第四章-序列比对与算法-1
(生物信息学)lecture04双序列比对
SAMtools软件
1
SAMtools是一个用于处理和分析序列对齐映射 （SAM）格式数据的生物信息学软件工具。
2
SAMtools软件提供了多种用于双序列比对的工 具，如SAMtools sort、SAMtools index和 SAMtools view等。
BLAST软件具有高效、准确和灵活的特点，广泛应用于生物信息学领域的序列比对 和相似性搜索。
GATK软件
GATK（Genome Analysis Toolkit）是一个用于分析高通量测序数据的生 物信息学软件工具集。
GATK软件提供了多种用于双序列比对的工具，如Smith-Waterman算法 和Burrows-Wheeler变换等。
药物作用机制研究
通过比对药物作用前后的基因或蛋白质序列，分析药物对生 物分子的影响和作用机制，有助于深入理解药物的作用原理 和潜在副作用。
05
双序列比对的挑战与未来发展
数据规模与计算复杂度
数据规模
随着测序技术的快速发展，产生的序列数据量呈指数级增长，给 双序列比对带来了巨大的挑战。
计算复杂度
双序列比对的算法复杂度较高，尤其是在处理大规模数据时，需 要消耗大量的计算资源和时间。
通过比对患者与健康人的基因序列，寻找与疾病相关的基因变异位点，有助于定位和阐明疾病发生的分子机制。
药物靶点发现
通过比对不同物种的基因或蛋白质序列，寻找与药物分布、活化等相关的靶点，有助于发现新的药物候选分子。
药物发现与设计
药物靶点筛选
通过比对已知药物靶点序列与数据库中的序列，筛选出潜在 的药物靶点，有助于发现新的药物作用机制和候选药物。
生物信息学 第四章 双序列比对
中可以利用计算机程序实现上述序列比对的基本算法。然而，序列比对不仅需要考虑子序列 之间的匹配，而且需要对整个序列进行比较。也就是说，必须考虑两个序列中所有残基的匹 配。这就意味着，不可能使所有残基都能严格匹配。在这种情况下，比对过程中确定空位的 过程变得十分复杂。最简单的办法使通过不加限制地插入空位的办法获得相同残基的最大匹 配数。我们知道，空位的引入，意味着两个序列之间残基的插入或删除。如果对引入空位不 加限制，所得比对结果即使分值较高，也缺乏生物学依据。因此，必须有一种机制，对空位 的引入加以限制。常用的方法就是空位罚分，即每插入一空位就在总分值中罚去一定分值， 即加上一负分值，包括起始空位罚分和延伸空位罚分。所谓起始空位，是指序列比对时，在 一个序列中插入一个空位，使两个序列之间有更好的匹配；所谓延伸空位，是指在引入一个 或几个空位后，继续引入下一个连续的空位，使两个序列之间有更好的匹配。延伸空位罚分 值可以与起始空位罚分值相同，也可以比起始空位罚分值小。因此，序列比对最终结果的分 数值是两个序列之间匹配残基的总分值与空位罚分的总和。 上述序列比对过程中，只考虑了残基的同一性，即两个序列之间完全相同的匹配残基 数目。可以把这种只考虑残基同一性的矩阵理解为一个分数值为 1 和 0 的分数矩阵（见表 6.1），即相同残基的分数值为 1，不同残基的分数值为 0。这种矩阵通常称为稀疏矩阵，因 为矩阵大多数单元的值为 0。显然，这种单一的相似性分数矩阵具有很大局限性。改进分数 矩阵的表征性能，找出那些潜在的具有生物学意义的最佳匹配，提高数据库搜索的灵敏度， 而又不至于降低信噪比，是序列比对算法的核心。 相似性分数矩阵就是为解决上述问题而产生的。相似性分数矩阵的构建，是基于远距离 进化过程中观察到的残基替换率，并用不同的分数值表征不同残基之间相似性程度。恰当选 择相似性分数矩阵，可以提高序列比对的敏感度，特别是两个序列之间完全相同的残基数比 较少的情况下。必须说明，相似性分数矩阵有其固有的噪声，因为它们在对两个具有一定相 似性的不同残基赋予某个相似性分值时的同时，也引进了比对过程的噪声。这就意味着随着 微弱信号的增强，随机匹配的可能性也会增大。本书不准备深入讨论有关相似性分数矩阵的 问题，而只对两个常用的相似性分数矩阵作简单介绍，即突变数据矩阵和残基片段替换矩阵。 4.7.1 突变数据矩阵 突变数据矩阵（Mutation Data Matrix，简称 MD，Dayhoff 等，1978）是基于单点可接 受突变的概念，即 Point Accepted Mutation，简称 PAM。1 个 PAM 的进化距离表示在 100 个 残基中发生一个可以接受的残基突变的概率。对应于一个更大进化距离间隔的突变概率矩 阵，可以通过对原始矩阵进行一定的数学处理获得。例如，PAM250 相似性分数矩阵相当于 在两个序列之间具有 20%的残基匹配。 在序列比对中，通常希望使用能够反映一个氨基酸发生改变的概率与两个氨基酸随机
生物信息学中的序列比对算法原理与实践
生物信息学中的序列比对算法原理与实践序列比对是生物信息学中常用的基本技术之一，用于在生物学研究中比较两个或多个生物序列的相似性和差异性。
在分子生物学和基因组学等领域中，序列比对被广泛应用于基因分析、蛋白质结构预测、物种分类、进化分析以及新基因和功能区域的发现等重要任务。
本文将介绍序列比对算法的基本原理和常用实践技术。
序列比对算法的基本原理序列比对的目标是找到两个序列之间的匹配部分，并根据匹配的相似性和差异性进行评分。
序列比对算法的基本原理主要有两种方法：全局比对和局部比对。
全局比对算法（例如Needleman-Wunsch 算法）是一种通过将匹配、不匹配和间隙等操作分配给两个序列的每个字符来寻找最佳比对的方法。
