A comparative study of sequence analysis tools in computational biology

A biomolecular object, such as a deoxyribonucleic acid (DNA), a ribonucleic acid (RNA) or a protein molecule, is made up of a long chain of subunits. A protein is represented as a sequence made from 20 different amino acids, each represented as a letter. There are a vast number of ways in which similar structural domains can be generated in proteins by different amino acid sequences. By contrast, the structure of DNA, made up of only four different nucleotide building blocks that occur in two pairs, is relatively simple, regular, and predictable. Biomolecular sequence alignment/string search is the most important issue and challenging task in many areas of science and information processing. It involves identifying one-to-one correspondences between subunits of different sequences. An efficient algorithm or tool is involved with many important factors, these include the following: Scoring systems, Alignment statistics, Database redundancy and sequence repetitiveness. Sequence motifs are derived from multiple alignments and can be used to examine individual sequences or an entire database for subtle patterns. With motifs, it is sometimes possible to detect distant relationships that may not be demonstrable based on comparisons of primary sequences alone. A more comprehensive solution to the efficient string search is approached by building a small, representative set of motifs and using this as a screening database with automatic masking of matching query subsequences. This technology is still under development but recent studies indicate that a representative set of only 1,000 - 3,000 sequences may suffice and such a database can be searched in seconds

Sim4cc: a cross-species spliced alignment program

Advances in sequencing technologies have accelerated the sequencing of new genomes, far outpacing the generation of gene and protein resources needed to annotate them. Direct comparison and alignment of existing cDNA sequences from a related species is an effective and readily available means to determine genes in the new genomes. Current spliced alignment programs are inadequate for comparing sequences between different species, owing to their low sensitivity and splice junction accuracy. A new spliced alignment tool, sim4cc, overcomes problems in the earlier tools by incorporating three new features: universal spaced seeds, to increase sensitivity and allow comparisons between species at various evolutionary distances, and powerful splice signal models and evolutionarily-aware alignment techniques, to improve the accuracy of gene models. When tested on vertebrate comparisons at diverse evolutionary distances, sim4cc had significantly higher sensitivity compared to existing alignment programs, more than 10% higher than the closest competitor for some comparisons, while being comparable in speed to its predecessor, sim4. Sim4cc can be used in one-to-one or one-to-many comparisons of genomic and cDNA sequences, and can also be effectively incorporated into a high-throughput annotation engine, as demonstrated by the mapping of 64 000 Fagus grandifolia 454 ESTs and unigenes to the poplar genome

"Smith-Waterman" paralelo en arquitectura de many-core para búsquedas en bases de datos de secuencias

87 p.Trabajo fin de Máster dirigido por Sergio Gálvez Rojas, y co-tutores: Oswaldo Trelles Salazar y Gabriel Dorado Pérez. En este trabajo se ha desarrollado un algoritmo denominado MC64-S3W (MultiCore 64 – Sequence Search Smith-Waterman) para realizar el alineamiento local de una secuencia problema contra una base de datos de secuencias de ácidos nucleicos de gran tamaño (entre 80 y 260 kilobases) en arquitectura hardware de muchos núcleos. La posibilidad de realizar alineamientos de gran tamaño (obteniendo el alineamiento local óptimo) bajo arquitectura de muchos núcleos es, por tanto, uno de los elementos diferenciadores de este trabajo. En el trabajo se justifica el ahorro de tiempo que se consigue al paralelizar varios alineamientos simultáneos y se realiza un estudio comparativo con otras implementaciones paralelas ampliamente referenciadas como es el caso del algoritmo CUDASW++. También se incluye una comparativa con BLAST. El trabajo se completa con una revisión del estado del arte en la comparación de secuencias de ácidos nucleicos y péptidos, con objeto de obtener el grado de similitud entre ellas, tanto desde un punto de vista algorítmico como desde el punto de vista de estudios biológicos en los que se referencian alineamientos de secuencias de gran tamaño

Modélisation et comparaison de la structure de gènes

La bio-informatique est un domaine de recherche multi-disciplinaire, à la croisée de différents domaines : biologie, médecine, mathématiques, statistiques, chimie, physique et informatique. Elle a pour but de concevoir et d’appliquer des modèles et outils statistiques et computationnels visant l’avancement des connaissances en biologie et dans les sciences connexes. Dans ce contexte, la compréhension du fonctionnement et de l’évolution des gènes fait l’objet de nombreuses études en bio-informatique. Ces études sont majoritairement fondées sur la comparaison des gènes et en particulier sur l’alignement de séquences génomiques. Cependant, dans leurs calculs d’alignement de séquences génomiques, les méthodes existantes se basent uniquement sur la similarité des séquences et ne tiennent pas compte de la structure des gènes. L’alignement prenant en compte la structure des séquences offre l’opportunité d’en améliorer la précision ainsi que les résultats des méthodes développées à partir de ces alignements. C’est dans cette hypothèse que s’inscrit l’objectif de cette thèse de doctorat : proposer des modèles tenant compte de la structure des gènes lors de l’alignement des séquences de familles de gènes. Ainsi, par cette thèse, nous avons contribué à accroître les connaissances scientifiques en développant des modèles d’alignement de séquences biologiques intégrant des informations sur la structure de codage et d’épissage des séquences. Nous avons proposé un algorithme et une nouvelle fonction du score pour l’alignement de séquences codantes d’ADN (CDS) en tenant compte de la longueur des décalages du cadre de traduction. Nous avons aussi proposé un algorithme pour aligner des paires de séquences d’une famille de gènes en considérant leurs structures d’épissage. Nous avons également développé un algorithme pour assembler des alignements épissés par paire en alignements multiples de séquences. Enfin, nous avons développé un outil pour la visualisation d’alignements épissés multiples de famille de gènes. Dans cette thèse, nous avons souligné l’importance et démontré l’utilité de tenir compte de la structure des séquences en entrée lors du calcul de leur alignement