Java Program to Find the Minimal Nucleotide from A Range of Sequence DNA

在计算生物学中，通常需要找到DNA序列的全局最小核苷酸以及给定范围内的最小核苷酸。DNA序列由四种核苷酸组成。这四种碱基用字母表示为腺嘌呤（A）、胞嘧啶（C）、鸟嘌呤（G）和胸腺嘧啶（T）。

每种核苷酸都具有相关的字典顺序：字母比较；对于问题 A < C < G < T。该问题的目标是确定特定索引范围内的最小字符在集合 DNA 序列中。

这对于基因组序列分析等任务特别有用，在这些任务中，特定区域的微小差异可能至关重要。

问题概述

给定一个由字符“A”、“C”、“G”和“T”组成的字符串形式的DNA序列，以及给定的查询范围及其起始和结束点，问题是找出给定范围内的最小核苷酸。最后一个核苷酸是在字母顺序（A、T、C、G）中首次出现的核苷酸。

例如，可以分析DNA序列“CAGCCTA”。如果任务是查找范围 2 到 4（使用 0 索引）内的最小核苷酸，则选择为“G”、“C”和“C”。此范围内的最后一个核苷酸是“C”。

问题解决方案

与使用朴素方法相比，我们可以通过结合前缀和技术和预处理来解决该问题。此方法意味着在一次数据预处理后，每个查询都可以以恒定时间得到回答。

1. 使用前缀和进行预处理

该计划是为所有可用的核苷酸，即“A”、“C”、“G”和“T”生成前缀和数组。然后，这些数组将跟踪到DNA序列中的某个特定点为止的特定核苷酸数量的累积总数。

例如

prefixA[i] 将表示从序列的第一个元素到第 i 个元素中“A”的数量。

prefixC[i]、prefixG[i] 和 prefixT[i] 将分别存储“C”、“G”和“T”的类似计数。

这种预处理使得在最短时间内检查任何核苷酸在任何范围内的存在成为可能。

2. 回答查询

对于由范围 [P, Q] 定义的每个查询，可以通过检查前缀和来找到最小核苷酸。对于由范围 [P, Q] 定义的每个查询，可以通过检查前缀和来找到最小核苷酸

换句话说，如果 prefixA[Q] − prefixA [P−1] > 0，则表示范围内存在“A”，并且它是最小的。

如果不存在，则使用 prefixC 查找“C”。

对于“G”和“T”也可以重复相同的过程。

在范围内首次出现的核苷酸就是最小的。

输出

 
2
4
1   

结论

众所周知，后缀和前缀和对于解决各种范围查询非常有益，而识别给定范围内DNA序列中最小核苷酸的问题也最好通过使用前缀和来解决。

在对序列进行预处理后，每个查询都可以以恒定时间提供，因此对于基因组分析问题具有高度可伸缩性。因此，该方法是计算 生物学 任务中一种有效且高效的工具。