真核生物端外显子和翻译起始位点的预测

真核生物5’端外显子和翻译起始位点的预测PredictionofFirstExonsandTranslationInitiationSitesinEukaryoticGenomes力学与工程科学系00级胡钢清GangqingHuDept.ofMechanicsandEngineeringScience摘要真核生物翻译起始位点（TIS，translationinitiationsites）的正确预测对于基因的正确注释有着重大的意义。本文试图通过发展和结合一些现有的算法来较好地预测出真核生物翻译起始位点。本文算法的得出主要基于三种方法自然结合。我们首先基于简单的权重矩阵方法（WMM，WeightMatrixMethod）【1】，发展了多状态信号的熵距离判别分析方法,由此可以得到一些待定ATG信号，这些信号包含了大部分的翻译起始位点。接下来，我们采用WMM找出与该ATG对应的GT信号并将它们之间的序列提出（这里ATG信号以及GT信号的定义详见正文）。通过引入模糊词汇的概念，我们发现翻译起始位点前存在某些模糊词汇，这样可以通过判断ATG信号前是否含有某个“模糊词汇”进一步选出待定ATG信号。最终我们结合了佘振苏教授提出的以统计语言学为特色的多元熵距离（multivariateentropydistance，MED）方法【2】对这些ATG信号对应的阅读框在20维空间中进行多中心聚类形成了预测翻译起始位点的完整算法并达到了较好的结果。1引言2001年2月，人类基因组计划的相关组织和机构公布了人类基因组测序草图【3】，人类基因组计划的提前完成，基因组的研究热点已转向揭示基因信息结构的复杂性与遗传语言的根本规律。其中，基因预测算法的研究也成为对基因组序列进行统计分析的重要目标。所谓基因预测，就是在对DNA序列编码潜能（codingpotentials）提出某种模式（pattern）描述的基础上，对一未知的DNA序列上完整的基因结构进行注释。对于原核生物，由于其基因结构较为简单，在基因组的DNA链上表现为一个编码蛋白质的基因对应为一段连续的开放阅读框（openreadingframe，ORF），因此，基因预测的问题也相对简单，本人所在的佘振苏教授研究小组已经在这方面取得了很好的结果【4】。但是对于真核生物，它们的基因结构远比原核生物的复杂，许多基因是断裂基因，间断成外显子（exon）和内含子（intron），并且exon在序列中长度比例极小【5】。生物体通过对剪接位点（SpliceSite）的剪接等过程最终构成蛋白质。现有很多真核生物基因结构的预测算法就是针对SpliceSite的预测，即对外显子的预测，著名的有Genescan，GeneMark等。本质上可以将外显子分为4类：包含起始编码子（startcodon）和终止编码子（terminationcodon）的singleexon，包含起始编码子和供体位点（donorsite）的firstexon，包含受体位点（acceptorcite）和供体位点的internalexon，以及包含受体位点和终止编码子的terminalexon【6】。现有基因预测软件中对于firstexon、terminalexon以及singleexon，它们的识别精度通常都大大低于internalexon的识别精度【7】。Firstexon的预测实际上包含了对翻译起始位点的预测。本文重点在于翻译起始位点的预测算法设计，同时也给出了5’端外显子（即firstexon）的预测结果。一般认为，对基因结构预测所用到的信息有三部分组成：序列上的信号（signal），内容（content）统计以及与已知基因的相似度（similarity）【8】。我们用到的信息只是包含了前两部分，对ATG信号的多状态熵距离判别分析以及找出模糊词汇是属于信号的范畴，而对阅读框运用MED方法实际上关系到了内容统计。在预测时，我们采用的算法是简单的线性判别。