它能够比较整个序列的相似性，但对于较长的序列来说，计算量较大，因此对于较短的序列和相似度较高的序列，全局比对更为合适。
局部比对算法（例如 Smith-Waterman 算法）则通过寻找两个序列中的最佳子序列来找到最佳比对。
该算法适用于较长的序列和不太相似的序列，因为它只关注相似的区域。
局部比对算法能够发现序列中的重复结构和片段，对于在序列之间插入或缺失元素的情况下非常有用。
序列比对算法的实践技术在实践应用中，为了处理大规模的序列数据并提高比对效率，还发展出了一些改进和优化的序列比对算法和技术。
1. 基于哈希表的算法：这种方法通过构建哈希表来加速相似性搜索。
算法将序列切分成较小的片段，并将每个片段哈希为独特的数字，然后根据相似性检索相关的哈希数字。
这种方法能够快速找到相似的序列片段，并进行比对和匹配。
2. 快速比对算法：这些算法通过减少比对的搜索空间或采用启发式的策略，来降低比对的计算复杂度。
例如，BLAST（Basic Local Alignment Search Tool）算法通过提取关键特征，如k-mer或频繁子序列，将序列比对问题转化为查找数据库中相似序列的问题。
3. 并行比对算法：随着计算机科学的发展，利用并行计算技术可以大幅提高比对效率。
生物信息学中的序列比对算法分析与优化
生物信息学中的序列比对算法分析与优化序列比对是生物信息学中一项重要的技术与方法，用于研究生物序列之间的相似性和差异性。
比对的准确性和效率直接影响到后续的功能注释、进化分析和结构预测等生物学研究。
本文将对生物信息学中的序列比对算法进行分析与优化，探讨不同算法的原理、优缺点以及改进方法。
一、序列比对算法的原理序列比对算法的基本原理是通过寻找序列之间的共同特征来衡量它们之间的相似性。
常用的序列比对算法包括全局比对、局部比对和多序列比对，采用的算法包括动态规划、贪心算法和快速搜索算法等。
1. 全局比对全局比对算法用于比较两个序列的整个长度，并给出最佳的匹配结果。
最常用的算法是Needleman-Wunsch算法，其基本思想是通过动态规划的方法，计算出一个最优的比对方案。
全局比对适用于两个序列相似度较高的情况，但计算复杂度较高，对大规模序列比对不太适用。
2. 局部比对局部比对算法用于比较两个序列的一部分，并给出最佳的局部匹配结果。
最常用的算法是Smith-Waterman算法，其基本思想是通过动态规划的方法，计算出所有可能的局部比对方案，并选择得分最高的方案作为最佳匹配结果。
局部比对适用于两个序列相似度较低的情况，可以发现较短的共同片段。
3. 多序列比对多序列比对算法用于比较多个序列之间的相似性，常用于进化分析和亲缘关系推断等研究。
最常用的算法是CLUSTALW算法，其基本思想是通过多次的全局比对和局部比对，逐步构建多个序列的比对结果。
二、序列比对算法的优缺点不同的序列比对算法在准确性、效率和适用范围等方面有不同的优缺点。
1. 全局比对的优缺点全局比对算法可以找到两个序列的所有匹配段，准确度高；但计算复杂度高，对于大规模序列比对的时间和空间开销较大。
2. 局部比对的优缺点局部比对算法可以找到两个序列的相似片段，准确度高；但由于需要计算所有可能的局部比对，计算复杂度较高，对于大规模序列比对的时间和空间开销较大。
生物信息学中的序列比对算法及评估指标比较
生物信息学中的序列比对算法及评估指标比较序列比对是生物信息学中非常重要的工具之一，用于分析和比较生物序列的相似性和差异。
序列比对是理解生物进化和功能注释的关键步骤，在基因组学、蛋白质学和遗传学等领域都有广泛应用。
本文将介绍序列比对的算法原理和常用的评估指标，并对几种常见的序列比对算法进行比较。
一、序列比对算法1.全局比对算法全局比对算法用于比较整个序列的相似性，常见的算法有Needleman-Wunsch 算法和Smith-Waterman算法。
这两种算法都是动态规划算法，其中Needleman-Wunsch算法用于比较两个序列的相似性，而Smith-Waterman算法用于寻找局部相似的片段。
这些算法考虑了序列的整体结构，但在处理大规模序列时计算量较大。
2.局部比对算法局部比对算法用于找出两个序列中最相似的片段，常见的算法有BLAST （Basic Local Alignment Search Tool）算法和FASTA（Fast All）算法。
这些算法以快速速度和高敏感性著称，它们将序列切割成小的段落进行比对，并使用统计模型和启发式搜索来快速找到最佳匹配。
3.多序列比对算法多序列比对算法用于比较多个序列的相似性，常见的算法有ClustalW和MAFFT（Multiple Alignment using Fast Fourier Transform）算法。
这些算法通过多次序列比对来找到共有的特征和区域，并生成多序列的一致性描述。
二、评估指标1.一致性分数（Consistency Score）一致性分数是衡量序列比对结果一致性的指标，它反映了序列比对的精确性和准确性。
一致性分数越高，表示比对结果越可靠。
常用的一致性分数有百分比一致性（Percentage Identity）和序列相似度（Sequence Similarity）。
2.延伸性（Extension）延伸性是衡量序列比对结果的长度的指标。
生物信息学中的序列比对与分析教程
生物信息学中的序列比对与分析教程序列比对与分析在生物信息学中扮演着非常重要的角色。
通过对不同生物体的DNA、RNA或蛋白质序列进行比较和分析，我们可以揭示它们之间的相似性和差异性，从而推断它们的功能和进化关系。
本教程将介绍序列比对的基本概念、工具和方法，并探讨如何进行常见的序列分析。
