Parking functions, labeled trees and DCJ sorting scenarios

In genome rearrangement theory, one of the elusive questions raised in recent years is the enumeration of rearrangement scenarios between two genomes. This problem is related to the uniform generation of rearrangement scenarios, and the derivation of tests of statistical significance of the properties of these scenarios. Here we give an exact formula for the number of double-cut-and-join (DCJ) rearrangement scenarios of co-tailed genomes. We also construct effective bijections between the set of scenarios that sort a cycle and well studied combinatorial objects such as parking functions and labeled trees.Comment: 12 pages, 3 figure

Group-theoretic models of the inversion process in bacterial genomes

The variation in genome arrangements among bacterial taxa is largely due to the process of inversion. Recent studies indicate that not all inversions are equally probable, suggesting, for instance, that shorter inversions are more frequent than longer, and those that move the terminus of replication are less probable than those that do not. Current methods for establishing the inversion distance between two bacterial genomes are unable to incorporate such information. In this paper we suggest a group-theoretic framework that in principle can take these constraints into account. In particular, we show that by lifting the problem from circular permutations to the affine symmetric group, the inversion distance can be found in polynomial time for a model in which inversions are restricted to acting on two regions. This requires the proof of new results in group theory, and suggests a vein of new combinatorial problems concerning permutation groups on which group theorists will be needed to collaborate with biologists. We apply the new method to inferring distances and phylogenies for published Yersinia pestis data.Comment: 19 pages, 7 figures, in Press, Journal of Mathematical Biolog

Alignments with non-overlapping moves, inversions and tandem duplications in O ( n 4) time

Sequence alignment is a central problem in bioinformatics. The classical dynamic programming algorithm aligns two sequences by optimizing over possible insertions, deletions and substitutions. However, other evolutionary events can be observed, such as inversions, tandem duplications or moves (transpositions). It has been established that the extension of the problem to move operations is NP-complete. Previous work has shown that an extension restricted to non-overlapping inversions can be solved in O(n 3) with a restricted scoring scheme. In this paper, we show that the alignment problem extended to non-overlapping moves can be solved in O(n 5) for general scoring schemes, O(n 4log n) for concave scoring schemes and O(n 4) for restricted scoring schemes. Furthermore, we show that the alignment problem extended to non-overlapping moves, inversions and tandem duplications can be solved with the same time complexities. Finally, an example of an alignment with non-overlapping moves is provide

Progressive Mauve: Multiple alignment of genomes with gene flux and rearrangement

Multiple genome alignment remains a challenging problem. Effects of recombination including rearrangement, segmental duplication, gain, and loss can create a mosaic pattern of homology even among closely related organisms. We describe a method to align two or more genomes that have undergone large-scale recombination, particularly genomes that have undergone substantial amounts of gene gain and loss (gene flux). The method utilizes a novel alignment objective score, referred to as a sum-of-pairs breakpoint score. We also apply a probabilistic alignment filtering method to remove erroneous alignments of unrelated sequences, which are commonly observed in other genome alignment methods. We describe new metrics for quantifying genome alignment accuracy which measure the quality of rearrangement breakpoint predictions and indel predictions. The progressive genome alignment algorithm demonstrates markedly improved accuracy over previous approaches in situations where genomes have undergone realistic amounts of genome rearrangement, gene gain, loss, and duplication. We apply the progressive genome alignment algorithm to a set of 23 completely sequenced genomes from the genera Escherichia, Shigella, and Salmonella. The 23 enterobacteria have an estimated 2.46Mbp of genomic content conserved among all taxa and total unique content of 15.2Mbp. We document substantial population-level variability among these organisms driven by homologous recombination, gene gain, and gene loss. Free, open-source software implementing the described genome alignment approach is available from http://gel.ahabs.wisc.edu/mauve .Comment: Revision dated June 19, 200

