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Analysis of similarities in respiratory tract genomes: an approach using the Hurst exponent and the non-decimated discrete wavelet transform

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A implementação de métodos estatísticos que podem tornar o processo de estudo de similaridade mais eficiente tem sido muito comum na pesquisa atual, porque alguns métodos, como as ondas, tornam o processamento de manipulação de dados mais rápido e com a capacidade de processar milhares de nucleotídeos em uma sequência genômica, e consequentemente, melhores estimativas são obtidas. Assim, este trabalho teve como objetivo analisar alguns genomas da família Coronaviridae e da família Paramyxoviridae, procurando semelhanças através da decomposição de sinal considerando as técnicas de transformação de ondas discretas não-decimadas. Todas as sequências genômicas das famílias foram inicialmente extraídas do site do NCBI e, em seguida, a análise de padrões foi realizada usando um método de processamento de sinais, com base no conteúdo GC. Para cada sequência de GC, a decomposição foi realizada usando a transformação de onda de Daubechies discreta de seis níveis e não-dizimada. Então, o expoente de Hurst foi calculadopara cada nível de decomposição e as sequências foram verificadas com padrões semelhantes. Após a análise de cluster, foi possível obter que o par Bet1 e Mers se mostraram semelhantes em quase todos os métodos, o outro par de sequências que se mostraram semelhantes pelos métodos de momentos absolutos e pelo método de variância agregada foi o par Gamma1 e Del, o grupo composto de Influ1, Influ4, Influ3 e Hendra foi semelhante pelos métodos de momentos absolutos, variância agregada, e no método de análise R/S, houve uma substituição de Influ4 por Influ5. No final do estudo, foi possível concluir que a transformação discreta de ondas não-dizimadas permitiu decompor cada uma das sequências e, consequentemente, um estudo mais detalhado de similaridade pode ser realizado, e foi possível obter, por alguns métodos, linhagens de Coronaviridae que não se assemelham às linhagens de Paramyxoviridae.

Abstract

The implementation of statistical methods that can make the similarity study process more efficient has been very common in current research, because some methods such as wavelets make the processing of data manipulation faster and with the ability to process thousands of nucleotides in a genomic sequencing, and consequently better estimates are obtained. Thus, this work aimed to analyze some genomes of the Coronaviridae family and the Paramyxoviridae family, looking for similarities through signal decomposition considering the non-decimated discrete wavelet transform techniques. The entire genome sequences of the families were initially extracted from the NCBI website and then pattern analysis was performed using a signal processing method, based on the GC content. For each GC sequence, decomposition was performed using the six-level discrete non-decimated Daubechies wavelet transform. Then, the Hurst exponent was calculated for each level of decomposition and the sequences were verified with similar patterns. After the cluster analysis, it was possible to obtain that the pair Bet1 and MERS proved to be similar in almost all methods, the other pair of sequences that proved to be similar by the absolute moments methods and by the aggregated variance method was the pair Gamma1 and Del, the group composed of Influ1, Influ4, Influ3 and Hendra was similar by the absolute moments methods, aggregated variance, and in the R/S analysis method, there was a substitution of Influ4 by Influ5. At the end of the study, it was possible to conclude that the non-decimated discrete wavelet transform allowed us to decompose each one of the sequences and, consequently, a more detailed study of similarity can be carried out, and it was possible to obtain, by some methods, strains of Coronaviridae that do not resemble the strains of Paramyxoviridae.

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ERNESTO, Dulcídia Carlos Guezimane; FERREIRA, Leila Maria; SÁFADI, Thelma. Analysis of similarities in respiratory tract genomes: an approach using the Hurst exponent and the non-decimated discrete wavelet transform. Revista Caderno Pedagógico, Curitiba, v. 20, n. 9, p. 4110-4134, 2023. DOI: 10.54033/cadpedv20n9-021.

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