[en] In recent years, Genome-Wide Association Studies (GWAS) have become more and more popular with the intent of finding a genetic explanation for the presence or absence of particular diseases in human studies. There is consensus about the presence of genetic interactions during the expression of complex diseases, a phenomenon called epistasis. This thesis focuses on the study of this phenomenon, employingHigh- Performance Computing (HPC) for this purpose and from a statistical definition of the problem: the deviation of the expression of a phenotype from the addition of the individual contributions of genetic variants. For this purpose, we first developedMPI3SNP, a programthat identifies interactions of three variants froman input dataset. MPI3SNP implements an exhaustive search of epistasis using an association test based on the Mutual Information and exploits the resources of clusters of CPUs or GPUs to speed up the search. Then, we evaluated the state-of-the-art methods with the help of MPI3SNP in a study that compares the performance of twenty-seven tools. The most important conclusion of this study is the inability of non-exhaustive approaches to locate epistasis in the absence of marginal effects (small association effects of individual variants that partake in an epistasis interaction). For this reason, this thesis continued focusing on the optimization of the exhaustive search. First, we improved the efficiency of the association test through a vector implementation of this procedure. Then, we developed a distributed algorithm capable of locating epistasis interactions of any order. These two milestones were achieved in Fiuncho, a program that incorporates all the research carried out, obtaining the best performance in CPU clusters out of all the alternatives of the state-of-the-art. In addition, we also developed a library to simulate particular scenarios with epistasis called Toxo. This library allows for the simulation of epistasis that follows existing interaction models for high-order interactions.

[gl] Nos últimos anos, os estudos de asociación do xenoma completo (Genome-Wide Association Studies, GWAS) están a gañar moita popularidade de cara a buscar unha explicación xenética á presenza ou ausencia de certas enfermidades nos humanos.Hai un consenso nestes estudos sobre a existencia de interaccións xenéticas que condicionan a expresión de enfermidades complexas, un fenómeno coñecido como epistasia. Esta tese céntrase no estudo deste fenómeno empregando a computación de altas prestacións (High-Performance Computing, HPC) e dende a súa perspectiva estadística: a desviación da expresión dun fenotipo como a suma dos efectos individuais de múltiples variantes xenéticas. Con este obxectivo desenvolvemos unha primeira ferramenta, chamada MPI3SNP, que identifica interaccións de tres variantes a partir dun conxunto de datos de entrada. MPI3SNP implementa unha busca exhaustiva empregando un test de asociación baseado na Información Mutua, e explota os recursos de clústeres de CPUs ou GPUs para acelerar a busca. Coa axuda desta ferramenta avaliamos o estado da arte da detección de epistasia a través dun estudo que compara o rendemento de vintesete ferramentas. A conclusión máis importante desta comparativa é a incapacidade dos métodos non exhaustivos de atopar interacción ante a ausencia de efectos marxinais (pequenos efectos de asociación das variantes individuais que participan na epistasia). Por isto, esta tese continuou centrándose na optimización da busca exhaustiva de epistasia. Por unha parte, mellorouse a eficiencia do test de asociación a través dunha implantación vectorial do mesmo. Por outro lado, creouse un algoritmo distribuído que implementa unha busca exhaustiva capaz de atopar epistasia de calquera orden. Estes dous fitos lógranse en Fiuncho, unha ferramenta que integra toda a investigación realizada, obtendo un rendemento en clústeres de CPUs que supera a todas as súas alternativas no estado da arte. Adicionalmente, desenvolveuse unha libraría para simular escenarios biolóxicos con epistasia chamada Toxo. Esta libraría permite a simulación de epistasia seguindo modelos de interacción xenética existentes para orde alto.