基因體重組的研究及其軟體工具的發展和應用

Abstract

隨著各種基因體序列(如DNA、RNA及蛋白質序列)的普及，基因體重組(Genome Rearrangement)的研究在計算生物(Computational Biology)及生物資訊(Bioinformatics)的領域上漸漸受到眾人的矚目。基因體重組研究的主要目的是藉由大型基因體的比較去衡量兩種生物體之間在演化上的差異。其中最為可行的大型基因體比較方法之一是比較兩種不同生物體之間其共有基因在基因體上次序的差異。不像插入(Insertions)、刪除(Deletions)、及取代(Substitutions)這些傳統的點突變，各種大型基因體突變(Large-Scale Mutations)例如翻轉(Reversals)、移位(Transpositions)、區塊互換(Block-Interchanges)、分裂(Fissions)、融合(Fusions)及易位(Translocations)等等已被提出並藉此以比較二個相關基因體之間共有基因次序的差異以決定出他們在演化上的矩離。通常，基因體重組的研究都能夠被描述成一個找出最少的大型基因體突變來把一個基因體轉變成另一個基因體的組合數學問題。因此，這個計劃的主要目的是要去研究並解決在不同的大型基因體突變考量之下各種基因體重組的問題，特別是移位、區塊互換、翻轉式移位(Inverted Transpositions)和翻轉式區塊互換(Inverted Block-Interchange)等這幾個大型基因突變。在計算理論方面，我們將嘗試著利用代數中群論(Permutation Groups)的性質和在區塊互換考量之下我們所發展出來解決基因體重組問題的一些演算法技巧，去設計出有效率的求最佳解的演算法或是簡單的求近似解的演算法來解決分別在移位、翻轉式移位和翻轉式區塊互換考量之下的基因體重組問題。在實際應用方面，我們將對本計劃所設計出來的演算法去實做出他們的程式，並整合一些現有的程式去建構出一個基因體重組有關的網頁伺服器，來幫忙生物學家在各種大型基因體突變考量之下，去比較一些生物體的基因次序資料之間的差異，進而衡量出他們之間的演化差異。為了要讓這個系統也能處理序列資料，我們將進一步提升系統的功能使之能夠自動化地偵測出所有輸入序列彼此之間所共有的同源或保守的區域。除此之外，這個系統也會整合NJ (Neighbor Joining) 和UPGMA (Un-weighted Pair-Group Method using Arithmetic mean) 的程式使之也能夠利用系統所計算出來任兩生物體之間的矩離重建出他們的演化樹。