2材料床我们富采用钓了K纱ul布p客&别Re巾es化e（巴19帜95醒）帽、A已LL坐SE虚Q材【9均】奔以及偿HM匀R1净95嫩【7统】毅三部远分数之据集组，其沃中前臂两者污的部近分序工列作没为学请习集态，最晓后者歪的部姥分数浴据作吐为测裙试集衫。馋如引走言所开提到样，真剑核生佣物的蚁基因谋按是曲否含列有内抄含子呈可以哗分为誉多外身显子扛基因立以及阵单外悄显子匠基因竖。实齐际上应，前聪者在亚数目滚上占历绝大罚多数兼，因帅而本煤文关劳心的林是对纲多外孤显子辉基因乡中的盼翻译摊起始圈位点抱以及低5扣’泰端外也显子邀的研楚究与筋预测厨。掌Ku娇lp翅&投R至ee纱se泰（1叉99初5）族提供普的数跃据集末是通益过运泄用B阻LA培ST考P攻【1强0】形删除怀一些篇相似买和冗肆余的同序列备后得亲到的纠。数稼据库卸包含丧了人脱类的恭单外夜显子两基因虏18击6个管，多宣外显夜子基趁因3小04酱个，豪其中绪多外尸显子他基因童中共帝包含炼17滥98季个外家显子火。宅我们辈直接嫩采用灿了其扔中的编30黎4个惑多外张显子胶基因绳作为战学习且集的着一部杨分。弓AL柿LS耻EQ锅数据主集经遗过了孙一些撑严格冬的标源准刑【1唯1】州筛选摘、整麻理出段来的泪。它秩包含狼的是上一些史脊椎影动物外的袖多外惨显子勉基因乡，有饺57情0个普，其仓中有往外显链子数抱目为屋26结49第。我鲜们采够用A缠LL碗SE袭Q数忍据集沫构成顽学习沸集的巨另一豪部分冒。攀HM饰R1晋95步数据屡集是往Ro留gi明c等判于2霞00施1年林整理苦出的婆，其套中包抢含了丹人、朗小鼠干和大搅鼠共带19排5条厉基因雅的注剥释。冬数据寨集中疾人、生小鼠骡、大沿鼠的抗比例拣为1喘03馅：8吗2：伸10甩，包邪含1准52馋个多坑外显闻子基发因和冻43禁个单债外显齿子基忍因。溪我们害采用亲其中誓15镇2个介多外悉显子室基因窜作为杯测试戴集。映这样高我们文一共喜得到富了8币74贴个基许因作亮为学沸习集谁，1筑52笼个基奴因作菜为测凉试集吴。化3反方法艰3．针1络万AT猎G信害号的隶多状票态熵避距离尝判别避分析架方法狼准真核累序列蝇中，幸基因需一般骆是由肉编码帖甲硫言氨酸续（M身et缓）的宰密码由子A计TG萌开始翻，我涌们把揪这样久的A滋TG恼称为导翻译季起始添位点荷，根而将括DN凳A序水列上劣出现筐的核板苷酸赚三联沫码枝“眉AT纱G厌”进称为掘AT捧G信违号。疼越为了渗描述帮AT卷G信款号，幼我们锹取出煤由A滚TG柳信号司前m延bp委，后青nb艰p组书成的凡核苷挣酸序地列L冒。用疮q贿ij迷（所j巨＝1励,慢…割,m坏+n苹，堡i辽=罗0,级…粱,3骨分别挖表示宜核苷宽酸A艺、C宏、G获、T颈）表命示出垦现在钞该序佣列上者第j疗个位蒙置上现的核冒苷酸玻i，绣q裙ij谈是一求个4矮×傍(m孟+n劣)的贡矩阵虾，其宾特征富如图悦1所益示。先图1携用合矩阵柄q来元反映命序列项的核烧苷酸戴的位烫置以拉及内武容爬我们孟可以饥简单涌地将充AT环G信北号分声为两痛类，费一类结是翻美译起林始位姻点，君剩下拘的A辽TG铺信号交归为菜另一乌类。耀为了陡刻画抓这两训类信游号的渗区别恩，我蜜们分匙别统轰计出遮他们燥对应怖于L支的权雁重矩遗阵伐、罩（它慨们都董是4骡×翁（m眨＋n番）的慕矩阵环）参,固进而士依次欢定义湿出该哥序列户的相贫对熵法以及扯熵距滥离牌如下劝：，灭然而宽通过叹引入解多状狼态熵裳距离唉判别锅分析虹，我域们将谜对A办TG俭信号骨有更浴细致巧的描薪写。直为了横描叙胀处于宇不同薯状态桨的A牢TG挖信号亚（腹“贯状态拿”妨这个罢词将蹲在下哀文阐饭明）鸦，菊我们踏要用骡到阅阁读框禁这个摄概念展：在纲同一蹈DN泼A序名列上叔，疮如果炸用迹、产来分湿别表皆示翻咏译起瓦始位途点以奉及某弊个A繁TG翁信号里的位五置污，累则可讲以定秒义出寒该A诵TG葱信号洲的阅肺读框捧（表舟示视对3梁的求抖模运监算）撞，可拒以看奏出翻逮译起匠始位咸点对筑应A弓TG喷信号钞的畅阅读腊框邮为0芦。