Adressing scaling challenges in comparative genomics

Adresser les défis de passage à l'échelle en génomique comparée

• Auteur / Autrice : Natalia Golenetskaya
• Direction : David James Sherman
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 09/09/2013
• Etablissement(s) : Bordeaux 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de mathématiques et informatique (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire bordelais de recherche en informatique - Laboratoire Bordelais de Recherche en Informatique / LaBRI - Magnome
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Durrens, Rodolphe Thiébaut, Alexandre Zvonkine
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Amedeo Napoli, Jean-Stéphane Varré

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bases de données réparties

Exploration de données

Génomique comparative

Bioinformatique

Mots clés libres

Bioinformatique

Fouille de données

Bases de données distribuées

Calcul distribué

Bioinformatics

Data mining

Distributed databases

Distributed computation

Résumé

La génomique comparée est essentiellement une forme de fouille de données dans des grandes collections de relations n-aires. La croissance du nombre de génomes sequencés créé un stress sur la génomique comparée qui croit, au pire géométriquement, avec la croissance en données de séquence. Aujourd'hui même des laboratoires de taille modeste obtient, de façon routine, plusieurs génomes à la fois - et comme des grands consortia attend de pouvoir réaliser des analyses tout-contre-tout dans le cadre de ses stratégies multi-génomes. Afin d'adresser les besoins à tous niveaux il est nécessaire de repenser les cadres algorithmiques et les technologies de stockage de données utilisés pour la génomique comparée. Pour répondre à ces défis de mise à l'échelle, dans cette thèse nous développons des méthodes originales basées sur les technologies NoSQL et MapReduce. À partir d'une caractérisation des sorts de données utilisés en génomique comparée et d'une étude des utilisations typiques, nous définissons un formalisme pour le Big Data en génomique, l'implémentons dans la plateforme NoSQL Cassandra, et évaluons sa performance. Ensuite, à partir de deux analyses globales très différentes en génomique comparée, nous définissons deux stratégies pour adapter ces applications au paradigme MapReduce et dérivons de nouveaux algorithmes. Pour le premier, l'identification d'événements de fusion et de fission de gènes au sein d'une phylogénie, nous reformulons le problème sous forme d'un parcours en parallèle borné qui évite la latence d'algorithmes de graphe. Pour le second, le clustering consensus utilisé pour identifier des familles de protéines, nous définissons une procédure d'échantillonnage itérative qui converge rapidement vers le résultat global voulu. Pour chacun de ces deux algorithmes, nous l'implémentons dans la plateforme MapReduce Hadoop, et évaluons leurs performances. Cette performance est compétitive et passe à l'échelle beaucoup mieux que les algorithmes existants, mais exige un effort particulier (et futur) pour inventer les algorithmes spécifiques.

Comparative genomics is essentially a form of data mining in large collections of n-ary relations between genomic elements. Increases in the number of sequenced genomes create a stress on comparative genomics that grows, at worse geometrically, for every increase in sequence data. Even modestly-sized labs now routinely obtain several genomes at a time, and like large consortiums expect to be able to perform all-against-all analyses as part of these new multi-genome strategies. In order to address the needs at all levels it is necessary to rethink the algorithmic frameworks and data storage technologies used for comparative genomics.To meet these challenges of scale, in this thesis we develop novel methods based on NoSQL and MapReduce technologies. Using a characterization of the kinds of data used in comparative genomics, and a study of usage patterns for their analysis, we define a practical formalism for genomic Big Data, implement it using the Cassandra NoSQL platform, and evaluate its performance. Furthermore, using two quite different global analyses in comparative genomics, we define two strategies for adapting these applications to the MapReduce paradigm and derive new algorithms. For the first, identifying gene fusion and fission events in phylogenies, we reformulate the problem as a bounded parallel traversal that avoids high-latency graph-based algorithms. For the second, consensus clustering to identify protein families, we define an iterative sampling procedure that quickly converges to the desired global result. For both of these new algorithms, we implement each in the Hadoop MapReduce platform, and evaluate their performance. The performance is competitive and scales much better than existing solutions, but requires particular (and future) effort in devising specific algorithms.