57、用于局部DNA比对的并行Smith - Waterman算法

用于局部DNA比对的并行Smith - Waterman算法

1. 局部DNA比对的基础计算

在进行局部DNA比对时，需要逐行从左到右，或者逐列从上到下计算数组A。计算完成后，根据特定方程绘制箭头，以指示最大值的来源。例如，最佳局部比对的得分值可能出现在A[5, 4]和A[8, 6]处。

获取两个序列之间的最优局部比对的步骤如下：
1. 从数组A中的最大值开始。
2. 沿着该元素的箭头方向前进，直到遇到没有箭头的元素或值为0的元素。
3. 每使用一个箭头，就得到比对的一列。其中，从元素A[i, j]出发的向西箭头表示序列s中的空位与t[j]匹配；向北箭头表示s[i]与序列t中的空位匹配；向西北箭头表示s[i]与t[j]匹配。
4. 计算完数组A后，按照箭头从右向左构建最优局部比对。

2. 降低SW算法的空间复杂度

为了获取局部比对，采用了一种使用两个线性数组的Smith - Waterman算法变体。由于对于长序列，二维数组的内存开销过大，该算法通过模拟二维数组的填充过程，仅使用内存中的两行来计算元素A[i, j]，其空间复杂度为线性O(n)，时间复杂度仍为O(n²)。具体操作步骤如下：
1. 初始化其中一个线性数组为零。
2. 使用Smith - Waterman算法，每次使用序列s的一个字符，从第一个线性数组得到第二个线性数组的每个元素。
3. 当计算的得分达到开启阈值时，将当前坐标保存到包含候选比对的数据结构alignments中。
4. 当得分降至关闭阈值以下时，将当前坐标保存到同一数据结构中，并认为该比对结束。

3. 无阻塞因子的并行局部序列比对