Cải tiến mô hình Markov ẩn cho tìm kiếm gen và các ứng dụng sinh học khác

Luận án tiến sĩ nghiên cứu enhancements to hidden markov models for gene finding and other biological applications, phát triển phương pháp mới, đánh giá hiệu quả ứng dụng trong

Trường đại học

University of Waterloo

Chuyên ngành

Computer Science

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

thesis

2005

158
1
0

Phí lưu trữ

45 Point

Tóm tắt

I. Mô hình Markov ẩn

Mô hình Markov ẩn (HMM) là một công cụ quan trọng trong phân tích chuỗi sinh học, đặc biệt trong tìm kiếm gen. HMM là một mô hình xác suất sinh ra chuỗi ký tự dựa trên các trạng thái ẩn và xác suất chuyển đổi giữa các trạng thái. Trong luận án này, Tomas Vinar đã đề xuất ba phương pháp cải tiến HMM để nâng cao khả năng nhận diện các tín hiệu sinh học trong chuỗi DNA. Các cải tiến này tập trung vào việc nắm bắt các phụ thuộc không liền kề trong chuỗi DNA, cải thiện biểu diễn phân bố độ dài, và tối ưu hóa cấu trúc topo của HMM. Những cải tiến này không chỉ giúp tăng độ chính xác của mô hình mà còn mở rộng ứng dụng của HMM trong các bài toán sinh học khác.

1.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của HMM

HMM bao gồm các trạng thái ẩn, xác suất chuyển đổi giữa các trạng thái, và xác suất phát sinh ký tự từ mỗi trạng thái. Mỗi chuỗi DNA được xem như một chuỗi quan sát, và mục tiêu là tìm ra chuỗi trạng thái ẩn tương ứng. Ví dụ, trong bài toán tìm kiếm gen, các trạng thái có thể đại diện cho các vùng mã hóa (exon), vùng không mã hóa (intron), hoặc vùng liên gen (intergenic). HMM giúp xác định các vùng này dựa trên các đặc điểm thống kê của chuỗi DNA.

1.2. Hạn chế của HMM truyền thống

Một trong những hạn chế của HMM truyền thống là khả năng nắm bắt các phụ thuộc phức tạp trong chuỗi DNA. HMM thường chỉ xem xét các phụ thuộc liền kề, trong khi các tín hiệu sinh học có thể phụ thuộc vào các vùng xa nhau trong chuỗi. Ngoài ra, việc thiếu dữ liệu huấn luyện cũng là một thách thức lớn, vì các mô hình phức tạp hơn đòi hỏi lượng dữ liệu lớn hơn để đạt được độ chính xác cao.

II. Tìm kiếm gen và ứng dụng sinh học

Tìm kiếm gen là một bài toán quan trọng trong sinh học tính toán, với mục tiêu xác định các vùng mã hóa protein trong chuỗi DNA. HMM đã được sử dụng rộng rãi trong các công cụ tìm kiếm gen như ExonHunter, một công cụ được phát triển trong luận án này. ExonHunter đã chứng minh hiệu quả vượt trội so với các công cụ khác trong các dự án giải mã gen. Ngoài ra, các cải tiến trong HMM cũng có thể được áp dụng trong các bài toán sinh học khác như dự đoán cấu trúc protein hoặc phân tích tín hiệu sinh học.

2.1. Phương pháp tìm kiếm gen dựa trên HMM

Phương pháp tìm kiếm gen dựa trên HMM bao gồm việc huấn luyện mô hình trên các chuỗi DNA đã được chú thích, sau đó sử dụng mô hình để dự đoán các vùng gen trên các chuỗi mới. Quá trình này bao gồm việc tính toán đường đi trạng thái có xác suất cao nhất (Viterbi algorithm) hoặc chú thích có xác suất cao nhất (posterior decoding). Các phương pháp này giúp xác định chính xác các vùng mã hóa và không mã hóa trong chuỗi DNA.

2.2. Ứng dụng của HMM trong sinh học

Ngoài tìm kiếm gen, HMM còn được ứng dụng trong nhiều bài toán sinh học khác như dự đoán cấu trúc thứ cấp của protein, nhận diện các họ protein, và tìm kiếm các trình tự tương đồng. Các cải tiến trong HMM, đặc biệt là việc nắm bắt các phụ thuộc phức tạp và cải thiện biểu diễn phân bố độ dài, đã mở rộng khả năng ứng dụng của HMM trong các lĩnh vực này.

