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基于多解并行遗传算法对rna二级结构及假结预测的研究

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基于多解并行遗传算法对RNA二级结构及假结预测的研究

作者：尹正胜淮北师范大学

学位级别：硕士

rna是一种生物大分子,具有多种生物学功能,包括基因调控、催化作用、遗传信息的转录和翻译等方面。rna的生物学是多样而复杂的,在参与生命活动中根据其结构的不同行使着各自的生物学功能,因此研究结构可以帮助深入理解rna的功能。现有... 详细信息

rna是一种生物大分子,具有多种生物学功能,包括基因调控、催化作用、遗传信息的转录和翻译等方面。rna的生物学是多样而复杂的,在参与生命活动中根据其结构的不同行使着各自的生物学功能,因此研究结构可以帮助深入理解rna的功能。现有多种计算方法可以用来预测,但预测稳定性不高且结果不准确。因此,准确度高、成本较低的算法模型成为rna二级结构预测的主要研究方向。尽管基于已有组合优化算法或机器学习的模型在预测精度方面取得了高性能,但对于高度参数化的模型来说,仍存在随机性过高或过度拟合的风险。在此背景下,本文从传统遗传算法出发对rna二级结构预测进行研究。(1)多解并行遗传算法对rna二级结构进行预测。在传统遗传算法的基础上,结合rna二级结构特点,将多解并行策略与遗传算法相结合,提出一种多解并行遗传算法(MPrna)方式来预测rna二级结构。根据定义,首先构建茎区池;然后使用茎区相容性方法建立初始解集;使用最小自由能模型建立目标函数;使用rna二级结构的基本特点建立约束函数和建立基于目标函数的自适应度函数;根据预测的rna结构中每个茎区都可以替换的特点构建新的遗传算子(选择、交叉、变异);基于初始解集中多条序列-结构模型进行并行遗传计算,以此构建新的遗传算法预测rna二级结构。实验结果表明,该方法不仅可以解决大规模茎区的组合问题,还可以减少随机性,最大可能保证目标函数收敛到最优状态。该方法与常用的rnafold、Srna等方法比较,对单序列rna的结构预测结果正确率较高而且稳定。(2)rna假结结构预测模型。由于假结结构的重要性,假结预测研究成为了热点。本文首先构建茎区池和初始解集;然后根据rna二级结构的基本特点建立目标函数、约束函数、自适应度函数和相应的遗传算子,基于初始解集中多条序列-结构模型进行并行遗传迭代,预测最优rna二级结构;然后在rna二级结构基础上,使用遗传算法继续进行迭代和筛选,预测含假结的rna二级结构。以敏感性、特异性以及MCC值作为评价标准,该方法与常用的预测假结的IPknot方法比较,对单序列rna的结构预测结果正确率较高而且稳定。

关键词：遗传算法多解并行 rna二级结构假结结构预测

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rna二级结构预测的自适应鱼群算法模型

系统仿真学报 2010年第6期22卷 1370-1374,1396页

作者：何静媛邹东升何中市重庆大学计算机学院重庆400044

基于人工鱼群算法的基本理论,提出了预测rna二级结构预测的自适应人工鱼群算法模型。该模型对人工鱼群算法在处理组合优化问题时存在的缺陷进行了相应改进,在算法中加入的自适应思想既保证了算法的快速收敛,同时又有效地避免了盲目搜索... 详细信息

基于人工鱼群算法的基本理论,提出了预测rna二级结构预测的自适应人工鱼群算法模型。该模型对人工鱼群算法在处理组合优化问题时存在的缺陷进行了相应改进,在算法中加入的自适应思想既保证了算法的快速收敛,同时又有效地避免了盲目搜索。仿真实验中将本模型与基于粒子群算法的模型以及基于遗传模拟退火算法的模型进行了比较研究,结果表明,使用自适应鱼群算法进行rna序列的二级结构预测能获得较理想的预测效果。较之另两种方法,鱼群算法能有效减少计算量、节省计算时间,特别当待测序列长度大于500时,鱼群算法在收敛速度上有着明显优势。

