[論文レビュー] Complex Morlet Wavelet Analysis of the DNA Frequency Chaos Game Signal and Revealing Specific Motifs of Introns in C.elegans

Imen Messaoudi, Afef Elloumi Oueslati+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2013

Fractal and DNA sequence analysis参考文献 22被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、C. elegansのイントロンから導出された周波数カオスゲーム信号（FCGS）を用いた新規なDNA信号処理手法を提案する。その後、複素Morletウェーブレット解析を適用し、周波数-時間パターンを検出する。この手法により、スコログラムに顕著なテクスチャ的特徴が現れ、特定のイントロニックモチーフが強調される。本研究は、ゲノムにおける非コーディングDNA解析のための新しいデジタル信号処理の視点を提供する。

ABSTRACT

Nowadays, studying introns is becoming a very promising field in the genomics. Even though they play a role in the dynamic regulation of gene and in the organism's evolution, introns have not attracted enough attention like exons did; especially of digital signal processing researchers. Thus, we focus on analysis of the C.elegans introns. In this paper, we propose the complex Morlet wavelet analysis to investigate introns' characterization in the C.elegans genes. However, catching the change in frequency response with respect to time of the gene sequences is hindered by their presence in the form of strings of characters. This can only be counteracted by assigning numerical values to each of the DNA characters. This operation defines the so called "DNA coding approach". In this context, we propose a new coding technique based on the Frequency Chaos Game Representation (FCGR) that we name the "Frequency Chaos Game Signal" (FCGS). Results of the complex Morlet wavelet Analysis applied to the Celegans FCGS are showing a very distinguished texture. The visual interpretation of the colour scalograms is proved to be an efficient tool for revealing significant information about intronic sequences.

研究の動機と目的

• イントロンが転写調節や進化的意義を有するにもかかわらず、デジタル信号処理研究においてそれらが軽視されているという問題に対処すること。
• 生物学的情報を保持したままDNA配列を数値表現する手法の開発。
• 高度な時間周波数解析を用いてイントロン配列に隠れたパターンを同定すること。
• 新規に提案されたDNA信号表現を用いたウェーブレット解析の有効性を、モチーフ同定の観点から示すこと。

提案手法

• 周波数カオスゲーム表現（FCGR）を用いてDNA配列を2次元画像に変換し、その後1次元信号（周波数カオスゲーム信号：FCGS）に変換する。
• 各DNAヌクレオチド（A, C, G, T）は周波数に基づく符号化方式により数値に割り当てられ、信号処理が可能になる。
• 複素Morletウェーブレット変換をFCGSに適用し、イントロン配列の時間周波数特性を分析する。
• ウェーブレット変換から得られるカラーのスコログラムを視覚的に解釈し、繰り返し現れる構造的モチーフを特定する。
• 本手法は、非定常な生物学的信号における位相と振幅情報を捉える複素ウェーブレットの能力を活用する。
• C. elegansのイントロン配列を対象として、スペクトルテクスチャ解析による繰り返しパターンの同定を焦点として、手法の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 周波数カオスゲーム信号（FCGS）は、イントロンDNA配列を時間領域信号として効果的に表現できるか？
• RQ2 複素Morletウェーブレット解析は、C. elegansのイントロン配列に明確な時間周波数パターンを明らかにできるか？
• RQ3 ウェーブレット解析から得られるスコログラムの視覚的解釈により、イントロンに繰り返し現れる構造的モチーフを同定できるか？
• RQ4 本手法は、非コーディングDNAにおける生物学的に有意なパターンを同定する観点で、従来手法と比較して優れているか？
• RQ5 この信号処理パイプラインにより、イントロンにどのような周波数-時間特徴が明らかになるか？

主な発見

• FCGS表現は、時間周波数解析に適した数値信号にイントロンDNA配列を効果的に変換できた。
• FCGSに対する複素Morletウェーブレット解析により、イントロン内の構造的組織性を示す明確なテクスチャパターンを持つカラーのスコログラムが得られた。
• スコログラムの視覚的検査により、標準的な配列アラインメントや周波数解析では容易に同定できない繰り返しモチーフが明らかになった。
• 本手法はイントロン配列の微細な変異に対しても感受性を示し、非コーディング領域におけるモチーフ同定の可能性を示唆した。
• 結果から、この信号処理フレームワークを用いることで、C. elegansのイントロンが非ランダムで構造的な周波数パターンを示すことが判明した。
• 本手法は、デジタル信号処理技術を用いたイントロンの機能的・進化的役割を探索するための、新たな視覚的かつ定量的なツールを提供する。