III. Cải tiến mô hình Markov ẩn

Luận án của Tomas Vinar tập trung vào việc cải tiến mô hình Markov ẩn để nâng cao hiệu quả trong tìm kiếm gen và các ứng dụng sinh học. Ba phương pháp chính được đề xuất bao gồm: (1) nắm bắt các phụ thuộc không liền kề trong chuỗi DNA, (2) cải thiện biểu diễn phân bố độ dài, và (3) tối ưu hóa cấu trúc topo của HMM. Những cải tiến này không chỉ giúp tăng độ chính xác của mô hình mà còn mở rộng ứng dụng của HMM trong các bài toán sinh học khác.

3.1. Nắm bắt các phụ thuộc không liền kề

Một trong những cải tiến quan trọng là việc nắm bắt các phụ thuộc không liền kề trong chuỗi DNA. Các mô hình truyền thống chỉ xem xét các phụ thuộc liền kề, trong khi các tín hiệu sinh học có thể phụ thuộc vào các vùng xa nhau trong chuỗi. Bằng cách mở rộng khả năng nắm bắt các phụ thuộc này, HMM có thể nhận diện chính xác hơn các vùng mã hóa và không mã hóa trong chuỗi DNA.

3.2. Cải thiện biểu diễn phân bố độ dài

Phân bố độ dài của các vùng gen là một yếu tố quan trọng trong tìm kiếm gen. Các mô hình truyền thống thường sử dụng phân bố hình học để biểu diễn độ dài, nhưng điều này không phản ánh chính xác thực tế. Luận án đề xuất các phương pháp cải thiện biểu diễn phân bố độ dài, giúp tăng độ chính xác của mô hình trong việc nhận diện các vùng gen.

IV. Tối ưu hóa tìm kiếm và ứng dụng thực tiễn

Việc tối ưu hóa tìm kiếm trong HMM đòi hỏi sự cân bằng giữa độ chính xác của mô hình và thời gian tính toán. Luận án đã đề xuất các phương pháp tối ưu hóa cấu trúc topo của HMM, giúp giảm thời gian tính toán mà vẫn đảm bảo độ chính xác cao. Những phương pháp này không chỉ áp dụng trong tìm kiếm gen mà còn trong các bài toán sinh học khác như phân tích tín hiệu sinh học và dự đoán cấu trúc protein.

4.1. Tối ưu hóa cấu trúc topo của HMM

Cấu trúc topo của HMM ảnh hưởng lớn đến hiệu quả của mô hình. Luận án đã đề xuất các phương pháp tối ưu hóa cấu trúc topo, giúp giảm thời gian tính toán mà vẫn đảm bảo độ chính xác cao. Các phương pháp này bao gồm việc sử dụng các thuật toán heuristic và lập trình nguyên để tìm ra cấu trúc topo tối ưu.

4.2. Ứng dụng thực tiễn của các cải tiến

Các cải tiến trong HMM không chỉ giúp tăng độ chính xác trong tìm kiếm gen mà còn mở rộng ứng dụng trong các bài toán sinh học khác. Ví dụ, các phương pháp cải tiến có thể được áp dụng trong dự đoán cấu trúc protein hoặc phân tích tín hiệu sinh học, giúp nâng cao hiệu quả của các nghiên cứu sinh học.

21/02/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

Enhancements to Hidden Markov Models for Gene Finding and Other Biological Applications by Tomas Vinar A thesis presented to the University of Waterloo in fulfilment of the thesis requirement for the degree of Doctor of Philosophy in Computer Science Waterloo, Ontario. 2005 © Tomas Vina 2005 ivi Library and Archives Canada Bibliotheque et Archives Canada Published Heritage Direction du Branch Patrimoine de l'édition 395 Wellington Street 395, rue Wellington Ottawa ON K1A 0N4 Ottawa ON K1A ON4 Canada Canada Your file Votre référence ISBN: 0-494-14634-6 Our file Notre référence ISBN: 0-494-14634-6 NOTICE: AVIS: The author has granted a non- L'auteur a accordé une licence non exclusive exclusive license allowing Library permettant a la Bibliotheque et Archives and Archives Canada to reproduce, Canada de reproduire, publier, archiver, publish, archive, preserve, conserve, sauvegarder, conserver, transmettre au public communicate to the public by par télécommunication ou par I'Internet, préter, telecommunication or on the Internet, distribuer et vendre des theses partout dans loan, distribute and sell theses le monde, a des fins commerciales ou autres, worldwide, for commercial or non- sur support microforme, papier, électronique commercial purposes, in microform, et/ou autres formats. paper, electronic and/or any other formats. The author retains copyright L'auteur conserve la propriété du droit d'auteur ownership and moral rights in et des droits moraux qui protége cette these.

