of biological studies can no longer be ignored. By focusing on phylogenetics and Genome-Wide Association Studies (GWAS), this thesis aims to help address some of these challenges. As a consequence this thesis is in two parts with the first one centring on phylogenetics and the second one on GWAS. In the first part, we present theoretical insights for reconstructing phylogenetic trees from incomplete distances. This problem is important in the context of NGS data as incomplete pairwise distances between organisms occur frequently with such input and ignoring taxa for which information is missing can introduce undesirable bias. In the second part we focus on the problem of inferring population stratification between individuals in a dataset due to reproductive isolation. While powerful methods for doing this have been proposed in the literature, they tend to struggle when faced with the sheer volume of data that comes with NGS. To help address this problem we introduce the novel PSIKO software and show that it scales very well when dealing with large NGS datasets

Transcriptomic Data Analysis Using Graph-Based Out-of-Core Methods

Biological data derived from high-throughput microarrays can be transformed into finite, simple, undirected graphs and analyzed using tools first introduced by the Langston Lab at the University of Tennessee. Transforming raw data can be broken down into three main tasks: data normalization, generation of similarity metrics, and threshold selection. The choice of methods used in each of these steps effect the final outcome of the graph, with respect to size, density, and structure. A number of different algorithms are examined and analyzed to illustrate the magnitude of the effects. Graph-based tools are then used to extract putative gene networks. These tools are loosely based on the concept of clique, which generates clusters optimized for density. Innovative additions to the paraclique algorithm, developed at the Langston Lab, are introduced to generate results that have highest average correlation or highest density. A new suite of algorithms is then presented that exploits the use of a priori gene interactions. Aptly named the anchored analysis toolkit, these algorithms use known interactions as anchor points for generating subgraphs, which are then analyzed for their graph structure. This results in clusters that might have otherwise been lost in noise. A main product of this thesis is a novel collection of algorithms to generate exact solutions to the maximum clique problem for graphs that are too large to fit within core memory. No other algorithms are currently known that produce exact solutions to this problem for extremely large graphs. A combination of in-core and out-of-core techniques is used in conjunction with a distributed-memory programming model. These algorithms take into consideration such pitfalls as external disk I/O and hardware failure and recovery. Finally, a web-based tool is described that provides researchers access the aforementioned algorithms. The Graph Algorithms Pipeline for Pathway Analysis tool, GrAPPA, was previously developed by the Langston Lab and provides the software needed to take raw microarray data as input and preprocess, analyze, and post-process it in a single package. GrAPPA also provides access to high-performance computing resources, via the TeraGrid

