Sorting signed permutations by short operations

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)Background: During evolution, global mutations may alter the order and the orientation of the genes in a genome. Such mutations are referred to as rearrangement events, or simply operations. In unichromosomal genomes, the most common operations are reversals, which are responsible for reversing the order and orientation of a sequence of genes, and transpositions, which are responsible for switching the location of two contiguous portions of a genome. The problem of computing the minimum sequence of operations that transforms one genome into another - which is equivalent to the problem of sorting a permutation into the identity permutation - is a well-studied problem that finds application in comparative genomics. There are a number of works concerning this problem in the literature, but they generally do not take into account the length of the operations (i.e. the number of genes affected by the operations). Since it has been observed that short operations are prevalent in the evolution of some species, algorithms that efficiently solve this problem in the special case of short operations are of interest. Results: In this paper, we investigate the problem of sorting a signed permutation by short operations. More precisely, we study four flavors of this problem: (i) the problem of sorting a signed permutation by reversals of length at most 2; (ii) the problem of sorting a signed permutation by reversals of length at most 3; (iii) the problem of sorting a signed permutation by reversals and transpositions of length at most 2; and (iv) the problem of sorting a signed permutation by reversals and transpositions of length at most 3. We present polynomial-time solutions for problems (i) and (iii), a 5-approximation for problem (ii), and a 3-approximation for problem (iv). Moreover, we show that the expected approximation ratio of the 5-approximation algorithm is not greater than 3 for random signed permutations with more than 12 elements. Finally, we present experimental results that show that the approximation ratios of the approximation algorithms cannot be smaller than 3. In particular, this means that the approximation ratio of the 3-approximation algorithm is tight.During evolution, global mutations may alter the order and the orientation of the genes in a genome. Such mutations are referred to as rearrangement events, or simply operations. In unichromosomal genomes, the most common operations are reversals, which a10117CAPES - COORDENAÇÃO DE APERFEIÇOAMENTO DE PESSOAL DE NÍVEL SUPERIORFAPESP - FUNDAÇÃO DE AMPARO À PESQUISA DO ESTADO DE SÃO PAULOCNPQ - CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICOCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)FAPESP [2014/04718-6]CNPq [303947/2008-0, 477692/2012-5]CNPq [477692/2012-5, 306730/2012-0, 483370/2013-4]FAPESP [2013/08293-7]SEM INFORMAÇÃO2014/04718-6; 2013/08293-7303947/2008-0; 477692/2012-5; 306730/2012-0; 477692/2012-5; 483370/2013-

Sorting signed circular permutations by super short reversals

We consider the problem of sorting a circular permutation by reversals of length at most 2, a problem that finds application in comparative genomics. Polynomial-time solutions for the unsigned version of this problem are known, but the signed version remained open. In this paper, we present the first polynomial-time solution for the signed version of this problem. Moreover, we perform an experiment for inferring distances and phylogenies for published Yersinia genomes and compare the results with the phylogenies presented in previous works.We consider the problem of sorting a circular permutation by reversals of length at most 2, a problem that finds application in comparative genomics. Polynomial-time solutions for the unsigned version of this problem are known, but the signed version rema9096272283FAPESP - FUNDAÇÃO DE AMPARO À PESQUISA DO ESTADO DE SÃO PAULOCAPES - COORDENAÇÃO DE APERFEIÇOAMENTO DE PESSOAL DE NÍVEL SUPERIORCNPQ - CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO2013/08293-72014/04718-6306730/2012-0; 477692/2012-5; 483370/2013-411th International Symposium on Bioinformatics Research and Application

