A variant of the tandem duplication - random loss model of genome rearrangement

In Soda'06, Chaudhuri, Chen, Mihaescu and Rao study algorithmic properties of the tandem duplication - random loss model of genome rearrangement, well-known in evolutionary biology. In their model, the cost of one step of duplication-loss of width k is $\alpha^k$ for $\alpha =1$ or $\alpha >=2$. In this paper, we study a variant of this model, where the cost of one step of width $k$ is 1 if $k K$, for any value of the parameter $K in N$. We first show that permutations obtained after $p$ steps of width $K$ define classes of pattern-avoiding permutations. We also compute the numbers of duplication-loss steps of width $K$ necessary and sufficient to obtain any permutation of $S_n$, in the worst case and on average. In this second part, we may also consider the case $K=K(n)$, a function of the size $n$ of the permutation on which the duplication-loss operations are performed

The highly rearranged mitochondrial genomes of the crabs Maja crispata and Maja squinado (Majidae) and gene order evolution in Brachyura

Abstract We sequenced the mitochondrial genomes of the spider crabs Maja crispata and Maja squinado (Majidae, Brachyura). Both genomes contain the whole set of 37 genes characteristic of Bilaterian genomes, encoded on both \u3b1- and \u3b2-strands. Both species exhibit the same gene order, which is unique among known animal genomes. In particular, all the genes located on the \u3b2-strand form a single block. This gene order was analysed together with the other nine gene orders known for the Brachyura. Our study confirms that the most widespread gene order (BraGO) represents the plesiomorphic condition for Brachyura and was established at the onset of this clade. All other gene orders are the result of transformational pathways originating from BraGO. The different gene orders exhibit variable levels of genes rearrangements, which involve only tRNAs or all types of genes. Local homoplastic arrangements were identified, while complete gene orders remain unique and represent signatures that can have a diagnostic value. Brachyura appear to be a hot-spot of gene order diversity within the phylum Arthropoda. Our analysis, allowed to track, for the first time, the fully evolutionary pathways producing the Brachyuran gene orders. This goal was achieved by coupling sophisticated bioinformatic tools with phylogenetic analysis

Representing and decomposing genomic structural variants as balanced integer flows on sequence graphs

The study of genomic variation has provided key insights into the functional role of mutations. Predominantly, studies have focused on single nucleotide variants (SNV), which are relatively easy to detect and can be described with rich mathematical models. However, it has been observed that genomes are highly plastic, and that whole regions can be moved, removed or duplicated in bulk. These structural variants (SV) have been shown to have significant impact on the phenotype, but their study has been held back by the combinatorial complexity of the underlying models. We describe here a general model of structural variation that encompasses both balanced rearrangements and arbitrary copy-numbers variants (CNV). In this model, we show that the space of possible evolutionary histories that explain the structural differences between any two genomes can be sampled ergodically

Limited Lifespan of Fragile Regions in Mammalian Evolution

An important question in genome evolution is whether there exist fragile regions (rearrangement hotspots) where chromosomal rearrangements are happening over and over again. Although nearly all recent studies supported the existence of fragile regions in mammalian genomes, the most comprehensive phylogenomic study of mammals (Ma et al. (2006) Genome Research 16, 1557-1565) raised some doubts about their existence. We demonstrate that fragile regions are subject to a "birth and death" process, implying that fragility has limited evolutionary lifespan. This finding implies that fragile regions migrate to different locations in different mammals, explaining why there exist only a few chromosomal breakpoints shared between different lineages. The birth and death of fragile regions phenomenon reinforces the hypothesis that rearrangements are promoted by matching segmental duplications and suggests putative locations of the currently active fragile regions in the human genome

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

Weighted Minimum-Length Rearrangement Scenarios

We present the first known model of genome rearrangement with an arbitrary real-valued weight function on the rearrangements. It is based on the dominant model for the mathematical and algorithmic study of genome rearrangement, Double Cut and Join (DCJ). Our objective function is the sum or product of the weights of the DCJs in an evolutionary scenario, and the function can be minimized or maximized. If the likelihood of observing an independent DCJ was estimated based on biological conditions, for example, then this objective function could be the likelihood of observing the independent DCJs together in a scenario. We present an O(n^4)-time dynamic programming algorithm solving the Minimum Cost Parsimonious Scenario (MCPS) problem for co-tailed genomes with n genes (or syntenic blocks). Combining this with our previous work on MCPS yields a polynomial-time algorithm for general genomes. The key theoretical contribution is a novel link between the parsimonious DCJ (or 2-break) scenarios and quadrangulations of a regular polygon. To demonstrate that our algorithm is fast enough to treat biological data, we run it on syntenic blocks constructed for Human paired with Chimpanzee, Gibbon, Mouse, and Chicken. We argue that the Human and Gibbon pair is a particularly interesting model for the study of weighted genome rearrangements