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

Efficient hybrid de novo assembly of human genomes with WENGAN

International audienceGenerating accurate genome assemblies of large, repeat-rich human genomes has proved difficult using only long, error-prone reads, and most human genomes assembled from long reads add accurate short reads to polish the consensus sequence. Here we report an algorithm for hybrid assembly, WENGAN, that provides highest quality at low computational cost. We demonstrate de novo assembly of four human genomes using a combination of sequencing data generated on ONT PromethION, PacBio Sequel, Illumina and MGI technology. WENGAN implements efficient algorithms to improve assembly contiguity as well as consensus quality. The resulting genome assemblies have high contiguity (contig NG50:17.24-80.64 Mb), few assembly errors (contig NGA50:11.8-59.59 Mb), good consensus quality (QV:27.84-42.88), and high gene completeness (BUSCO complete: 94.6-95.2%), while consuming low computational resources (CPU hours:187-1,200). In particular, the WENGAN assembly of the haploid CHM13 sample achieved a contig NG50 of 80.64 Mb (NGA50:59.59 Mb), which surpasses the contiguity of the current human reference genome (GRCh38 contig NG50:57.88 Mb). This is a post-peer-review, pre-copyedit version of an article published in Nature Biotechnology

On Distance and Sorting of the Double Cut-and-Join and the Inversion-*indel* Model

Willing E. On Distance and Sorting of the Double Cut-and-Join and the Inversion-*indel* Model. Bielefeld: Universität Bielefeld; 2018.In der vergleichenden Genomik werden zwei oder mehrere Genome hinsichtlich ihres Verwandtschaftsgrades verglichen. Das Ziel dieser Arbeit ist die Erforschung von mathematischen Modellen, die zum einen die evolutionäre *Distanz*, zum anderen die evolutionären Vorgänge zwischen zwei Genomen bestimmen können. Neben Methoden, welche auf einer niedrigen Ebene, z. B. den Basen(paarungen), ansetzen, sind auch abstraktere Modelle, die auf einzelnen Genen oder noch größeren Abschnitten Genome vergleichen, etabliert. Handelt es sich auf niedrigerer Ebene um einzelne Basen, die eingefügt, gelöscht oder ersetzt werden, sind es auf höherer Ebene beispielsweise ganze Gene. Auf höherer Ebene können Ergebnisse sogenannter Umordnungsprozesse (*genome rearrangements*) beobachtet werden, welche in einem *Sortierszenario* beschrieben werden. Im Vergleich eines Genoms mit einem anderen können dies unter anderem Inversionen, Translokationen, aber auch Einfügungen oder Löschungen von großen Bereichen sein. Ein bekanntes Modell ist das *Inversionsmodell*, welches den Verwandtschaftsgrad zweier Genome ausschließlich durch Inversionen bestimmt. Ein weiteres ist das *double cut-and-join (DCJ)* Modell, welches neben Inversionen auch Translokationen, Chromosomenfusionen, bzw. -fissionen, sowie Integration und Extraktion von kleinen zirkulären Trägern erlaubt. Die Distanz ist hierbei die Anzahl Zwischenschritte eines Sortierszenarios von geringster Länge. Diese Dissertation ist in zwei Teile gegliedert. Der erste Teil beschäftigt sich mit dem zufälligen Ziehen eines Sortierszenarios innerhalb des DCJ-Modells. Neben einigen naiven Ansätzen interessieren wir uns im Wesentlichen dafür, jedes Szenario mit gleicher Wahrscheinlichkeit, also uniform verteilt, zu ziehen. Hierfür wird nicht nur der gesamte Sortierraum betrachtet, sondern auch Maßnahmen zur effizienten Berechnung aufgezeigt. Der vorgestellte Algorithmus ist in einer Software-suite implementiert und wird hinsichtlich seiner Erzeugung von zufälligen Szenarien evaluiert. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit dem Inversions-*indel* Modell. Dieses wenig erforschte Modell erlaubt Inversionen, sowie Einfügungen und Löschungen (kurz *indels*). Dessen Distanz soll in Abhängigkeit von der DCJ- bzw. der DCJ-*indel*-Distanz wiedergegeben werden. Wir erweitern altbekannte Datenstrukturen des Inversionsmodells um Einfügungen und Löschungen repräsentieren zu können. Hierfür benutzen wir unter anderem Ansätze aus zwei anderen Modellen: Die Erweiterung des DCJ-Modells um indels, sowie die Ermittlung der Abhängigkeit von DCJ- und Inversionsmodell. Um die minimale Anzahl an Inversionen, Einfügungen und Löschungen zu ermitteln muss beachtet werden, dass durch Inversionen zwei oder mehr getrennte Bereiche, die zur Löschung vorgesehen sind, verschmolzen werden. Diese können sodann in einem einzigen Schritt gelöscht werden. Ähnlich verhält es sich mit Einfügungen. Zunächst betrachten wir Instanzen in denen die DCJ-indel-Distanz und die Inversions-indel-Distanz identisch sind. Im Weiteren gehen wir dazu über, schwierige Instanzen, d.h. jene die mehr Schritte benötigen als die DCJ(-indel)-Distanz, zu berechnen. Zu diesen Zweck müssen die unterschiedlichen Eigenschaften der Instanzen und deren Auswirkungen ausgemacht werden. Durch geschickte Reduzierung des Lösungsraums gelangen wir zu einer Menge von Basisfällen, welche wir durch erschöpfende Aufzählung lösen können. Insgesamt bieten die unternommenen Schritte nicht nur die Lösung der Inversions-indel Distanz in Abhängigkeit zur DCJ-indel Distanz, sondern auch eine Möglichkeit des Sortierens. Die Suche nach einer exakten Lösung für das Distanz- und das Sortierproblem im Inversions-indel Modell blieb lange unbeantwortet. Der Hauptbeitrag dieser Arbeit liegt darin diese zwei Fragen zu klären