关键词： rna二级结构人工鱼群算法自适应组合优化

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基于进化策略的rna二级结构预测算法研究

基于进化策略的RNA二级结构预测算法研究

作者：余政良武汉科技大学

学位级别：硕士

rna分子是由四种碱基聚合而成的单链核酸分子,不仅是一种重要的遗传物质,还被用于求解复杂组合优化问题。由于碱基互补,单链rna分子能折叠成不同结构,这些二级和三级结构决定了rna分子的功能。因此,准确预测rna结构是生命科学,计算机科... 详细信息

rna分子是由四种碱基聚合而成的单链核酸分子,不仅是一种重要的遗传物质,还被用于求解复杂组合优化问题。由于碱基互补,单链rna分子能折叠成不同结构,这些二级和三级结构决定了rna分子的功能。因此,准确预测rna结构是生命科学,计算机科学等学术领域的重要研究课题。目前,国内外科学家已经提出比较序列法、最小自由能算法和启发式算法等各类方法来预测rna二级结构。然而,比较序列法和最小自由能算法都无法预测含假结的rna二级结构,该问题也被证明是一个NP完全问题。因此,设计求解含假结的rna二级结构预测问题的算法具有重要的意义。本文对含假结的rna二级结构预测问题进行了深入的研究和分析,主要研究工作在如下两个方面:第一,针对指数级碱基配对解空间,传统互补配对效率低,进化算法难以收敛的问题,提出一种基于进化策略的rna二级结构预测算法,将问题转化为连续碱基对的01背包问题,极大的提高解空间的搜索效率。通过Pseudo Base数据库的rna序列算例进行测试,并与rnafold、rnaStructrue、Cylo Fold、TT2NE和IPKnot等先进算法进行了比对,实验结果证实了本文提出的进化策略算法的有效性和可靠性。第二,针对传统基于自由能的单目标优化算法容易陷入局部最优的问题,本文提出一种基于多目标进化策略的rna二级结构预测算法,同时优化总碱基配对数和总茎区数量这两个相互冲突的目标,得到一组相互非支配的帕累托最优解集,极大的提升算法在解空间搜索的多样性。最后,利用近邻热力学参数,计算Pareto前沿中候选解的自由能,具有最小自由能的解就是最稳定的rna二级结构。最后实验结果表明,多目标进化策略算法较进化策略算法在预测长链rna序列时的预测性能有所提升。

关键词： rna二级结构假结进化策略多目标进化算法

rna二级结构在微生物系统发育分析上的应用

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微生物学通报 2006年第2期33卷 147-150页

作者：刘杨崔晓龙李文均彭谦云南大学省微生物研究所教育部微生物资源开放研究重点实验室昆明650091

rna二级结构用于微生物分类和系统发育分析在近年来逐渐受到注意并发展起来。文章就此方面的发展做了简要综述,其中对在系统发育分析上的应用部分作了较重点介绍。

关键词： rna二级结构分类系统发育根

基于堆积协变信息与最小自由能预测含伪结的rna二级结构

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生物工程学报 2008年第4期24卷 659-664页

作者：杨金伟骆志刚方小永王金华唐可成国防科学技术大学计算机学院湖南410073

rna伪结预测是rna研究的一个难点问题。文中提出一种基于堆积协变信息与最小自由能的rna伪结预测方法。该方法使用已知结构的rna比对序列(ClustalW比对和结构比对)测试此方法,侧重考虑相邻碱基对之间相互作用形成的堆积协变信息,并结合... 详细信息

rna伪结预测是rna研究的一个难点问题。文中提出一种基于堆积协变信息与最小自由能的rna伪结预测方法。该方法使用已知结构的rna比对序列(ClustalW比对和结构比对)测试此方法,侧重考虑相邻碱基对之间相互作用形成的堆积协变信息,并结合最小自由能方法对碱基配对综合评分,通过逐步迭代求得含伪结的rna二级结构。结果表明,此方法能正确预测伪结,其平均敏感性和特异性优于参考算法,并且结构比对的预测性能比ClustalW比对的预测性能更加稳定。文中同时讨论了不同协变信息权重因子对预测性能的影响,发现权重因子比值在λ1:λ2=5:1时,预测性能达到最优。

关键词： rna二级结构伪结堆积协变信息最小自由能

基于奇异值分解的rna二级结构相似度计算方法

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浙江大学学报（工学版） 2007年第8期41卷 1249-1254页

作者：刘琦张引叶修梓俞荣栋浙江大学沃森基因组科学研究院浙江大学计算机科学与技术学院浙江杭州310027

针对传统的核糖核酸(rna)分子结构相似度计算方法存在复杂度高、未能充分考虑二级结构全局信息的缺点,基于一种7维序列编码方法,提出了一种利用矩阵奇异值分解提取rna二级结构数据分布特征的算法,利用提取出的奇异值向量,基于向量距离进... 详细信息

针对传统的核糖核酸(rna)分子结构相似度计算方法存在复杂度高、未能充分考虑二级结构全局信息的缺点,基于一种7维序列编码方法,提出了一种利用矩阵奇异值分解提取rna二级结构数据分布特征的算法,利用提取出的奇异值向量,基于向量距离进行rna二级结构相似度比对.通过对Yeast trna-phe、PSTV、poliovirusmutant 3种rna分子二级结构构象的实验分析,表明了该方法的可行性和高效性.并将这种方法推广至任意两个rna分子之间二级结构的相似度衡量,同样取得了不错的效果.

