[논문 리뷰] Abelian Finite Group of DNA Genomic Sequences

Robersy Sánchez, Jesús Barreto외 2명|ArXiv.org|2005. 12. 23.

DNA and Biological Computing참고 문헌 15인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 삽입 및 삭제 변이(инд엘)를 포함한 DNA 게놈 서열을 모델링하기 위해, 기저의 부재를 나타내는 'null' 기호(O)로 코돈을 확장함으로써 Z₁₂₅와 동형인 새로운 아벨 유한군 구조를 제안한다. 또한, 삽입·삭제 변이 유무에 따라 각각 동형순환 2군과 5군의 직합으로 구성된 군 S를 정의하여, 변이 경로 및 게놈 블록 구조를 자동형사군을 통해 통합적인 대수적 프레임워크로 분석할 수 있도록 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존의 Z₆₄ 대수 모델이 비코딩 영역과 인델 변이를 배제하는 데서 비롯하는 한계를 극복하기 위해.
• 삽입 및 삭제 변이를 포함한 DNA 서열을 모델링할 수 있는 군론적 프레임워크를 개발하기 위해.
• 길이 N인 DNA 정렬 서열을 동형순환 2군과 5군의 직합으로 표현하기 위해.
• 제안된 대수적 구조에서 유도된 정규 문법을 통해 게놈 블록 구조를 식별할 수 있도록 하기 위해.
• 구축된 군 S의 자동형사군을 통해 변이 경로 및 동기능적 게놈 영역의 일반적 분석을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• O, A, C, G, U로 구성된 확장 알파벳을 도입하며, 여기서 O는 코돈 삼중조에서 삭제된 염기(기저)를 나타낸다.
• Xᵢ ∈ {O, A, C, G, U}인 모든 가능한 확장 삼중조 X₁X₂X₃에 대해 순환군을 정의하여 Z₁₂₅와 동형인 구조를 형성한다.
• 삽입·삭제 변이가 없는 서열을 위한 동형순환 2군과, 삽입·삭제 변이가 있는 서열을 위한 동형순환 5군의 직합으로 군 S를 구축한다.
• S의 자동형사군을 활용하여 변이 경로 및 게놈 영역 진화를 분석한다.
• 대수적 구조를 적용하여 게놈 정렬 서열을 모델링하고, 군의 대수적 성질에서 파생된 정규 문법을 통해 구조적 블록을 식별한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 삽입 및 삭제 변이를 포함한 DNA 서열은 어떻게 대수적 군 구조를 통해 체계적으로 모델링할 수 있는가?
• RQ2 통합된 군론적 프레임워크로 코딩 영역과 비코딩 영역, 인델 변이를 모두 표현할 수 있는가?
• RQ3 인델 변이를 포함할 경우 길이 N인 DNA 정렬 서열의 대수적 구조는 어떠한가?
• RQ4 제안된 대수적 모델을 통해 어떻게 게놈 블록 구조를 식별할 수 있는가?
• RQ5 구축된 DNA 서열 군의 자동형사군으로부터 어떤 변이 경로에 대한 통찰을 도출할 수 있는가?

주요 결과

• O, A, C, G, U로 구성된 확장 삼중조 군은 Z₁₂₅와 동형인 순환군을 형성하여 인델 변이 모델링이 가능하다.
• 삽입·삭제 변이가 없는 DNA 서열은 기존의 Z₆₄ 대수 프레임워크와 일치하는 동형순환 2군으로 표현된다.
• 인델 변이에 영향을 받는 서열은 동형순환 5군으로 모델링되어 변이 유형 간의 구조적 차이를 명확히 할 수 있다.
• 길이 N인 DNA 정렬 서열의 군 S는 동형순환 2군과 5군의 직합과 동형이다.
• S의 자동형사군은 유전자 및 동기능적 영역에서의 변이 경로와 진화 역학을 분석하는 데 일반적인 프레임워크를 제공한다.
• 대수적 모델은 군의 대수적 성질에서 파생된 정규 문법을 통해 게놈 블록 구조의 식별을 지원한다.