1. 序列比对的基本概念序列比对是用于比较两个或多个生物序列之间的相似性和差异性的过程。
在序列比对中，我们会使用特定的算法和方法，将不同序列中的相似区域进行匹配，以找到它们之间的共同点。
常用的序列比对算法包括全局比对（如Needleman-Wunsch算法）和局部比对（如 Smith-Waterman算法）等。
2. 序列比对的工具现在有许多序列比对工具可供选择，其中一些是免费提供的。
其中最常用的工具之一是BLAST（Basic LocalAlignment Search Tool）。
BLAST可以快速找到一个或多个与给定序列相似的其他序列，并给出相似性得分。
除了BLAST，还有一些其他的序列比对工具，比如ClustalW、MUSCLE和T-Coffee等。
3. DNA序列比对DNA序列比对是研究生物体间遗传关系和进化关系的重要工具。
DNA序列之间的相似性可以用来确定物种的亲缘关系、寻找共同的进化起源以及研究基因的功能。
在DNA序列比对中，常用的方法是使用BLAST等工具，通过将查询序列与数据库中的已知序列进行比对来找到相似的区域。
4. RNA序列比对RNA序列比对主要用于研究基因表达和功能相关的RNA分子。
与DNA序列比对相似，RNA序列比对也可以通过BLAST等工具进行。
此外，对于非编码RNA序列的比对，可以使用RAPSearch和PIRCH等专门的工具。
5. 蛋白序列比对蛋白序列比对是分析蛋白质结构和功能的关键步骤。
蛋白质序列比对可以通过BLAST等工具进行，还可以使用更高级的算法和方法，如Smith-Waterman算法和多序列比对算法，来找到更为精确的比对结果。
生物信息学中的序列比对算法综述
生物信息学中的序列比对算法综述序列比对是生物信息学领域中的一个重要问题，指的是比较两个生物序列（DNA，RNA或蛋白质序列）之间的相似性和差异性。
序列比对是许多研究任务中的第一步，如基因识别、物种分类、进化关系的推断等等。
在本文中，我们将介绍序列比对算法的基本概念、方法和软件，包括全局比对、局部比对、多序列比对等方面。
一、序列比对的基本概念序列比对的目的是找出两个序列之间的相似性和差异性，根据相似性分析序列的结构、功能以及进化关系。
相似性可以被表示成一个比对得分，即正数表示相似性，负数表示差异性。
比对得分的计算取决于匹配分、替换分和缺失分。
匹配分是指在比对中找到相同的位置并且相等的分数。
替换分是指找到不同的位置并且不相等的分数。
缺失分是指在任意序列中找不到匹配的分数。
计算得分的方法有很多种，其中最流行的方法是 Needleman-Wunsch 算法和 Smith-Waterman 算法。
二、全局比对算法全局比对算法是一种比较两个序列的整个长度的算法，使得它们之间的相似性或差异性能够被准确地测量。
全局比对算法通常用于比较高度相似的序列或同一物种中相似的序列。
Needleman-Wunsch 算法与 Smith-Waterman 算法是全局比对中最为经典的算法。
Needleman-Wunsch 算法： Needleman-Wunsch 算法是最经典的全局比对算法之一。
该算法通过构建一个二维矩阵，其中每个元素代表在比对过程中两个序列的一个指定位置。
该算法通过分配一个比对得分并使用动态规划来计算所有可能的比对方式。
通过比对得分的计算，算法确定序列之间的最佳比对方式，使比对得分最大化。
该算法常用于比较高度相似的序列，或者已知序列的情况下以寻找相同物种中潜在基因组之间的相似性信息。
Smith-Waterman 算法： Smith-Waterman 算法是一种类似Needleman-Wunsch 算法的全局比对算法。
序列比对算法
序列比对算法
序列比对是一种互联网上常见的数据比对技术，它可以将两个数据序列进行比较，以确定它们之间的内在关联。
序列比对用于查找和比较两个具有不同长度的数据序列的共同的特征，可以更好地识别在不同典型序列中的相似性及其变化。
有时序列比对也被称为字符串比对，它是一种基于文本文件中特定单词序列和串联子序列找出不同词序列的方法。
序列比对技术广泛应用于现代生物学和信息科学领域，可以用于序列相似性分析、细胞信号探测、扩增子分析、植物、动物和微生物基因组学等。
序列比对也被用于信息安全管理，例如维护在网络上的数据完整性，识别病毒和垃圾邮件等。
序列比对的最常见的应用之一是发现基因变异、协同作用和特定基因的潜在功能。
序列比对可以帮助生物学家从海量的基因序列中寻找某一种基因型的完整位点，还可以用于发现基因变异，根据相似度判断不同物种间基因的关联。
在更高程度上，也可用于鉴别和分类动物基因，作为分类物种的基础，也可用于探索基因之间的相关关系，解析大规模基因表达功能。
序列比对尽管得到了广泛应用，但仍然存在一些挑战，比如误差检查和参数估计，也存在数据处理上的挑战，比如处理大规模的基因组数据。
此外，序列比对也面临着不断发展的技术挑战，例如序列比对算法的精确度和计算效率、可扩展性等。
总而言之，序列比对是一种有效的分析技术，已广泛应用于许多领域，起着重
要作用，例如信息科学和生物学，可以帮助发现基因变异、培育新的生物物种和处理日益增多的生物数据等。
生物信息学中的序列比对算法分析
生物信息学中的序列比对算法分析在现代分子生物学中，序列比对是一项非常重要的任务。
生物学家通过比对不同物种间的DNA或蛋白质序列，能够更深入地理解生物界的进化和生物学功能。
序列比对经常被用于比较蛋白质序列，以揭示它们的相同区域和变异区域，从而推测功能、拼图蛋白质结构或阐明进化关系。