Fusion genes in breast cancer

Fusion genes caused by chromosomal rearrangements are a common and important feature in haematological malignancies, but have until recently been seen as unimportant in epithelial cancers. The discovery of recurrent fusion genes in prostate and lung cancer suggests that fusion genes may play an important role in epithelial carcinogenesis, and that they have been previously under-reported due to the difficulties of cytogenetic analysis of solid tumours. In particular, breast cancers often have complex, highly rearranged karyotypes which have proved difficult to analyse using classical cytogenetic techniques. The aim of this project was to search for fusion genes in breast cancer by using high-resolution mapping of chromosome rearrangements in breast cancer cell lines. Mapping the chromosome rearrangements was initially done using high-resolution DNA microarrays and fluorescence in- situ hybridisation, but moved to high-throughput sequencing as it became available. Interesting candidate genes identified from the mapped chromosome rearrangements were investigated on a larger set of cell lines and primary tumours. The complete karyotypes of two breast cancer cell lines were constructed using a combination of microarrays, fluorescence microscopy, and high-throughput sequencing. A number of potential fusion genes were identified in these two cell lines. Although no expressed fusion genes were found, the complete karyotypes gave insight into the number and mechanisms of chromosome rearrangement in breast cancer, and identified interesting candidate genes which may be of importance in tumourigenesis. Two genes which were fused in other breast cancer cell lines, BCAS3 and ODZ4, were disrupted by chromosome rearrangements and identified as interesting candidate genes in tumorigenesis. A bioinformatic pipeline to process high-throughput sequencing data was set up and validated, and shown to more accurately predict fusion genes than other methods, and can be used to investigate further cell lines and tumours for recurrent fusion genes. The pipeline was used to analyse data from 3 other breast cancer cell lines and predict chromosomal rearrangements and fusion genes, several of which were found to be expressed. Of the fusions predicted in the cell line ZR-75-30, 7 expressed fusion genes were identified, and may have functional significance in breast cancer.This work was supported by a grant from Breast Cancer Campaign