[论文解读] 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 7

一句话总结

本文提出了一种新颖的DNA信号处理方法，利用秀丽隐杆线虫内含子衍生的频率混沌游戏信号（FCGS），随后通过复Morlet小波分析检测时频模式。该方法在时频图中揭示了显著的纹理特征，凸显了特定的内含子基序，为基因组学中非编码DNA分析提供了新的数字信号处理视角。

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.

研究动机与目标

• 为解决尽管内含子在调控和进化上具有重要意义，但在数字信号处理研究中却长期被忽视的问题。
• 开发一种DNA序列的数值表示方法，以保留生物信息用于信号处理。
• 应用先进的时频分析方法，检测内含子序列中的隐藏模式。
• 展示所提出的DNA信号表示方法在波形分析中用于基序发现的有效性。

提出的方法

• 使用频率混沌游戏表示法（FCGR）将DNA序列转换为二维图像，再将其转化为一维信号，称为频率混沌游戏信号（FCGS）。
• 通过基于频率的编码方案，为每个DNA碱基（A、C、G、T）分配数值，从而实现信号处理。
• 对FCGS应用复Morlet小波变换，以分析内含子序列的时频特性。
• 通过视觉解读小波变换生成的颜色时频图，检测重复出现的结构基序。
• 该方法利用复小波捕捉非平稳生物信号中相位和振幅信息的能力。
• 该方法在秀丽隐杆线虫内含子序列上进行了验证，重点通过光谱纹理分析识别重复模式。

实验结果

研究问题

• RQ1 频率混沌游戏信号（FCGS）能否有效将内含子DNA序列表示为时间序列信号？
• RQ2 复Morlet小波分析是否能在秀丽隐杆线虫的内含子序列中揭示出明确的时频模式？
• RQ3 小波分析生成的视觉时频图能否识别出内含子中的重复结构基序？
• RQ4 与传统方法相比，该方法在检测非编码DNA中生物相关模式方面表现如何？
• RQ5 该信号处理流程揭示了内含子中哪些特定的时频特征？

主要发现

• FCGS表示法成功地将内含子DNA序列转化为适合时频分析的数值信号。
• 对FCGS进行复Morlet小波分析生成的颜色时频图呈现出明显的纹理模式，表明内含子中存在结构组织。
• 通过视觉检查时频图，发现了通过标准序列比对或频率分析难以检测到的重复基序。
• 该方法对内含子序列中的细微变异表现出敏感性，表明其在非编码区域基序发现方面具有潜力。
• 结果表明，当通过该信号处理框架分析时，秀丽隐杆线虫的内含子呈现出非随机且有组织的频率模式。
• 该方法为利用数字信号处理技术探索内含子的功能和进化作用，提供了一种新型、可视化且定量的工具。