在生物信息学领域，一些高质量的序列比对算法被广泛采用，但其具体方法和适用范围是如何的呢？序列比对算法大致可分为全局比对和局部比对两种。
全局比对将整条序列进行对齐，相当于将两个序列定位到横坐标和纵坐标的原点上。
与之相对应的是局部比对，它只对序列中某一区域进行对齐。
全局比对通常用于比较两个具有高度相似性的序列，例如不同物种DNA序列的比对。
而局部比对则常用于比较代表同一蛋白质家族的蛋白质序列。
除了这两种基本的比对模式，还有一些更具特殊化应用的比对方法，比如开环比对、半开放比对等等。
全局比对的经典算法是Needleman-Wunsch算法，其基本思想是动态规划。
以两条DNA序列为例，算法可以计算处所有可能的匹配方式，并选择其中总分最高的一种。
该算法忽略了序列中的重复片段，不适用于两个序列有部分区域高度一致，而其他区域则存在较大差异的情况。
如果两条序列的长度非常不同，可能会出现计算过程时间复杂度增大并产生鲁棒性的问题。
相比之下，局部比对通常采用Smith-Waterman算法，用动态规划的方式找到两条序列中的片段匹配，其过程是在确定了一个匹配片段的前提下，向两侧扩展寻找更长的匹配片段。
Smith-Waterman算法的可变步长（gap）能力使其更新得比经典全局比对算法更好。
但由于算法计算量较大，因此无法执行大规模任务。
最发达的比对算法是BLAST（基础局部对齐搜索工具），它将参考序列和数据库中的查询序列分别分割成短段，只比对那些相似性较高的片段。
从而快速访问数据库并比对大量不同序列。
该算法大大降低了序列比对的计算时间，使比对过程能够在合理的范围内进行。
序列比对算法
FSEYTTHRGHR : ::::: :: FESYTTHRPHR
FESYTTHRGHR :::::::: :: FESYTTHRPHR
成对序列比对问题
类 似 于 字 符 串 中 的 最 长 共 同 子 序 列 问 题 (longest common subsequence, LCS) (Robinson, 1938) LCS: 定义一个比对操作的集合 (e.g. Substitution， Insertion or Deletion ) ，操作将一个序列比对元素 转换至另一个序列的相应元素，相应的操作被赋予 一定的分值 优化比对：是以最低的代价或获取最高分值的比对 在两个序列比对中，可能会构建出多个优化的比对
k =1
j
1 j l2
Si -1, j + s(ai ,-) Sij =max Si -1, j-1 + s (a i,bj) 1 i l1 , 1 j l2 Si , j -1 + s(-,bj )
最优打分终止于 i & j
Needleman-Wunsch算法(3)
用三种渠道计算 S(i,j):
– 符号的插入 – 符号的删除 – 符号的替换
打分矩阵
氨基酸替换矩阵 (20X20) 计算一个氨基酸被另 一个替换的概率：
替换频率– 遗传密码 对变换的容忍– 自然选择
基本准则：处罚在进化过程中变异概率低的残 基对、奖励高变异概率的残基对 在同源序列比对过程，依据经验，获取比对残 基时发生的氨基酸替换
FSEY-THRGHR : : ::: :: FESYTTHRPHR FSEYT-HRGHR : :: :: :: FESYTTHRPHR
生物信息学中的序列比对算法
生物信息学中的序列比对算法生物信息学是一门交叉学科，它融合了计算机科学、数学、物理学、化学和生命科学等多个学科。
其中，序列比对算法是生物信息学中的一个重要分支。
序列比对是指在两个序列之间找到相同或相似的部分以及它们的位置，它是了解基因、蛋白质等生物大分子的结构和功能的基础。
序列比对算法通常可分为全局比对和局部比对两类。
全局比对是指将两个序列的整个长度进行比较，如Needleman-Wunsch算法、Smith-Waterman算法等。
而局部比对则是将两个序列的一部分进行比较，如BLAST算法、FASTA算法等。
Needleman-Wunsch算法是一种典型的全局序列比对算法。
其基本思想是将待比较的两个序列分别以行和列的形式写成矩阵，然后通过动态规划的方式来寻找最优比对路径。
在计算比对路径的过程中，会涉及到每个位置上的得分以及得分的计算方法。
矩阵左上角的位置代表两个序列均为空时的得分，而得分的计算则是依据设定的匹配得分、代价得分和惩罚得分来计算。
匹配得分表示两个相同的字符或修饰基间的得分，代价得分表示不同的字符或修饰基间的代价，惩罚得分则表示一个序列在与另一个序列进行比对的过程中，可能存在一个序列的片段与另一个序列完全不匹配的情况。
Smith-Waterman算法是另一种全局序列比对算法。
其基本思想和Needleman-Wunsch算法类似，只是在比对路径的寻找过程中进行了一些优化。
在Smith-Waterman算法中，比对路径是从得分最高的点开始构建的，而在Needleman-Wunsch算法中则是从矩阵的右下角开始构建。
此外，Smith-Waterman算法在计算得分时，会将贡献值小于零的得分设置为0。
这样，当比对的两个序列之间存在相对次优的部分匹配时，Smith-Waterman算法可以将其排除在外，得到最优的比对结果。
BLAST算法和FASTA算法则是两种常见的局部序列比对算法。
这两种算法都采用了启发式方法，即通过一系列的筛选步骤来减少不必要的计算，提高比对速度。
生物信息学中的序列比对算法分析
生物信息学中的序列比对算法分析生物信息学是一门综合性的学科，涉及到生物学、计算机科学、数学、统计学等多个领域。
