New methods for biological sequence alignment

par Marta Gîrdea

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Gregory Kucherov et de Laurent Noé.

Soutenue le 10-12-2010

à Lille 1 .

  • Titre traduit

    De nouvelles méthodes pour l'alignement des séquences biologiques


  • Résumé

    L'alignement de séquences biologiques est une technique fondamentale en bioinformatique, et consiste à identifier des séries de caractères similaires (conservés) qui apparaissent dans le même ordre dans les deux séquences, et à inférer un ensemble de modifications (substitutions, insertions et suppressions) impliquées dans la transformation d'une séquence en l'autre. Cette technique permet de déduire, sur la base de la similarité de séquence, si deux ou plusieurs séquences biologiques sont potentiellement homologues, donc si elles partagent un ancêtre commun, permettant ainsi de mieux comprendre l'évolution des séquences. Cette thèse aborde les problèmes de comparaison de séquences dans deux cadres différents: la détection d'homologies et le séquençage à haut débit. L'objectif de ce travail est de développer des méthodes d'alignement qui peuvent apporter des solutions aux deux problèmes suivants: i) la détection d'homologies cachées entre des protéines par comparaison de séquences protéiques, lorsque la source de leur divergence sont les mutations qui changent le cadre de lecture, et ii) le mapping de reads SOLiD (séquences de di-nucléotides chevauchantes codés par des couleurs) sur un génome de référence. Dans les deux cas, la même idée générale est appliquée: comparer implicitement les séquences d'ADN pour la détection de changements qui se produisent à ce niveau, en manipulant, en pratique, d'autres représentations (séquences de protéines, séquences de codes di-nucléotides) qui fournissent des informations supplémentaires et qui aident à améliorer la recherche de similarités. Le but est de concevoir et d'appliquer des méthodes exactes et heuristiques d'alignement, ainsi que des systemes de scores, adaptés à ces scénarios.


  • Résumé

    Biological sequence alignment is a fundamental technique in bioinformatics, and consists of identifying series of similar (conserved) characters that appear in the same order in both sequences, and eventually deducing a set of modifications (substitutions, insertions and deletions) involved in the transformation of one sequence into the other. This technique allows one to infer, based on sequence similarity, if two or more biological sequences are potentially homologous, i.e. if they share a common ancestor, thus enabling the understanding of sequence evolution.This thesis addresses sequence comparison problems in two different contexts: homology detection and high throughput DNA sequencing. The goal of this work is to develop sensitive alignment methods that provide solutions to the following two problems: i) the detection of hidden protein homologies by protein sequence comparison, when the source of the divergence are frameshift mutations, and ii) mapping short SOLiD reads (sequences of overlapping di-nucleotides encoded as colors) to a reference genome. In both cases, the same general idea is applied: to implicitly compare DNA sequences for detecting changes occurring at this level, while manipulating, in practice, other representations (protein sequences, sequences of di-nucleotide codes) that provide additional information and thus help to improve the similarity search. The aim is to design and implement exact and heuristic alignment methods, along with scoring schemes, adapted to these scenarios.


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