New Approaches to Long-Read Assembly under High Error Rates

Das Gebiet der Genomassemblierung beschäftigt sich mit der Entwicklung von Algorithmen, die Genome am Computer anhand von Sequenzierungsdaten rekonstruieren. Es geriet erstmals in den Neunzigern mit dem Human Genome Project in den Fokus der Öffentlichkeit. Da nur kurze Abschnitte des menschlichen Genoms ausgelesen werden konnten, musste die Rekonstruktion längerer Genomsequenzen aus den ausgelesenen Abschnitten im Nachhinein am Computer erfolgen. Auch fast 20 Jahre nach der Veröffentlichung der menschlichen Genomsequenzen stellt die Genomeassemblierung nach wie vor noch einen essentiellen Verarbeitungsschritt für Sequenzierungsdaten dar. Nur Datendurchsatz, Länge und Fehlerprofil der ausgelesenen Genomabschnitte haben sich verändert und damit einhergehend auch die algorithmischen Anforderungen. Damit komplementiert das Forschungsgebiet der Genomeassemblierung die Sequenzierungstechnologien, die sich mit enormer Geschwindigkeit weiter entwickelt haben. Zusammen erlauben sie die Entschlüsselung der Genome einer stark zunehmenden Anzahl von Lebewesen und bilden damit die Grundlage für einen Großteil der Forschung in verschiedensten Bereichen der Biologie und Medizin. Trotz der beeindruckenden technologischen und algorithmischen Entwicklungen der vergangenen Jahrzehnte ist es bisher nur für bakterielle Genome gelungen, die komplette Genomsequenz zu rekontruieren. Bei der Assemblierung der wesentlich größeren eukaryotischen Genome bestehen mehrere ungelöste algorithmische Probleme. Diese Probleme hängen mit verschiedenen repetitiven Strukturen zusammen, die in fast allen Genomen höherer Lebewesen vorkommen. Deshalb werden eukaryotische Genome immer in wesentlich mehr unzusammenhängenden Sequenzen veröffentlicht als die jeweiligen Lebewesen Chromosomen haben. Die repetitiven Strukturen, die für die Lücken in den Genomsequenzen verantwortlich sind, lassen sich grob in drei Klassen unterteilen. Mikrosatelliten und Minisatelliten sind sehr kurze Sequenzen, die sich tausende oder zehntausende Male direkt aufeinander folgend wiederholen können. Dieses Muster ist typisch für sogenannte Centromere und Telomere, die sich in der Mitte und an den Enden vieler Chromosome befinden. Sogenannte Interspersed Repeats, oft auch als Transposons bezeichnet, sind längere Sequenzen, die häufig in fast identischer Form an unterschiedlichen Stellen im Genome vorkommen. Sogenannte Tandem Repeats dagegen sind längere Sequenzen, die direkt aufeinanderfolgend mehrere Male in einem Genom auftreten können. Oft sind Tandem Repeats Genkomplexe, das heißt Ansammlungen fast identischer proteinkodierender Abschnitte, die es der Zelle erlauben, die kodierten Proteine besonders schnell zu produzieren. Jede dieser repetitive Strukturen stellt spezifische Anforderung an Assemblierungsalgorithmen. In dieser Doktorarbeit leisten wir mehrere Beiträge zur Lösung der letzteren zwei vorgestellten Probleme, der Assemblierung von Interspersed Repeats und Tandem Repeats. In Teil 1 der Arbeit stellen wir mehrere Datenverarbeitungsprozeduren vor, die Sequenzierungsdaten aufbereiten, um die seltenen Unterschiede zwischen mehrfach auftretenden Genomsequenzen zu identifizieren. Diese beinhalten Softwareprogramme zur Berechnung und Optimierung von Multiplen Sequenz Alignments (MSA) anhand dynamischer Programmierung und zur statistischen Modellierung und Analyse der Unterschiede, wie das MSA sie präsentiert. In Teil 2 bauen wir auf dieser Analyse auf und präsentieren ein Softwareprogramm zur Assemblierung von Interspersed Repeats. Dieses Programm baut auf mehreren algorithmischen Neuerungen auf und ist in der Lage, Transposonfamilien mit sehr langen Sequenzen und sehr vielen verschiedenen Kopien effektiv zu assemblieren. Es ist das erste Programm dieser Art, welches in der Lage ist, Transposonfamilien mit dutzenden von Kopien zu assemblieren. Es gelingt uns zu zeigen, dass es auch für kleinere Transposonfamilien akkurater und schneller ist als das bisher einzige Konkurrenzprogramm, welches auf dieses Assemblierungsproblem spezialisiert ist. In Teil 3 beschreiben wir eine Analysepipeline, die es uns ermöglicht, Genkomplexe aus dutzenden von Tandem Repeats zu assemblieren. Diese Pipeline enthält Clustering und Graph Drawing Algorithmen. Ihr Herzstück ist ein Fehlerkorrekturalgorithmus, der auf Neuronalen Netzwerken basiert. Wir demonstrieren den praktischen Nutzen dieser Pipeline durch die Assemblierung des Drosophila Histone Komplexes. Im Abschluss diskutieren wir die Möglichkeit, Mikro- und Minisatelliten zu assemblieren und schlagen Forschungsansätze für weitere Verbesserungen im Bereich der Interspersed Repeat- und Genkomplexassemblierung vor

A list of parameterized problems in bioinformatics

In this report we present a list of problems that originated in bionformatics. Our aim is to collect information on such problems that have been analyzed from the point of view of Parameterized Complexity. For every problem we give its definition and biological motivation together with known complexity results.Postprint (published version