其中，序列比对算法是生物信息学中非常重要的一个研究领域。
本文将就生物信息学中的序列比对算法进行分析与探讨。
1. 什么是序列比对？生物学中的序列指的是DNA、RNA或蛋白质序列，而序列比对则是将两个或多个序列进行比较，找出它们之间的相似性和差异性。
序列比对通常被用来确定两个或多个序列之间的进化关系，并且在基因鉴定、药物设计和疾病诊断中也有很大的应用价值。
2. 序列比对的算法序列比对算法可以分为精确序列比对和近似序列比对两种类型。
在精确序列比对中，算法的目标是找到两个序列之间的精确匹配点。
而在近似序列比对中，算法的目标则是找到两个序列之间的最佳匹配。
下面我们将介绍几种常见的序列比对算法：2.1 精确序列比对算法2.1.1 Smith-Waterman算法Smith-Waterman算法是一种基于动态规划的算法，用来寻找两个序列之间的最佳局部对齐。
该算法的时间复杂度为O(N^2)，因此适用于较短的序列比对。
2.1.2 Needleman-Wunsch算法Needleman-Wunsch算法也是一种基于动态规划的算法，用来寻找两个序列之间的最佳全局对齐。
该算法的时间复杂度同样为O(N^2)，但是由于其考虑了整个序列，因此速度比Smith-Waterman算法慢。
2.2 近似序列比对算法2.2.1 BLAST算法BLAST算法是基于比较序列片段的算法，它将一个序列分割成较小的片段用来进行比对。
BLAST算法的时间复杂度为O(N* log N)。
2.2.2 模式匹配算法模式匹配算法是利用某种模型来进行序列匹配的算法，其中最为常见的模型是k-mer。
k-mer是一种常用的序列分割方式，它可以对序列进行切分，然后将切分后的小片段与另一个序列进行比对。
这种算法在生物信息学中有着广泛的应用。
3. 序列比对算法的评价标准评价序列比对算法的好坏通常需要对比已知的真实比对结果。
python序列比对算法
python序列比对算法题目：Python序列比对算法：理解和应用引言在Python编程中，序列比对算法是一项重要任务，用于比较两个或多个序列类型的数据，并找到它们之间的相似性和差异。
这种算法可以应用于各种情况，例如字符串匹配、DNA序列比对、图像处理等领域。
本文将一步步解释Python序列比对算法的原理和应用，并提供一些实际示例。
1. 了解序列比对算法的基础知识在开始之前，我们需要了解一些基础知识。
在Python中，序列是一组有序的元素的集合，例如字符串、列表和元组。
序列比对算法旨在找到两个序列之间的相似性和差异。
常见的序列比对算法包括最长公共子序列（LCS）算法和编辑距离算法。
2. 最长公共子序列（LCS）算法最长公共子序列（LCS）算法是一种常用的序列比对算法，用于找到两个序列中最长的公共子序列。
公共子序列是指在两个序列中都出现的元素的集合，不要求这些元素在原序列中是连续的。
LCS算法的基本步骤如下：- 定义两个序列，称为X和Y，并给定它们的长度m和n。
- 创建一个大小为(m+1) * (n+1)的二维数组，用于存储LCS的长度。
- 通过比较序列X和Y的元素，逐步填充二维数组。
如果X[i] == Y[j]，则LCS的长度为LCS[i-1][j-1] + 1；否则，LCS的长度为max(LCS[i-1][j], LCS[i][j-1])。
- 根据填充的二维数组，找到LCS的具体元素。
这是一个简单的LCS算法的示例代码：pythondef lcs(X, Y, m, n):L = [[0] * (n+1) for _ in range(m+1)]for i in range(m+1):for j in range(n+1):if i == 0 or j == 0:L[i][j] = 0elif X[i-1] == Y[j-1]:L[i][j] = L[i-1][j-1] + 1else:L[i][j] = max(L[i-1][j], L[i][j-1])return L[m][n]X = "ABCDGH"Y = "AEDFHR"print("The length of LCS is", lcs(X, Y, len(X), len(Y)))输出结果为：The length of LCS is 3，表示两个序列中最长的公共子序列的长度为3。
生物信息学中的序列比对算法及性能分析
生物信息学中的序列比对算法及性能分析序列比对是生物信息学领域中一项重要的任务，它在基因组学、蛋白质学以及进化生物学等领域中扮演着关键角色。
序列比对的目的是在两个或多个生物序列之间寻找相似性，并分析相关性和结构。
本文将介绍生物信息学中常用的序列比对算法以及性能分析。
序列比对算法是将两个或多个生物序列进行匹配并找出其相似性的过程。
在生物信息学中，常用的序列类型包括DNA、RNA和蛋白质序列。
序列比对算法可以分为全局比对和局部比对两类。
一、全局比对算法全局比对算法旨在找到两个序列之间的最佳匹配，即找到两个序列的最长公共子序列。
最经典的全局比对算法是史密斯-沃特曼算法（Smith-Waterman algorithm）。
该算法基于动态规划的思想，在时间和空间上都具有较高的复杂度。
它能够考虑到序列中的每个字符，从而找到最优的匹配位置。
尽管史密斯-沃特曼算法在全局比对中具有较高的准确性，但其计算复杂度限制了其在大规模序列比对中的应用。
为了解决这个问题，矩阵方法被引入。
常见的矩阵方法包括BLOSUM（BLOcks SUbstitution Matrix）和PAM（Point Accepted Mutation）矩阵。