Sorting permutations by weighted operations

Orientadores: Zanoni Dias, Carla Negri LintzmayerDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de ComputaçãoResumo: Calcular a distância evolucionária entre espécies é um problema importante da área de Biologia Computacional. Em várias abordagens, o cálculo dessa distância considera apenas rearranjos de genomas, os quais são conjuntos de mutações que alteram grandes trechos do genoma de um organismo. Assumindo que o genoma não possui genes duplicados, podemos representá-lo como permutações de números inteiros, em que cada elemento corresponde a um bloco conservado (região de alta similaridade entre os genomas comparados) e o sinal de cada elemento corresponde à orientação desse bloco. Ao usar permutações, o problema de transformar um genoma em outro é equivalente ao da Ordenação de Permutações por Operações de Rearranjo. A abordagem tradicional desse problema considera que todas as operações tem o mesmo custo e, assim, o objetivo é encontrar uma sequência mínima de operações que ordene a permutação. Entretanto, estudos indicam que algumas operações de rearranjo tem maior probabilidade de acontecer do que outras, fazendo com que abordagens em que operações possuem custos diferentes sejam mais realistas. Nas abordagens ponderadas, o objetivo é encontrar a sequência que ordena a permutação, de modo que a soma dos custos dos rearranjos dessa sequência seja mínimo. Neste trabalho, apresentamos algoritmos de aproximação para duas novas variações dos problemas da Ordenação de Permutações por Operações Ponderadas. A primeira variação utiliza uma função de custo correspondente à quantidade de fragmentações que a operação causa na permutação. A segunda variação utiliza uma função de custo proporcional ao tamanho da operação, além de adicionar a restrição de que as operações sejam curtas. Para cada uma das variações, foram considerados cinco problemas com os seguintes modelos de rearranjo: reversões sem sinais, reversões com sinais, transposições, reversões sem sinais e transposições, e reversões com sinais e transposições. Considerando os problemas da Ordenação de Permutações por Operações Ponderadas pelo Número de Fragmentações, apresentamos uma análise da relação entre os problemas não ponderados e essa variação, dois algoritmos de 2-aproximação para cada um dos cinco modelos de rearranjo, resultados experimentais desses algoritmos e limitantes inferiores e superiores para o diâmetro desses problemas. Além disso, apresentamos propriedades sobre permutações simples e um algoritmo de 1.5-aproximação assintótica para essa classe de permutações considerando reversões com sinais e/ou transposições. Para os problemas da Ordenação de Permutações por Operações Curtas Ponderadas pelo Tamanho, apresentamos uma análise da relação entre os problemas não ponderados e essa variação, algoritmos de aproximação com fator constante para cada um dos cinco modelos de rearranjo e resultados experimentais desses algoritmos. Além disso, fizemos uma análise do fator de aproximação dos algoritmos quando a função de custo é igual a l ^ alpha, onde l é o tamanho da operação e alpha > 1 é uma constanteAbstract: One of the main problems in Computational Biology is to find the evolutionary distance among species. In most approaches, such distance only involves rearrangements, which are mutations that alter large pieces of the species' genome. Considering that the genome has no repeated genes, we can represent them as signed permutations, where each element corresponds to a synteny block (region of high similarity between the genomes compared) and the sign of each element corresponds to the orientation of such blocks. When using permutations, the problem of transforming one genome into another is equivalent to the problem of Sorting Permutations by Rearrangement Operations. The traditional approach is to consider that any rearrangement has the same probability to happen, and so the goal is to find a minimum sequence of operations which sorts the permutation. However, studies have shown that some rearrangements are more likely to happen than others, and so a weighted approach is more realistic. In a weighted approach, the goal is to find a sequence which sorts the permutations, such that the sum of the rearrangements' cost of that sequence is minimum. In this work, we presented approximation algorithms for two new variations of the Sorting Permutations by Weighted Operations problem. The first variation uses a cost function related to the amount of fragmentation caused by a rearrangement. The second variation uses a cost function proportional to the rearrangement's length, along with the constraint that operations must be short. For each variation, we considered five problems with the following rearrangement models: unsigned reversals, signed reversals, transpositions, unsigned reversals and transpositions, and signed reversals and transpositions. Considering the problems of Sorting Permutations by Fragmentation-Weighted Operations, we presented an analysis of the relation between the traditional approach and this variation, 2-approximation algorithms for each rearrangement model, experimental results of these algorithms, and upper and lower bounds for the diameter of these problems. Besides that, we showed properties of simple permutations and a 1.5-asymptotic approximation algorithm for this class of permutation considering signed reversals and/or transpositions. Considering the problems of Sorting Permutations by Length-Weighted Short Operations, we presented an analysis of the relation between the traditional approach and this variation, approximation algorithms with constant factor for each rearrangement model, and experimental results for these algorithms. Besides that, we analyzed the approximation factor for the algorithms we developed when the cost function is equal to l ^ alpha, where l is the rearrangement's length and alpha > 1 is a constantMestradoCiência da ComputaçãoMestre em Ciência da Computação2017/16871-1131182/2017-0FAPESPCNP

Sorting permutations by limited-size operations

Orientadores: Zanoni Dias, Carla Negri LintzmayerDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de ComputaçãoResumo: O resumo poderá ser visualizado no texto completo da tese digitalAbstract: The abstract is available with the full electronic digital documentMestradoCiência da ComputaçãoMestre em Ciência da ComputaçãoCAPE