Neither the thesis Ni la thése ni des extraits substantiels de nor substantial extracts from it celle-ci ne doivent étre imprimés ou autrement may be printed or otherwise reproduits sans son autorisation. reproduced without the author's permission. In compliance with the Canadian Conformément a la loi canadienne Privacy Act some supporting sur la protection de la vie privée, forms may have been removed quelques formulaires secondaires from this thesis. ont été enlevés de cette these.

While these forms may be included Bien que ces formulaires in the document page count, aient inclus dans la pagination, their removal does not represent il n'y aura aucun contenu manquant. any loss of content from the thesis. Canada AUTHOR’S DECLARATION FOR ELECTRONIC SUBMISSION OF A THESIS I hereby declare that I am the sole author of this thesis. This is a true copy of the thesis, including any required final revisions, as accepted by my examiners.

I understand that my thesis may be made electronically available to the public. il Abstract In this thesis, we present enhancements of hidden Markov models for the problem of finding genes in DNA sequences. Genes are the parts of DNA that serve as a template for synthesis of proteins. Thus, gene finding is a crucial step in the analysis of DNA sequencing data.

Hidden Markov models are a key tool used in gene finding. Yhis thesis presents three methods for extending the capabilities of hidden Markov models to better capture the sta- tistical properties of DNA sequences. In all three, we encounter limiting factors that lead to trade-offs between the model accuracy and those limiting factors. First, we build better models for recognizing biological signals in DNA sequences.

Our new models capture non-adjacent dependencies within these signals. In this case, the main limiting factor is the amount of training data: more training data allows more complex models. Second, we design methods for better representation of length distributions in hidden Markov models, where we balance the accuracy of the representation against the running time needed to find genes in novel sequences. Finally, we show that creating hidden Markov models with complex topologies may be detrimental to the prediction accuracy, unless we use more complex prediction algorithms.

However, such algorithms require longer running time, and in many cases the prediction problem is NP-hard. For gene finding this means that incorporating some of the prior biological knowledge into the model would require impractical running times. However, we also demonstrate that our methods can be used for solving other biological problems, where input sequences are short. As a model example to evaluate our methods, we built a gene finder ExonHunter that outperforms programs commonly used in genome projects.

ill Acknowledgements I would like to thank all the people, who contributed to this thesis. Thanks to both of my supervisors Ming Li and Dan Brown. During my years of PhD studies, they provided me with tremendous amount of support and extraordinary freedom to pursue my own curiosity, yet they were always eager to work on the problems with me and give me a guidance: to Brona Brejova. my wife, my best friend.

and also my closest research collaborator. I would also like to thank members of my committee Therese Bied], Ian Munro, Burkhard Morgenstern, and Romy Shioda for their guidance and insightful comments. Special thanks to people who helped me in the beginnings of my research career by many hours spent in helpful discussions: Jonathan Badger, Haoyvong Zhang, John Tsang, and Michael Hu. Thanks to Martin Demaine and Therese Biedl, who always encouraged me to start new things, and who helped me to set up bioinformatics problem sessions.

Special thanks to Therese, under whose guidance we wrote our first research paper. Thanks to all the other people with whom I had a pleasure to co-author research papers and reports: Jonathan Buss, Erik Demaine, Chrysanne DiMarco, Mohammadtaghi Haji- aghayi, Angele Hamel, Masud Hasan, lan Harrower, Sandra Romero Hidalgo, Gina Holguin, Joe D. Horton, Alejandro Lopez-Ortiz, and Cheryl Patten. but definitely not least, I would like to thank my parents, for supporting me and encouraging me in all my endeavors.