这些矩阵被用于评估两个氨基酸之间的相似性，从而加速全局比对。
二、局部比对算法局部比对算法旨在寻找两个序列中的局部相似性区域。
最常用的局部比对算法是比较两个序列的每个字符并寻找最长的相似子串。
而最常用的局部比对算法是古登案-厄尔曼序列比对算法（Gotoh algorithm）。
该算法结合了史密斯-沃特曼算法和几何统计方法，具有较高的比对速度和准确性。
局部比对算法的一个重要应用是寻找蛋白质序列中的保守结构域。
保守结构域是一些具有相似功能和三维结构的蛋白质片段。
局部比对算法能够帮助研究人员找到这些保守结构域，并研究其功能和进化意义。
三、序列比对性能分析为了评估不同序列比对算法的性能，需要考虑以下几个方面：1. 准确性：即比对结果与实际相似性的一致性。
《生物计算技术》第4章多重序列比对分析
1. 函数形式简单，具有统一的形式，不随序列的个数 2. 而发生形式的变化。 2. 根据得分函数的意义，函数值应独立于各参数的顺序，
即与待比较的序列先后次序无关。 3. 对相同的或相似字符的比对，奖励的得分值高，而对
于不相关的字符比对或空白，则进行惩罚（得分为负值）。
满足上述条件的一个函数就是常用的逐对加和函数，SP函数 。
教学内容：
4.1 多重序列比对的意义 4.2 多重序列比对算法原理
Biocomputing technology— Multiple sequence alignment
4.1 多重序列比对的意义
目的： • 发现多个序列的共性 • 发现与结构和功能相关的保守序列片段 定义：
设：有k个序列s1, s2, ... ,sk，每个序列由同一个 字母表中的字符组成，k大于2，通过插入“空位” 操作，使得各序列达到一样的长度，从而形成这 些序列的多重比对。
4.2 多重序列比对算法原理
4.2.1 SP模型 4.2.2 多重比对的动态规划算法 4.2.3 优化算法 4.2.4 星型比对 4.2.5 树形比对 4.2.6 CLUSTALW算法 4.2.7隐马尔可夫模型
Biocomputing technology— Multiple sequence alignment
如果超晶格空间中的一个节点想任意两条序列所在 的平面投影,投影在这些” 断点”中,则超晶格空间中的这 个节点就是与最优路径相关的节点,否则不是相关节点.
小结: 在进行多重序列比对时, 首先要进行序列的两两比对, 其目的就是要找到任意两条序列通过特定断点的最优比对, 找到这些断点,然后,将多重比对中的超晶格空间的节点向 任意两条序列所在的平面投影,看看投影是否在这些断点上, 如果节点向各个平面的投影均在相应的断点上,则这个节点 是与多重序列比对的最优路径相关的节点,否则,就不是相 关节点,要P
序列比对算法
序列比对算法一．生物数据库1.文献数据库：PubMed（主要是生物医学文献）2.一级核酸数据库：NCBI，ENA，DDBJINSDC：由GenBank（美国）、ENA（欧洲）、DDBJ （日本）三大核苷酸数据库组成的联合核苷酸数据库。
序列的FASTA格式：第一行——大于号加名称或其他注释第二行以后——序列，每行６０个字母3.一级蛋白质数据库（都是通过实验直接测定的）蛋白质序列数据库：swissport,TrEMBL,PIR,UniPort(前三个数据库的合成)蛋白质结构数据库：PDB4.二级蛋白质数据库Pfam(蛋白质结构域家族的集合)PS：结构域——蛋白质一般是由一个或多个功能区域组成，这些功能区域通常称为结构域。
Like胞外域、跨膜区、胞内域。
通过探明未知功能蛋白质上的结构域，可以大致推测出蛋白质的功能。
CATHSCOP2二．序列比较及相似性1.序列表示2.序列的相似性数据库中的序列相似性搜索——相似的序列可以推测出相似的结构，相似的结构可以推测出相似的功能。
用两个指标来描述序列的相似性——一致度和相似度。
引出问题：残基的相似如何量化？残基两两相似的量化关系由替换记分矩阵所定义。
注：密码子——密码子（codon）是指信使RNA分子中每相邻的三个核苷酸编成一组，在蛋白质合成时，代表某一种氨基酸的规律。
信使RNA在细胞中能决定蛋白质分子中的氨基酸种类和排列次序。
信使RNA分子中的四种核苷酸（碱基）的序列能决定蛋白质分子中的20种氨基酸的序列。
而在信使RNA分子上的三个碱基能决定一个氨基酸。
3.比对两个序列的方法（1）打点法（2）序列比对法A）双序列序列全局比对算法（用于比较两个长度近似的序列）B）双序列局部对比算法（用于比较一长一短两条序列或者是非同源序列）***序列比对算法总结：*在线序列比对工具： EMBL、PIR 等4.BLAST搜索数据库中的序列相似性搜索方法——BLAST搜索（１）工作原理（２）BLAST分类（3）PSI-BLAST（4）PHI-BLAST正则表达式(regular expression)描述了一种字符串匹配的模式（pattern），可以用来检查一个串是否含有某种子串、将匹配的子串替换或者从某个串中取出符合某个条件的子串等。
python 序列比对算法
python 序列比对算法摘要：1.序列比对算法简介2.Python在序列比对算法中的应用3.Python序列比对算法库介绍4.总结与展望正文：序列比对算法（Sequence Alignment Algorithm）是一种在生物学、信息学等领域广泛应用的技术，用于比较两个或多个序列之间的相似性。
Python 作为一种广泛应用于科学计算和数据分析的语言，可以方便地实现序列比对算法。
本文将简要介绍序列比对算法的基本概念，以及Python在序列比对算法中的应用。