Algorithms and methods for large-scale genome rearrangements identification

Esta tesis por compendio aborda la definición formal de SB, empezando por Pares de Segmentos de alta puntuación (HSP), los cuales son bien conocidos y aceptados. El primer objetivo se centró en la detección de SB como una combinación de HSPs incluyendo repeticiones lo cual incrementó la complejidad del modelo. Como resultado, se obtuvo un método más preciso y que mejora la calidad de los resultados del estado del arte. Este método aplica reglas basadas en la adyacencia de SBs, permitiendo además detectar LSGR e identificarlos como inversiones, translocaciones o duplicaciones, constituyendo un framework capaz de trabajar con LSGR para organismos de un solo cromosoma. Más tarde en un segundo artículo, se utilizó este framework para refinar los bordes de los SBs. En nuestra novedosa propuesta, las repeticiones que flanquean los SB se utilizaron para refinar los bordes explotando la redundancia introducida por dichas repeticiones. Mediante un alineamiento múltiple de estas repeticiones se calculan los vectores de identidad del SB y de la secuencia consenso de las repeticiones alineadas. Posteriormente, una máquina de estados finitos diseñada para detectar los puntos de transición en la diferencia de ambos vectores determina los puntos de inicio y fin de los SB refinados. Este método también se mostró útil a la hora de detectar "puntos de ruptura" (conocidos como break points (BP)). Estos puntos aparecen como la región entre dos SBs adyacentes. El método no fuerza a que el BP sea una región o un punto, sino que depende de los alineamientos de las repeticiones y del SB en cuestión. El método es aplicado en un tercer trabajo, donde se afronta un caso de uso de análisis de metagenomas. Es bien sabido que la información almacenada en las bases de datos no corresponde necesariamente a las muestras no cultivadas contenidas en un metagenoma, y es posible imaginar que la asignación de una muestra de un metagenoma se vea dificultada por un evento reorganizativo. En el articulo se muestra que las muestras de un metagenoma que mapean sobre las regiones exclusivas de un genoma (aquellas que no comparte con otros genomas) respaldan la presencia de ese genoma en el metagenoma. Estas regiones exclusivas son fácilmente derivadas a partir de una comparación múltiple de genomas, como aquellas regiones que no forman parte de ningún SB. Una definición bajo un espacio de comparación múltiple de genomas es más precisa que las definiciones construidas a partir de una comparación de pares, ya que entre otras cosas, permite un refinamiento siguiendo un procedimiento similar al descrito en el segundo artículo (usando SBs, en vez de repeticiones). Esta definición también resuelve la contradicción existente en la definición de puntos de BPs (mencionado en la segunda publicación), por la cual una misma región de un genoma puede ser detectada como BP o formar parte de un SB dependiendo del genoma con el que se compare. Esta definición de SB en comparación múltiple proporciona además información precisa para la reconstrucción de LSGR, con vistas a obtener una aproximación del verdadero ancestro común entre especies. Además, proporciona una solución para el problema de la granularidad en la detección de SBs: comenzamos por SBs pequeños y bien conservados y a través de la reconstrucción de LSGR se va aumentando gradualmente el tamaño de dichos bloques. Los resultados que se esperan de esta línea de trabajo apuntan a una definición de una métrica destinada a obtener distancias inter genómicas más precisas, combinando similaridad entre secuencias y frecuencias de LSGR.Esta tesis es un compendio de tres artículos recientemente publicados en revistas de alto impacto, en los cuales mostramos el proceso que nos ha llevado a proponer la definición de Unidades Elementales de Conservación (regiones conservadas entre genomas que son detectadas después de una comparación múltiple), así como algunas operaciones básicas como inversiones, transposiciones y duplicaciones. Los tres artículos están transversalmente conectados por la detección de Bloques de Sintenia (SB) y reorganizaciones genómicas de gran escala (LSGR) (consultar sección 2), y respaldan la necesidad de elaborar el framework que se describe en la sección "Systems And Methods". De hecho, el trabajo intelectual llevado a cabo en esta tesis y las conclusiones aportadas por las publicaciones han sido esenciales para entender que una definición de SB apropiada es la clave para muchos de los métodos de comparativa genómica. Los eventos de reorganización del ADN son una de las principales causas de evolución y sus efectos pueden ser observados en nuevas especies, nuevas funciones biológicas etc. Las reorganizaciones a pequeña escala como inserciones, deleciones o substituciones han sido ampliamente estudiadas y existen modelos aceptados para detectarlas. Sin embargo, los métodos para identificar reorganizaciones a gran escala aún sufren de limitaciones y falta de precisión, debido principalmente a que no existe todavía una definición de SB aceptada. El concepto de SB hace referencia a regiones conservadas entre dos genomas que guardan el mismo orden y {strand. A pesar de que existen métodos para detectarlos, éstos evitan tratar con repeticiones o restringen la búsqueda centrándose solamente en las regiones codificantes en aras de un modelo más simple. El refinamiento de los bordes de estos bloques es a día de hoy un problema aún por solucionar

A Unifying Model of Genome Evolution Under Parsimony

We present a data structure called a history graph that offers a practical basis for the analysis of genome evolution. It conceptually simplifies the study of parsimonious evolutionary histories by representing both substitutions and double cut and join (DCJ) rearrangements in the presence of duplications. The problem of constructing parsimonious history graphs thus subsumes related maximum parsimony problems in the fields of phylogenetic reconstruction and genome rearrangement. We show that tractable functions can be used to define upper and lower bounds on the minimum number of substitutions and DCJ rearrangements needed to explain any history graph. These bounds become tight for a special type of unambiguous history graph called an ancestral variation graph (AVG), which constrains in its combinatorial structure the number of operations required. We finally demonstrate that for a given history graph $G$, a finite set of AVGs describe all parsimonious interpretations of $G$, and this set can be explored with a few sampling moves.Comment: 52 pages, 24 figure