Luận Văn Thuật toán lập bản đồ gen để xác định vi trí gen mang mầm bệnh

TÓM TẮT: “Lập bản đồ gen” chính là việc lập bản đồ của các gen để xác định vị trí
trên các nhiễm sắc thể. Đây là một bước then chốt trong việc hiểu về các bệnh di truyền. Có hai
loại “lập bản đồ gen”: lập bản đồ di truyền – sử dụng phân tích liên kết để xác định mối quan
hệ của hai gen trên một nhiễm sắc thể; lập bản đồ vật lý – sử dụng các kỹ thuật hoặc các thông
tin sẵn có để xác định vị trí tuyệt đối của gen trên một nhiễm sắc thể. Trong bài báo này chúng
tôi đề xuất một hướng tiếp cận qua đó nâng cao hiệu suất của thuật toán sử dụng việc phân tích
liên kết để lập bản đồ gen. Chúng tôi đã xây dựng thuật toán dùng phương pháp Haplotype
Pattern Mining (HPM) và Density Based Spatial Clustering of Application with Noise
(DBSCAN). Thuật toán này được thực hiện trên hệ thống tính toán lưới gồm các cluster của
IOIT-HCM (Phân viện Công nghệ thông tin tại TP. Hồ Chí Minh) và của KISTI (Korea
Institute of Science and Technology Information)
1. GIỚI THIỆU
Lập bản đồ gen thường dựa trên việc phân tích các trình tự di truyền gọi là haplotype. Một
haplotype là một đại diện của DNA nằm dọc theo sợi nhiễm sắc thể. Trong các nghiên cứu
quần thể bị bệnh và khoẻ mạnh, haplotype là chuỗi có chiều dài cố định. Khi thừa kế từ thế hệ
này đến thế hệ khác, các haplotype được tái kết hợp bằng trao đổi chéo. Quá trình này làm tăng
trạng thái biến dị của haplotype. Chính trạng thái biến dị này phản ảnh tính lịch sử của mỗi
haplotype, hai haplotype có cùng một tổ tiên có khả năng chia sẻ chung một phân đoạn DNA
của tổ tiên. Trong lập bản đồ kết hợp (association mapping), các nhà di truyền học tìm kiếm các
phân đoạn tiêu biểu nhất của các bệnh nhân tương ứng với một loại bệnh nào đó. Vị trí của các
phân đoạn này là vị trí của các gen ảnh hưởng đến bệnh, các phân đoạn này cũng như gen được
kế thừa từ một tổ tiên chung.
Lập bản đồ kết hợp dựa trên giả định rằng nhiều người mang mầm bệnh của gen đã thừa kế
từ tổ tiên của họ và vì vậy họ chia sẻ cùng đoạn mẫu haplotype. Tiêu chuẩn đánh giá độ tương
đồng cho các cá thể là một công cụ hữu ích cho việc đánh giá các bệnh nhân có quan hệ huyết
thống gần và giúp cho việc tìm ra các cấu trúc trong mẫu haplotype. Gom nhóm dựa trên tiêu
chuẩn đánh giá độ tương đồng, có thể định vị các nhóm cá thể có khả năng chia sẻ cùng một
gen mang mầm bệnh do di truyền. Hướng tiếp cận này tập trung nghiên cứu về khai phá dữ liệu
các mẫu haplotype. Lập bản đồ gen được xem xét trong mối quan hệ giữa trạng thái bệnh và
trạng thái khoẻ mạnh của các cá thể trong quần thể. Mục tiêu chính là đánh giá mức độ tương
đồng giữa các haplotype và gom nhóm chúng bằng thuật toán DBSCAN [1], sau đó dùng thuật
toán Haplotype Pattern Mining [2] khám phá mẫu haplotype để tìm vị trí gen mang mầm bệnh.
Tất cả các phương pháp áp dụng dựa trên các quy tắc khám phá tính tương đồng giữa các mẫu
haplotype. Trong bài toán lập bản gen, tiêu chuẩn đánh giá tương đồng được xem xét trong mối
quan hệ giữa hai trạng thái bệnh và khoẻ mạnh của các cá thể trong phạm vi nghiên cứu.