首先，我们简要了解一下序列比对算法的基本原理。
序列比对算法主要分为两种：一种是全局比对（Global Alignment），另一种是局部比对（Local Alignment）。
全局比对试图通过比较两个序列的整个长度来找到最佳匹配，而局部比对只关注局部区域的匹配。
全局比对的代表算法有Needleman-Wunsch算法和Smith-Waterman算法，局部比对的代表算法有Hirschberg 算法和Gotoh算法。
在Python中，有多个库提供了序列比对算法的实现。
其中，Biopython 是一个功能强大的生物信息学库，提供了多种序列比对算法，如Needleman-Wunsch、Smith-Waterman等。
此外，Python还有其他一些专门用于序列比对的开源库，如BioPyAlign、clustalio等。
下面，我们以Biopython为例，简单介绍一下如何使用Python实现序列比对。
首先，需要安装Biopython库，可以通过pip命令进行安装：```pip install biopython```接下来，我们使用Biopython实现一个简单的全局比对：```pythonfrom Bio import pairwise2def global_alignment(seq1, seq2):alignments = pairwise2.align.globalxx(seq1, seq2)return alignments[0]seq1 = "ATGCGTACG"seq2 = "CATGCGTAC"result = global_alignment(seq1, seq2)print("Global Alignment:")print(result)```对于局部比对，可以使用Biopython的local_alignment函数：```pythondef local_alignment(seq1, seq2):alignments = pairwise2.align.local(seq1, seq2)return alignments[0]seq1 = "ATGCGTACG"seq2 = "CATGCGTAC"result = local_alignment(seq1, seq2)print("Local Alignment:")print(result)```总之，Python作为一门广泛应用于科学计算和数据分析的语言，提供了丰富的库来实现序列比对算法。
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相似度阈值为8，即10个核苷酸中有8个相同时就打一个点
25
点阵分析的优缺点
优点
直观性，整体性；
点阵分析不依赖空位(gap)参数，可寻找两序列间 所有可能的残基匹配；
不依赖任何先决条件，是一种可用于初步分析的理 想工具；
点阵分析允许随时动态地改变最高和最低界限值， 可以用来摸索区分信号和背景标准的严格程度。
4. 记分矩阵
3
1. 什么是序列比对？
序列比对(Sequence Alignment)是通过在序 列中搜索一系列单个性状或性状模式来比较 2个（双序列比对）或更多（多重序列比对） 序列的方法。
按比对序列条数分类
双序列比对：两条序列的比对 多序列比对：三条或以上序列的比对
4
1. 我们为什么关注序列比对？
G C G A T G C A T T G A G T A T C A T A 24
使用滑动窗口技术降低噪声
a
b
（a）对人类（Homo sapiens）与黑猩猩（Pongo pygmaeus）的β球蛋白基因序列进行比较的完整点阵图
（b）利用滑动窗口对以上的两种球蛋白基因序列进行比较的点阵图，其中窗口大小为10个核苷酸，
A -2 3 1 -1 -3 -5 -7 C -4 1 6 4 2 0 -2 T -6 -1 4 9 7 5 3 A -8 -3 2 7 8 6 4 G -10 -5 0 5 6 7 9
AC T TCG AC T - AG
43
ACT TCG
0 -2 -4 -6 -8 -10 -12
A -2 3 1 -1 -3 -5 -7 C -4 1 6 4 2 0 -2 T -6 -1 4 9 7 5 3 A -8 -3 2 7 8 6 4 G -10 -5 0 5 6 7 9
12
I ON I ZAT I ON I O N I Z A T I O N
13
点阵分析的应用
自身比对
寻找序列中的正向或反向重复序列 蛋白质的重复结构域(domain) 相同残基重复出现的低复杂区(Low Complexity) RNA二级结构中的互补区域等
对两条序列的相似性作整体的估计
TACGGTATG A CA G T A T C
TACGGTATG
A C AG T A T C
Window=3 Word Size = 3
C
T
A
T
G
A
C
A
TACGGTATG
18
A
T
A
C
T
A
C
Match = 1
A
A
Mismatch = 0
G
A C
Window size = 5
A
Stringency = 3
26
点阵分析的优缺点
缺点
不能很好地兼容打分矩阵； 滑动窗口和域值的选择过于经验化； 信噪比低； 不适合进行高通量的数据分析。
27
点阵分析程序
DNA Strider (Macintosh) /soft.htm
Dotter (Unix/Linux, X-Windows) COMPARE, DOTPLOT (GCG软件) PLALIGN (FASTA) Dotlet
31
动态规划算法实例
ACT TCG
