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生物序列的相对特征分析及Burrows-Wheeler方法

杨连平  
【摘要】:随着后基因组时代的到来,面对着大量的基因组的完全测序及各种问题的涌现,人们期望低成本的序列比较分析工具能够更精准、更快速的分析和预测序列的结构与功能,从而降低用实验方法测定与分析而带来的高额时间与金钱成本。本文致力于生物序列分析的研究领域,提出具有一定特色的比较分析模型。 通常,序列的比较分析主要被分成两类模型:比对模型和非比对模型。本文从比较分析流程的拓扑框架上看待各种比较模型,提出将比较分析模型分为特征分析模型及相对特征分析模型。比对模型及基于信息压缩的比较模型都属于相对特征分析模型。在相对特征分析模型中,相似性假设是这类比较模型的一个核心内容。通过分析相似性假设可以得出该模型的主要的优缺点。 本文重点研究讨论了两类相对特征分析模型:基于序列间公共子串的比较模型和’Burrows-Wheeler方法。本文提出的基于公共子串的比较模型是通过讨论最长公共子串与最短特异子串之间的关系而得出的一种模型。其主要特点是:算法的时间复杂度为线性的,从而适合分析很长的基因组;其中的局部距离度量可以较好的分析基因组间的局部相似性,即使所考虑的局部包含了部分片段的重组信息;根据局部距离度量而得出累积局部距离也能有效的分析基因组的整体相似性。通过对HIV-1全基因组及其片段的子型判别的问题的研究,我们验证了该模型的有效性。 Burrows-Wheeler方法是另一类本文重点研究讨论的相对特征分析模型。其理论主要基于信息无损压缩理论中的一个重要的可逆变换——Burrows-Wheeler变换。在此变换的基础上而得出的扩展Burrows-Wheeler变换可以有效的分析序列间的共有因子的含量。本文提出了一种称为Burrows-Wheeler相似性分布的概念,并用其来描述序列间的相似性。在此基础上,我们提取Burrows-Wheeler相似性分布的两类数字特征——期望和信息熵,并针对基因序列、蛋白质序列及其结构序列的特点,采用不同的策略比较它们之间的相似性。


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