关键词： rna二级结构相似度奇异值分解特征提取

A型流感病毒同义密码子的使用偏性对rna二级结构的影响

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病毒学报 2016年第6期32卷 773-781页

作者：李瑞芳于志芬黄俏郭春阳李雪内蒙古师范大学物理与电子信息学院呼和浩特010022

以A型流感病毒为研究样本,分析了同义密码子使用偏性对rna二级结构的影响,为进一步研究同义密码子存在的意义及A型流感病毒rna特征提供一些理论依据。收集整理了NCBI中收录的全部A型流感病毒的核酸序列信息,计算了每一条核酸序列的rna... 详细信息

以A型流感病毒为研究样本,分析了同义密码子使用偏性对rna二级结构的影响,为进一步研究同义密码子存在的意义及A型流感病毒rna特征提供一些理论依据。收集整理了NCBI中收录的全部A型流感病毒的核酸序列信息,计算了每一条核酸序列的rna二级结构,计算出rna环结构含量和茎结构含量及折叠自由能。在此基础上,计算了rna二级结构的柔性。同时,计算了每一条核酸序列的相对同义密码子使用值。由此,建立了A型流感病毒rna二级结构数据库。分析每条核酸序列的相对同义密码子使用值与rna的环结构、茎结构及柔性之间的关系。分析结果表明,50%的氨基酸的相对同义密码子使用值与rna茎结构含量和环结构含量显著相关;60%的氨基酸的相对同义密码子使用值与单位平均折叠自由能显著相关;50%的氨基酸的相对同义密码子使用值与rna柔性显著相关。进一步分析发现,与茎结构含量和环结构含量都显著相关的密码子,它们的相对同义密码子使用值与两种结构含量的相关性截然相反,而且发现,在所选的参量中,rna柔性与相对同义密码子使用值显示出更好的相关性。结果证实,对于A型流感病毒,同义密码子的使用偏性对rna二级结构存在很大的影响。

关键词： A型流感病毒同义密码子使用偏性 rna二级结构 rna柔性折叠自由能

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rna二级结构预测的支持向量机模型研究

计算机科学 2008年第4期35卷 181-183页

作者：何静媛何中市邹东升重庆大学计算机学院重庆400044

rna二级结构预测问题是生物信息学的一个研究重点,本文主要利用支持向量机(SVM)模型来研究rna二级结构预测问题。通过改进NSSEL标签[4],形成了能表示平面伪结结构的E-NSSEL标签,该标签作为SVM模型输出端的类别标识,因此,测试序列经过SV... 详细信息

rna二级结构预测问题是生物信息学的一个研究重点,本文主要利用支持向量机(SVM)模型来研究rna二级结构预测问题。通过改进NSSEL标签[4],形成了能表示平面伪结结构的E-NSSEL标签,该标签作为SVM模型输出端的类别标识,因此,测试序列经过SVM模型预测后得到相应的E-NSSEL序列,该序列可以恢复为二级结构。此算法能有效地解决传统算法中存在的时间复杂性的问题和长链分子的预测问题。

关键词： SVM E-NSSEL标签 rna二级结构平面伪结

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rna二级结构的6-D表示及相似性分析

黑龙江大学自然科学学报 2006年第1期23卷 81-86页

作者：白凤兰姚玉华孙立波大连交通大学数理系辽宁大连116028 大连理工大学应用数学系辽宁大连116024 吉林大学环境与资源学院

根据rna二级结构组成,用A′,U′,G′,C′分别表示基对A-U,G-C和基对G-U中的A,U,G,C,将rna二级结构转化为基本序列,称之为rna二级结构的特征序列。在此基础上再根据核苷酸A,C,G,U的化学结构在6-D空间中定义了使核苷酸集与点集之间一一对... 详细信息

根据rna二级结构组成,用A′,U′,G′,C′分别表示基对A-U,G-C和基对G-U中的A,U,G,C,将rna二级结构转化为基本序列,称之为rna二级结构的特征序列。在此基础上再根据核苷酸A,C,G,U的化学结构在6-D空间中定义了使核苷酸集与点集之间一一对应的函数,进而利用这个函数在6-D空间中得到了rna二级结构的6-D表示,然后基于6-D表示把它转化为L/L矩阵表示和特征向量P=(μx,μy,μz,μk,μl,μm)表示,其中μi表示点集对应坐标分量的均值,最后利用矩阵不变量:即L/L矩阵的最大特征值,还有特征向量之间的距离来描述序列或结构的不变性来分析了AIMV-3等九种病毒的rna二级结构的相似性,得到了比较好的结果。

关键词： rna二级结构 6-D表示特征向量矩阵不变量相似性