A
匹配＝3
C
错配＝-1
空位＝-2
T
A
G
32
动态规划算法实例
ACT TCG
0
A C T A G
匹配＝3 错配＝-1 空位＝-2
33
动态规划算法实例
ACT TCG
0 -2
A C T A G
匹配＝3 错配＝-1 空位＝-2
34
动态规划算法实例
ACT TCG
0 -2 -4 -6 -8 -10 -12
x=3
Wx= 3 + 0.1*(3 -1) = 3.2
ATGTTATAC TATGTGCGTATA
Score=4
ATGT---TATAC TATGTGCGTATA
insertion / deletion
score：8 - 3.2 = 4.8
10
3. 双序列比对方法
点阵序列比较 (Dot Matrix Sequence Comparison)
0+3
T -6
A -8
G -10
匹配＝3 错配＝-1 空位＝-2
37
动态规划算法实例
ACT TCG
0 -2 -4 -6 -8 -10 -12
? -4+(-2)
A -2 3 S(2,3) 3+(-2) C -4
-2+(-1) T -6 A -8 G -10
匹配＝3 错配＝-1 空位＝-2
38
动态规划算法实例
A C T A G
匹配＝3 错配＝-1 空位＝-2
35
动态规划算法实例
ACT TCG
0 -2 -4 -6 -8 -10 -12
A -2 C T A G
匹配＝3 错配＝-1 空位＝-2
36
动态规划算法实例
ACT TCG
0 -2 -4 -6 -8 -10 -12
-2+(-2)
? A -2
S(2,2) -2+(-2) C -4
匹配＝3 错配＝-1 空位＝-2
40
动态规划算法实例
ACT TCG
0 -2 -4 -6 -8 -10 -12
A -2 3 1 -1 -3 -5 -7 C -4 1 6 4 2 0 -2 T -6 -1 4 9 A -8 -3 2 G -10 -5 0
匹配＝3 错配＝-1 空位＝-2
41
ACT TCG
0 -2 -4 -6 -8 -10 -12
A -2 3 1 -1 -3 -5 -7 C -4 1 6 4 2 0 -2 T -6 -1 4 9 7 5 3 A -8 -3 2 7 8 6 4 G -10 -5 0 5 6 7 9
ACT T CG AC - T AG
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42
ACT TCG
0 -2 -4 -6 -8 -10 -12
1 GTGCATAGACAC
Score: 55
? 1 GTG--ATAGACAC ||| |||||||| 1 GTGC-ATAGACAC
9
2. 空位罚分公式
Wx=g+r(x-1)
Wx: 空位总记分
g: 空位开放罚分
r:
空位扩展罚分
x: 空位长度
参数:
匹配= 1 非匹配= 0
g= 3
r = 0.1
第四章 序列比对与算法
第一节 双序列比对 第二节 多序列比对 第三节 常用序列比对软件的使用
1
第一节 双序列比对
1. 序列比对基本概念 2. 空位罚分 3. 双序列比对方法
点阵序列比较(Dot Matrix Sequence Comparison)
动态规划算法(Dynamic Programming Algorithm)
ACT TCG
0 -2 -4 -6 -8 -10 -12
A -2 3 1 C -4 T -6 A -8 G -10
匹配＝3 错配＝-1 空位＝-2
39
动态规划算法实例
4+(-2) S(4,4) 4+(-2)
6+3
ACT TCG
0 -2 -4 -6 -8 -10 -12
A -2 3 1 -1 -3 -5 -7 C -4 1 6 4 2 0 -2 T -6 -1 4 ? A -8 -3 2 G -10 -5 0
插入任意多的空位会产生较高的分数，但找到的并不 一定是真正相似序列。
8
2. 空位罚分
不允许有空位
1 GTGATAGACAC |||
1 GTGCATAGACAC
Score: -21
match = 5 mismatch = -4
允许空位但不罚分
1 GTG-ATAGACAC ||| ||||||||
C
G
T
A
C
C
G
G C G A T G C A T T G A G T A T C A T A 19
A
T
A
C
T
A
C
Match = 1
A
A
Mismatch = 0
G
A C
Window size = 5
A
Stringency = 3
C
G
T
A
C
C
G
G C G A T G C A T T G A G T A T C A T A 20
公式一
Sij=max{Si-1,j-1,+s(aibj), max
x≥1 (Si-1,j-wx), max
公式一 的简化
y ≥ 1 (Si,j-1-wy) }
公式二
说明：Sij是序列a在位置i和序列b在位置j的分值， s(aibj)是位置i 和j上比对分 值，wx是在序列a 中长度为x的间隔罚分，wy是序列b中长度为y的间隔罚分
AC T TCG AC T A - G
44
比对结果
1. ACTTCG AC-TAG
2. ACTTCG ACT-AG
3. ACTTCG ACTA-G
http://www.isrec.isb-sib.ch/java/dotlet/Dotlet.html
28
3.2 动态规划算法
动态规划算法(Dynamic Programming Algorithm) 是一种计算方法，它的主要思路是把一个问题分成 若干个小问题来解决。