This thesis introduces three different algorithmical and statistical strategies for the analysis of high-throughput sequencing data. First, we introduce a heuristic method based on enhanced suffix arrays to map short sequences to larger reference genomes. The algorithm builds on the idea of an error-tolerant traversal of the suffix array for the reference genome in conjunction with the concept of matching statistics introduced by Chang and a bitvector based alignment algorithm proposed by Myers. The algorithm supports paired-end and mate-pair alignments and the implementation offers methods for primer detection, primer and poly-A trimming. In our own benchmarks as well as independent bench- marks this tool outcompetes other currently available tools with respect to sensitivity and specificity in simulated and real data sets for a large number of sequencing protocols. Second, we introduce a novel dynamic programming algorithm for the spliced alignment problem. The advantage of this algorithm is its capability to not only detect co-linear splice events, i.e. local splice events on the same genomic strand, but also circular and other non-collinear splice events. This succinct and simple algorithm handles all these cases at the same time with a high accuracy. While it is at par with other state- of-the-art methods for collinear splice events, it outcompetes other tools for many non-collinear splice events. The application of this method to publically available sequencing data led to the identification of a novel isoform of the tumor suppressor gene p53. Since this gene is one of the best studied genes in the human genome, this finding is quite remarkable and suggests that the application of our algorithm could help to identify a plethora of novel isoforms and genes. Third, we present a data adaptive method to call single nucleotide variations (SNVs) from aligned high-throughput sequencing reads. We demonstrate that our method based on empirical log-likelihoods automatically adjusts to the quality of a sequencing experiment and thus renders a \"decision\" on when to call an SNV. In our simulations this method is at par with current state-of-the-art tools. Finally, we present biological results that have been obtained using the special features of the presented alignment algorithm. / Diese Arbeit stellt drei verschiedene algorithmische und statistische Strategien für die Analyse von Hochdurchsatz-Sequenzierungsdaten vor. Zuerst führen wir eine auf enhanced Suffixarrays basierende heuristische Methode ein, die kurze Sequenzen mit grossen Genomen aligniert. Die Methode basiert auf der Idee einer fehlertoleranten Traversierung eines Suffixarrays für Referenzgenome in Verbindung mit dem Konzept der Matching-Statistik von Chang und einem auf Bitvektoren basierenden Alignmentalgorithmus von Myers. Die vorgestellte Methode unterstützt Paired-End und Mate-Pair Alignments, bietet Methoden zur Erkennung von Primersequenzen und zum trimmen von Poly-A-Signalen an. Auch in unabhängigen Benchmarks zeichnet sich das Verfahren durch hohe Sensitivität und Spezifität in simulierten und realen Datensätzen aus. Für eine große Anzahl von Sequenzierungsprotokollen erzielt es bessere Ergebnisse als andere bekannte Short-Read Alignmentprogramme. Zweitens stellen wir einen auf dynamischer Programmierung basierenden Algorithmus für das spliced alignment problem vor. Der Vorteil dieses Algorithmus ist seine Fähigkeit, nicht nur kollineare Spleiß- Ereignisse, d.h. Spleiß-Ereignisse auf dem gleichen genomischen Strang, sondern auch zirkuläre und andere nicht-kollineare Spleiß-Ereignisse zu identifizieren. Das Verfahren zeichnet sich durch eine hohe Genauigkeit aus: während es bei der Erkennung kollinearer Spleiß-Varianten vergleichbare Ergebnisse mit anderen Methoden erzielt, schlägt es die Wettbewerber mit Blick auf Sensitivität und Spezifität bei der Vorhersage nicht-kollinearer Spleißvarianten. Die Anwendung dieses Algorithmus führte zur Identifikation neuer Isoformen. In unserer Publikation berichten wir über eine neue Isoform des Tumorsuppressorgens p53. Da dieses Gen eines der am besten untersuchten Gene des menschlichen Genoms ist, könnte die Anwendung unseres Algorithmus helfen, eine Vielzahl weiterer Isoformen bei weniger prominenten Genen zu identifizieren. Drittens stellen wir ein datenadaptives Modell zur Identifikation von Single Nucleotide Variations (SNVs) vor. In unserer Arbeit zeigen wir, dass sich unser auf empirischen log-likelihoods basierendes Modell automatisch an die Qualität der Sequenzierungsexperimente anpasst und eine \"Entscheidung\" darüber trifft, welche potentiellen Variationen als SNVs zu klassifizieren sind. In unseren Simulationen ist diese Methode auf Augenhöhe mit aktuell eingesetzten Verfahren. Schließlich stellen wir eine Auswahl biologischer Ergebnisse vor, die mit den Besonderheiten der präsentierten Alignmentverfahren in Zusammenhang stehen.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:12927 |
| Date | 17 September 2014 |
| Creators | Hoffmann, Steve |
| Contributors | Stadler, Peter F., Backofen, Rolf, Universität Leipzig |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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