IV To my brother, who left us early.1 Sequence Annotation and Hidden Markov Models .1 Hidden Markov Models.2 Algorithms for Decoding Hidden Markov Models.1 Computing the Most Probable State Path.3 Combining Viterbi and Posterior Decoding.3 Training Hidden Markov Models.3 Beyond Maximum Likelihood .2 Introduction to Gene Finding .1 Statistical Properties of Genes in DNA Sequences .1 Differences in k-mer Composition .2 Conserved Signal Sequences .2 Previous Work: Programs for Ab Initio Gene Finding .3 Beyond Ab Initio Gene Finding .5 Experimental Verification of Gene Predictions .1 Methods Based on Random Sampling .2 Genome-Wide Analysis .3 Prediction Driven Methods .3 Hidden Markov Models for Gene Finding.3 Start and Stop Sites 2.4 Untranslated Regions and Intergenic Region .5 Putting the Pieces Together .0 vo VI 2 Higher Order Tree Models for Signal Recognition 35 2.1 Intra-signal Dependencies and HOT Models .2 Maximum Likelihood Training of£ HOT Models.1 HOT Models and Hypergraphs .2 Finding the Optimal Topology for Tree Models .3 Minimum Spanning Directed Hypertree is NP-hard .4 Finding the Optimal HOT Topology by Integer Programming .5 Greedy Heuristic for Finding a Good HOT Topology .1 Using Generative Models as Classifiers .3 Donor Site Experiments .4 Relationship Between Model Order and the Amount of Training Data 58 2.5 Acceptor Site Experiments.6 Signal Models in Gene Finding. an 63 Length Distributions in HMMs 65 3.1 Generalized HMMs with Explicit State Duration. Distributions with Geometric Tails 2. Maximum Likelihood Training.

Decoding HMMs with Geometric-Tail Lengths.3 Decoding Geometric-Tail Distributions with Large Values oft .4 Gadgets of States.1 Phase-type Distributions .2 Gadgets of States and the Viterbi Algorithm .5 Length Distributions of Complex Sub-models.1 A Viterbi Algorithm for Boxed HMMs. Boxed HMMs with Geometric-Tail Distributions.6 Summary and Experiments.000 00004 92 Finding the Most Probable Annotation 97 4.1 Comparing Decoding by the Most Probable Path and by the Most Probable Annotation 2.2 Finding the Most Probable Annotation is NP-hard .21 Proof of Lyngsø and Pedersen.2 Layered Graphs and the BEST-LAYER-COLORING Problem.3 From Laver Colorings toHMMs .4 Constructing a Small HIM that is NP-hard to Decode .3 Computing the Most Probable Annotation .1 Most Probable Extended Annotation .2 Critical Edge Condition .3 Silent States and the Critical Edge Condition .4 Applications of the EVA .5 Generalizing the EVA and the Critical Edge Condition. ee 126 5 Implementing ExonHunter 129 5.1 Hidden Markov Model of ExonHunter.2 Common Sequence Repeats. ga g k kg va 133 5.3 Performance of ExonHunter on Human Sequences .4 Performance of ExonHunter on Fruit Fly Sequences.

xa 136 6 Conclusion 137 A Datasets and Their Preparation 139 A.1 ENCODE Gene Prediction Workshop.2 Chromosome 22 Annotated with RefSeq .3 Augustus Training Set.4 SpliceDB Collection of Splice Site Signals.5 Fruit Fly Datasets 2. gà kg kg kg va 140 Bibliography 141 vill List of Figures 1.1 Example of a hidden Markov model.2 A simple HMM topology for transmembrane protein topology prediction .3 Central dogma of molecular biology .4 Translating nucleotide sequences to protein sequences .5 Summary of biological signals important for gene finding. cà và va kg na 19 1.7 Logo of 5’ (donor) splice site.8 Logo of 3’ (acceptor) splice site 2.9 Logo of region [—20, —5] before the acceptor splice site .10 Logo of translation start signal .11 Logo of translation stop signal.12 Example of exon model.13 Example oŸ an intron model.14 Start site model. gà kg kg kg vo 30 1.15 Stop site model .16 HMM for a sequence with a single gene on the forward strand .17 HMM for a multi gene sequence with genes on both strands .1 Pairwise dependencies in human donor splice site .2 Examples of different model topologies for donor signal .3 Minimum spanning directed hypertree is NP-hard .4 Minimum spanning directed hypertree is NP-hard (cont).9 Comparison of models inferred by integer programming and a greedy algorithm 50 2.6 Graphs comparing sensitivity and specificity .7 Comparison of donor site prediction for PWM-2 and HOT-2 .8 Detail of ROC curve for second order models of donor site.

