Easy identification of generalized common and conserved nested intervals

In this paper we explain how to easily compute gene clusters, formalized by classical or generalized nested common or conserved intervals, between a set of K genomes represented as K permutations. A b-nested common (resp. conserved) interval I of size |I| is either an interval of size 1 or a common (resp. conserved) interval that contains another b-nested common (resp. conserved) interval of size at least |I|-b. When b=1, this corresponds to the classical notion of nested interval. We exhibit two simple algorithms to output all b-nested common or conserved intervals between K permutations in O(Kn+nocc) time, where nocc is the total number of such intervals. We also explain how to count all b-nested intervals in O(Kn) time. New properties of the family of conserved intervals are proposed to do so

Dinucleotide controlled null models for comparative RNA gene prediction

<p>Abstract</p> <p>Background</p> <p>Comparative prediction of RNA structures can be used to identify functional noncoding RNAs in genomic screens. It was shown recently by Babak <it>et al</it>. [BMC Bioinformatics. 8:33] that RNA gene prediction programs can be biased by the genomic dinucleotide content, in particular those programs using a thermodynamic folding model including stacking energies. As a consequence, there is need for dinucleotide-preserving control strategies to assess the significance of such predictions. While there have been randomization algorithms for single sequences for many years, the problem has remained challenging for multiple alignments and there is currently no algorithm available.</p> <p>Results</p> <p>We present a program called SISSIz that simulates multiple alignments of a given average dinucleotide content. Meeting additional requirements of an accurate null model, the randomized alignments are on average of the same sequence diversity and preserve local conservation and gap patterns. We make use of a phylogenetic substitution model that includes overlapping dependencies and site-specific rates. Using fast heuristics and a distance based approach, a tree is estimated under this model which is used to guide the simulations. The new algorithm is tested on vertebrate genomic alignments and the effect on RNA structure predictions is studied. In addition, we directly combined the new null model with the RNAalifold consensus folding algorithm giving a new variant of a thermodynamic structure based RNA gene finding program that is not biased by the dinucleotide content.</p> <p>Conclusion</p> <p>SISSIz implements an efficient algorithm to randomize multiple alignments preserving dinucleotide content. It can be used to get more accurate estimates of false positive rates of existing programs, to produce negative controls for the training of machine learning based programs, or as standalone RNA gene finding program. Other applications in comparative genomics that require randomization of multiple alignments can be considered.</p> <p>Availability</p> <p>SISSIz is available as open source C code that can be compiled for every major platform and downloaded here: <url>http://sourceforge.net/projects/sissiz</url>.</p

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