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

On the Inversion-Indel Distance

Willing E, Zaccaria S, Dias Vieira Braga M, Stoye J. On the Inversion-Indel Distance. BMC Bioinformatics. 2013;14(Suppl 15: Proc. of RECOMB-CG 2013): S3.Background The inversion distance, that is the distance between two unichromosomal genomes with the same content allowing only inversions of DNA segments, can be computed thanks to a pioneering approach of Hannenhalli and Pevzner in 1995. In 2000, El-Mabrouk extended the inversion model to allow the comparison of unichromosomal genomes with unequal contents, thus insertions and deletions of DNA segments besides inversions. However, an exact algorithm was presented only for the case in which we have insertions alone and no deletion (or vice versa), while a heuristic was provided for the symmetric case, that allows both insertions and deletions and is called the inversion-indel distance. In 2005, Yancopoulos, Attie and Friedberg started a new branch of research by introducing the generic double cut and join (DCJ) operation, that can represent several genome rearrangements (including inversions). Among others, the DCJ model gave rise to two important results. First, it has been shown that the inversion distance can be computed in a simpler way with the help of the DCJ operation. Second, the DCJ operation originated the DCJ-indel distance, that allows the comparison of genomes with unequal contents, considering DCJ, insertions and deletions, and can be computed in linear time. Results In the present work we put these two results together to solve an open problem, showing that, when the graph that represents the relation between the two compared genomes has no bad components, the inversion-indel distance is equal to the DCJ-indel distance. We also give a lower and an upper bound for the inversion-indel distance in the presence of bad components

Genomic Distance with DCJ and Indels

Dias Vieira Braga M, Willing E, Stoye J. Genomic Distance with DCJ and Indels. In: Proc. of WABI 2010. LNBI. Vol 6293. 2010: 90-101

Double Cut and Join with Insertions and Deletions

Dias Vieira Braga M, Willing E, Stoye J. Double Cut and Join with Insertions and Deletions. Journal of Computational Biology. 2011;18(9):1167-1184

Computing the Inversion-Indel Distance

Willing E, Stoye J, Dias Vieira Braga M. Computing the Inversion-Indel Distance. IEEE/ACM Transactions on Computational Biology and Bioinformatics. 2021;18(6):2314-2326.The inversion distance, that is the distance between two unichromosomal genomes with the same content allowing only inversions of DNA segments, can be exactly computed thanks to a pioneering approach of Hannenhalli and Pevzner from 1995. In 2000, El-Mabrouk extended the inversion model to perform the comparison of unichromosomal genomes with unequal contents, combining inversions with insertions and deletions (indels) of DNA segments, giving rise to the inversion-indel distance. However, only a heuristic was provided for its computation. In 2005, Yancopoulos, Attie and Friedberg started a new branch of research by introducing the generic double cut and join (DCJ) operation, that can represent several genome rearrangements (including inversions). In 2006, Bergeron, Mixtacki and Stoye showed that the DCJ distance can be computed in linear time with a very simple procedure. As a consequence, in 2010 we gave a linear-time algorithm to compute the DCJ-indel distance. This result allowed the inversion-indel model to be revisited from another angle. In 2013, we could show that, when the diagram that represents the relation between the two compared genomes has no bad components, the inversion-indel distance is equal to the DCJ-indel distance. In the present work we complete the study of the inversion-indel distance by giving the first algorithm to compute it exactly even in the presence of bad components