[論文レビュー] Abelian Finite Group of DNA Genomic Sequences

Robersy Sánchez, Jesús Barreto+2 more|ArXiv.org|Dec 23, 2005

DNA and Biological Computing参考文献 15被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、挿入・欠失（indel）を含むDNAゲノム配列をモデル化するため、ゼロ記号（O）を用いてコドンを拡張することで、Z₁₂₅に同型である新しいアーベル有限群構造を提案する。さらに、挿入欠失変異を含むDNA配列と含まないDNA配列をそれぞれ表すために、同型2群と同型5群の直和として群Sを定義し、自動同型群を用いて変異経路やゲノムブロック構造を統一的に解析する代数的枠組みを構築する。

ABSTRACT

The Z_64-algebra of the genetic code and DNA sequences of length N was recently stated. In order to beat the limits of this structure such as the impossibility of non-coding region analysis in genomes and the impossibility of the insertions and deletions analysis (indel mutations), we have develop a cycle group structure over the of extended base triplets of DNA X_1X_2X_3, X_i belong to {O, A, C, G, U}, where the letter O denote the base omission (deletion) in the codon. The obtained group is isomorphic to the abelian 5-group Z_125 of integer module 125. Next, it is defined the abelian finite group S over a set of DNA alignment sequences of length N. The group S could be represented as the direct sum of homocyclic groups: 2-group and 5-group. In particular, DNA subsequences without indel mutation could be considered building block of genes represented by homocyclic 2-groups (described in the previous Z_64-algebra). While those DNA subsequences affected by indel mutations are described by means of homocyclic 5-groups. This representation suggests identify genome block structures by way of a regular grammar capable of recognize it. In addition, this novel structure allows us a general analysis of the mutational pathways follow by genes and isofunctional genome regions by means of the automorphism group on S.

研究の動機と目的

• 従来のZ₆₄代数モデルでは非コーディング領域や挿入欠失変異を扱えないという限界を克服すること。
• 挿入・欠失を含むDNA配列をモデル化できる群論的枠組みを構築すること。
• 長さNのDNAアラインメント配列を、同型2群と同型5群の直和として表現すること。
• 群の代数的性質から導かれる正規文法を用いてゲノムブロック構造を同定できること。
• 構築した群Sの自動同型群を用いて、変異経路および相同機能的領域の一般化された解析を可能にすること。

提案手法

• O（コドン内での塩基欠失を表す）を含む拡張アルファベット{O, A, C, G, U}を導入する。
• Xᵢ ∈ {O, A, C, G, U} であるすべての可能な拡張トリプレットX₁X₂X₃に対してサイクル群を定義し、Z₁₂₅に同型な構造を形成する。
• 挿入欠失変異なしの配列を表す同型2群と、挿入欠失変異ありの配列を表す同型5群の直和として群Sを構築する。
• Sの自動同型群を用いて変異経路およびゲノム領域の進化を解析する。
• 代数的構造を用いてゲノムアラインメント配列をモデル化し、群の性質から導かれる正規文法を用いて構造的ブロックを同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 挿入・欠失を含むDNA配列は、どのように代数的群構造を用いて体系的にモデル化できるか？
• RQ2 一元的な群論的枠組みは、コーディング領域と非コーディング領域、および挿入欠失変異を含めて表現可能か？
• RQ3 挿入欠失変異を含む長さNのDNAアラインメント配列の代数的構造は何か？
• RQ4 提案された代数的モデルを用いて、どのようにゲノムブロック構造を認識できるか？
• RQ5 構築したDNA配列群の自動同型群から、変異経路に関するどのような知見が得られるか？

主な発見

• O, A, C, G, Uの拡張トリプレット群は、Z₁₂₅に同型な巡回群を形成し、挿入欠失変異のモデル化を可能にする。
• 挿入欠失変異のないDNA配列は、従来のZ₆₄代数フレームワークと整合する同型2群として表現される。
• 挿入欠失変異を受ける配列は、変異タイプの構造的区別を可能にする同型5群としてモデル化される。
• 長さNのDNAアラインメント配列の群Sは、同型2群と同型5群の直和に同型である。
• Sの自動同型群は、遺伝子および相同機能的領域における変異経路と進化的ダイナミクスを解析する一般化された枠組みを提供する。
• 代数的モデルは、群の代数的性質から導かれる正規文法を用いて、ゲノムブロック構造の同定を支援する。