actual fraction of true positives.10 The HOT-3 model dominates IDD model of donor site.11 Specificity of donor models at 90% sensitivity with increasing amount of train- ing data 2.12 Pairwise dependencies in human acceptor splice site .1 Length distributions in Human chromosome 22.2 Approximation of length distributions by geometric distributions.3 Example of a geometric-tail distribution .4 Approximation by geometric-tail distributions .9 Alternative implementation of geometric-tail distributions .6 Generalization capacity of geometric-tail distributions .7 Geometric-tail distribution gadget for large values of f.8 Step-function approximation of length distribution.9 Gadget generating non-geometric length distribution in HMM .10 Family of distributions generated by the gadget from Figure 3.11 Gadget with geometric length distribution replaces gadget from Figure 3.12 3-periodic Markov chains used for modeling exons .13 Alternative model of intron .14 Example of boxed HMM. gà và kg kg va 3.15 Intron lengths of fruit fy.1 The most probable path is different than the most probable annotation .2 HMM A: An HMM with the multiple path problem .3 HMM B: Simplified model of HMMA .4 Comparison of different decoding methods .5 NP hardness of the most probable labeling—gadget for vertexv .6 Example of the construction of Lyngso and Pedersen (2002) .7 Illustration of the BEST-LAYER-COLORING problem .8 Overview of NP-completeness proof of BEST-LAYER-COLORING .9 Part of SAT(c, y) component corresponding to one variable.10 Example of assembly of SAT components .11 Overview of ENCODE and EQ. c c c Q Q Q r ng Q2 2 TT va 4.12 One section of component MULT(#):a —2 @(#) .14 One section of component SQUARE(z):1—— K(n)—b(z).15 Encoding formulas and assignments for HAIAI solvingSAT.16 HAIM solving SẤT”. gà gà kg kg va 4.17 HMM with critical edges.18 An HMM violating critical edge condition .19 Usefulness of silent states.20 Simplified model of ESTScan .21 Simple model of exon/intron structure 2.22 TMHMM: prediction of topology of transmembrane proteins .23 HMM requiring generalized EVA algorithm.24 An HMM with unknown decoding algorithm.

List of Tables 1.1 Standard genetic code. wc gà va 15 1.2 Correlation of 3-mer composition of sequence elements in gene finding .3 Classification of objects in union of predicted and correct objects.1 Position weight matrix for donor site .2 Finding optimal solution with CPLEX (running time).3 Characteristics of data sets used for testing of signal models .4 Specificity at various sensitivity levels and reliability score of donor site models 54 2.5 Structures inferred for structured HƠI models.6 Specifcity and reliability seore of acceptor site models.7 Performance of signal models in gene finding.1 Overview of methods for modeling length distributions .2 Performance of non-geometric length distributions on gene finding in human 94 3.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Tài liệu có tiêu đề Cải tiến mô hình Markov ẩn trong tìm kiếm gen và ứng dụng sinh học trình bày những cải tiến trong việc áp dụng mô hình Markov ẩn (HMM) để tối ưu hóa quá trình tìm kiếm gen. Mô hình này không chỉ giúp nâng cao độ chính xác trong việc xác định các vùng gen mà còn mở ra những ứng dụng mới trong nghiên cứu sinh học, từ đó hỗ trợ các nhà khoa học trong việc phân tích dữ liệu gen phức tạp.

Độc giả sẽ tìm thấy nhiều lợi ích từ tài liệu này, bao gồm việc hiểu rõ hơn về cách mà các mô hình thống kê có thể được áp dụng trong sinh học phân tử, cũng như cách mà các cải tiến này có thể dẫn đến những phát hiện mới trong nghiên cứu gen. Để mở rộng kiến thức của mình, bạn có thể tham khảo tài liệu Nghiên cứu đánh giá một số phương pháp chú giải hệ gen lục lạp, nơi cung cấp cái nhìn sâu sắc về các phương pháp chú giải gen khác nhau, bổ sung cho những kiến thức bạn đã học được từ tài liệu này.