卖阅读徒框黄概念这的引鸭入是酱有生叠物学竭意义徐的，特生物写体通浴过糠对剪苹接位导点剪胸接等暴操作做形成搞mR暖NA突，在伴mR秤NA担的核美苷酸航序列旦中只借有场与纠翻译荐起始浮位点绍有相类同敏阅读照框晶的3侄个核耍苷酸帅才可尝能编矩码氨畏基酸公。盟在第芳一个显供体谣位点随前，伏AT俯G信僻号在反DN宁A序命列上旨出现饼的位放置决红定了申该A扇TG收可能伯具有巾的某碰个属俭性：天N：勉出现低在翻辽译起障始位郑点之摘前，瑞或出业现在弄翻译掠起始仗位点拾之后安且摧阅读耍框响与翻杰译起肾始位动点对脸应的壳阅读爱框丛不同腾。头S：胃出现突在翻组译起筐始位门点位披点上单。捧C：橡出现端在翻歇译起晓始位蔽点之览后且跃阅读互框允与翻瑞译起稼始位漂点对器应的留阅读摘框默相同舱。袭我们考猜想状，每铃一个目AT壶G信质号并华不是绪独立辜的，阔它与冈邻近棚的其糕它A洽TG狠信号众存在积某些揉关联饺，尤甲其对异于具涌有同冻一阅榴读框既的A惊TG蒙信号归这种荡关联幅将更训为强长烈。姥这样旦的话强，考屋察同橡一阅摘读框兰的3都个相裁邻A召TG奥信号另之间经的关蜻联性乌，可送以归枕纳出悲中间垃那个妇AT幼G信港号可葱能具糊有的就6种骄状态镰：晕1，稍当A歼TG馋信号葱与听翻译拔起始省位点谢有倘相同叉阅读亭框时泽，有域5种雹：N吼NN道_0仙（N排NN春_0喉,表便示这济3个霸AT驱G的览属性负依次咬为：模N，萄N，夫N。疗后面大的数提字表处示这纷3个手AT植G的尾阅读披框，队后类菜推）榨，N份NS智_0迹，N例SC尿_0读，S作CC述_0施，C他CC归_0床。瓶2，息当A微TG建信号航不与鹅TI扶S同滩阅读耳框时妄归为奔第6粉种：俘NN筑N_平1,勉2。丹为了次刻画隔具有楚NS寄C_嗓0状搭态的俱AT联G信你号与桌具有迷其它溪状态欠信号象之间拒的区观别，卫我们满取出景与其册有相院同阅哥读框先的前米后各和一个茫AT暗G信振号，啊将这梦三个晋AT居G信镰号各违自对忍应的脉取其姻前m掘t嫁后n米t辱核苷零酸序呢列L究t新（鸽t颈=1哗,2萌,3蜘）拼向接起垫来构登成一炒条序伸列总钞长为国l＝房的序挠列S惑（如槽图2运）。轨图2唱将果三条劲序列贿拼接吉起来抽，构省成一楼条新孤的序泻列S蕉（这痛里假驶定（戴m，数n）白分别伐为（耻4，诉7）虏、（恳2，川9）胀以及秒（5现，6搂））创适在统毛计出罪不同炮状态拣对应腥于S晕权重屋矩阵勉后，电类似输于往将A芒TG要信号钩分为柏两类牌时相神对熵清的定考义，白我们锦给出神将A中TG供信号探分为追6个油状态努时的拆相对借熵损的讯定义需鱼为了胆刻画舌具有遍状态刮NS秤C_锁0的敢AT筐G信染号与匙其它猎状态禽的A知TG熊信号送的差且别，袄我们房同样栋可以约引入览熵距地离的嘴概念弓，不铺过这筑里的图熵距焰离是朋一个族5维麻向量顺：徐护如券果认粥为非沫编码卵区内荣的核蜓苷酸内之间巧是相纺互独允立的稻以及丧结合北生物讲学上签每个挣氨基绞酸是昼由3鼓个核贼苷酸凝编码塘而成捉这个彻事实治，我蜓们可忽以认柴为将夹序列宾L波t裁划分耻为p锅t图个泉片段偷Lt御j滥（其烟中竟，如油图3港）判，旦并将值每个奥片段旬统计帮出的妈熵距结离组东成一哲个向观量匹是有趋意义转的地。用这样尚S就带被化裁为n显＝早个片奋断，长第m踏个片数断的岭相对者熵、益熵距老离以航及S驾的熵锐距离亿依次徐为：级图3刃棒将序慨列L幻t划煌分为朗各个喉片断致佛可以苍看出段，每猪一A托TG县信号格都可浪以在贯5亡×干n维袍的熵汇距离屑空间堪中对载应一腥个向逐量厚。这添样对屿于给展定的亲一个擦AT震G信正号，恳我们讲构造床出其臂，计垦算该奉与各糟种状肤态A选TG花信号苏对应协中心子的距汇离l万k谨，取脊d析k软=曲σ匠k丑*注l今k采(读k=简1,勾2,澡…屠6,南0领<蒙σ夹k轰为参唇数)绘，取左最小到值对叔应的筐状态还为该猛AT多G最笑可能卵的状兵态，到进而量判断协出该姓AT默G的崭属性筛。保胃表1腥给出堵了在险相同河条件灾下，钩采用扭多状缩态熵姑距离圆判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