O problema da ordenação de permutações usando rearranjos de prefixos e sufixos

Orientador: Zanoni DiasTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de ComputaçãoResumo: O Problema das Panquecas tem como objetivo ordenar uma pilha de panquecas que possuem tamanhos distintos realizando o menor número possível de operações. A operação permitida é chamada reversão de prefixo e, quando aplicada, inverte o topo da pilha de panquecas. Tal problema é interessante do ponto de vista combinatório por si só, mas ele também possui algumas aplicações em biologia computacional. Dados dois genomas que compartilham o mesmo número de genes, e assumindo que cada gene aparece apenas uma vez por genoma, podemos representá-los como permutações (pilhas de panquecas também são representadas por permutações). Então, podemos comparar os genomas tentando descobrir como um foi transformado no outro por meio da aplicação de rearranjos de genoma, que são eventos de mutação de grande escala. Reversões e transposições são os tipos mais comumente estudados de rearranjo de genomas e uma reversão de prefixo (ou transposição de prefixo) é um tipo de reversão (ou transposição) que é restrita ao início da permutação. Quando o rearranjo é restrito ao final da permutação, dizemos que ele é um rearranjo de sufixo. Um problema de ordenação de permutações por rearranjos é, portanto, o problema de encontrar uma sequência de rearranjos de custo mínimo que ordene a permutação dada. A abordagem tradicional considera que todos os rearranjos têm o mesmo custo unitário, de forma que o objetivo é tentar encontrar o menor número de rearranjos necessários para ordenar a permutação. Vários esforços foram feitos nos últimos anos considerando essa abordagem. Por outro lado, um rearranjo muito longo (que na verdade é uma mutação) tem mais probabilidade de perturbar o organismo. Portanto, pesos baseados no comprimento do segmento envolvido podem ter um papel importante no processo evolutivo. Dizemos que essa abordagem é ponderada por comprimento e o objetivo nela é tentar encontrar uma sequência de rearranjos cujo custo total (que é a soma do custo de cada rearranjo, que por sua vez depende de seu comprimento) seja mínimo. Nessa tese nós apresentamos os primeiros resultados que envolvem problemas de ordenação de permutações por reversões e transposições de prefixo e sufixo considerando ambas abordagens tradicional e ponderada por comprimento. Na abordagem tradicional, consideramos um total de 10 problemas e desenvolvemos novos resultados para 6 deles. Na abordagem ponderada por comprimento, consideramos um total de 13 problemas e desenvolvemos novos resultados para todos elesAbstract: The goal of the Pancake Flipping problem is to sort a stack of pancakes that have different sizes by performing as few operations as possible. The operation allowed is called prefix reversal and, when applied, flips the top of the stack of pancakes. Such problem is an interesting combinatorial problem by itself, but it has some applications in computational biology. Given two genomes that share the same genes and assuming that each gene appears only once per genome, we can represent them as permutations (stacks of pancakes are also represented by permutations). Then, we can compare the genomes by figuring out how one was transformed into the other through the application of genome rearrangements, which are large scale mutations. Reversals and transpositions are the most commonly studied types of genome rearrangements and a prefix reversal (or prefix transposition) is a type of reversal (or transposition) which is restricted to the beginning of the permutation. When the rearrangement is restricted to the end of the permutation, we say it is a suffix rearrangement. A problem of sorting permutations by rearrangements is, therefore, the problem to find a sequence of rearrangements with minimum cost that sorts a given permutation. The traditional approach considers that all rearrangements have the same unitary cost, in which case the goal is trying to find the minimum number of rearrangements that are needed to sort the permutation. Numerous efforts have been made over the past years regarding this approach. On the other hand, a long rearrangement (which is in fact a mutation) is more likely to disturb the organism. Therefore, weights based on the length of the segment involved may have an important role in the evolutionary process. We say this is the length-weighted approach and the goal is trying to find a sequence of rearrangements whose total cost (the sum of the cost of each rearrangement, which depends on its length) is minimum. In this thesis we present the first results regarding problems of sorting permutations by prefix and suffix reversals and transpositions considering both the traditional and the length-weighted approach. For the traditional approach, we considered a total of 10 problems and developed new results for 6 of them. For the length-weighted approach, we considered a total of 13 problems and developed new results for all of themDoutoradoCiência da ComputaçãoDoutora em Ciência da Computação140017/2013-52013/01172-0FAPESPCNP