多序列比对

ClLUSTALW/X简介
ClLUSTAL最初初由Higgins等于1988年创 立并不断完善
用来多序列比对、概形(Profile)分析和创 建进化树 ClLUSTAL分为ClLUSTALW和 CLUSTALX两种类型 ClLUSTAL有用于WINDOWS和 UNIX/LINUX的各种版本
CLUSTAL方法
CLUSTALW
******** CLUSTAL W (1.8) Multiple Sequence Alignments ******** 1.Sequence Input From Disc
2. Multiple Alignments
3. Profile / Structure Alignments
Mac Vector界面的ClustalW
ClustalX介绍
ClustalX介绍
ClustalX介绍
ClustalX介绍
ClustalX介绍
Example
Multiple sequence alignment of 7 neuroglobins using clustalx
PILEUP
SP方法通过对一个随机数据矩阵 中氨基酸对的所有可能组合的记 分求和来获得矩阵记分
SP 方法例子
S S I I S K K E
-8 - 8 + 4 = -12
使用 BLOSUM62 矩阵, 空位罚分为 -8 在第一列, 有三种两两 比对组合方式： -, S -, S S,S 每一列有k(k-1)/2 个双 序列比对
序列长度为 n 的双序列比对 n2 比对 比对数目成指数增长 例如：序列长度为n，序列数为N 的 多序列比对数目是nN
对于数目较少且较短的序列来说都不 切实际
多维的动态规划算法
Sequence 1
Sequence 2
分而治之方法
分而治之 (Divide and Conquer, DCA)方法 将MSA的空间复 杂度减小 DCA在线MSA
Your choice:1<rtn>
CLUSTALW
Sequences should all be in 1 file.
7 formats accepted: NBRF/PIR, EMBL/SwissProt, Pearson (Fasta), GDE, Clustal, GCG/MSF, RSF. Enter the name of the sequence file: anti.fasta<rtn> Sequence format is Pearson Sequences assumed to be PROTEIN Sequence 1: ANP4_PSEAM Sequence 2: ANP_LIMFE Sequence 3: ANPA_PSEAM Sequence 4: ANPX_PSEAM Sequence 5: ANPY_PSEAM 85 aa 97 aa 82 aa 91 aa 91 aa
累进算法(Progrwenku.baidu.comssive Methods)
针对基于动态规划算法的MSA程序比对序 列数目有限， Feng & Doolittle(1987)发明 了累进算法
CLUSTAL 和 PILEUP 是目前常用的基于 累进算法的比对软件 CLUSTAL 是免费软件,目前应用非常广泛
http://www-igbmc.ustrasbg.fr/BioInfo/ClustalX/Top.html
4. Phylogenetic trees S. Execute a system command H. HELP X. EXIT (leave program) Your choice: 2<rtn>
ClustalW
*************** ****** MULTIPLE ALIGNMENT MENU ****** *************** 1. Do complete multiple alignment now (Slow/Accurate) 2. Produce guide tree file only 3. Do alignment using old guide tree file 4. Toggle Slow/Fast pairwise alignments = SLOW 5. Pairwise alignment parameters 6. Multiple alignment parameters 7. Reset gaps between alignments? = OFF 8. Toggle screen display = ON 9. Output format options S. Execute a system command H. HELP or press [RETURN] to go back to main menu Your choice: 1<rtn>
http://bioweb.pasteur.fr/seqanal/int erfaces/dca-simple.html
So in effect …
Sequence 1
Sequence 2
SP(Sum of Pairs)方法
为了找到最佳比对，并解决动态 规则算法的计算复杂问题， Carrillo & Lipman (1988)发明了 SP(Sum of Pairs)方法
多序列比对方法
全局序列比对
动态规划算法 (Dynamic Programming Algorithm) 分而治之方法 (Divide and Conquer Methods) SP方法 (Sum of Pairs Methods) 累进方法 (Progressive Methods) 迭代方法 (Iterative Methods)
进行所有序列间的双序列比对
基于双序列比对分数产生一个相邻连 接进化树(neighbor-join tree) 根据进化树提供的序列间关系按顺序 对序列进行比对 比对可以用以下两种方法： - slow/accurate - fast/approximate
CLUSTALW
******** CLUSTAL W (1.8) Multiple Sequence Alignments ******** 1.Sequence Input From Disc 2. Multiple Alignments 3. Profile / Structure Alignments 4. Phylogenetic trees S. Execute a system command H. HELP X. EXIT (leave program)
Output of Pileup
401 OATNFA1 OATNFAR BSPTNFA CEU14683 HSTNFR SYNTNFTRP CATTNFAA CFTNFA RABTNFM RNTNFAA TTCAG..... TTCAG..... TTCAA..... TTCAG..... CCCAG..... CCCAG..... CCCAG..... TCCAG..... CCCAGATGGT CCCAGACCCT .ACACTCAGG .ACACTCAGG .ACACTCAGG .ACCCTCAGG .GCAGTCAGA .GCAGTCAGA .ACACTCAGA .ACAGTCAAA CACCCTCAGA CACACTCAGA TCATCTTCTC TCATCTTCTC TCCTCTTCTC TCATCTTCTC TCATCTTCTC TCATCTTCTC TCATCTTCTC TCATCTTCTC TCAGCTTCTC TCATCTTCTC AAGC AAGC AAGC AAGC GAAC GAAC GAAC GAAC GGGC AAAA
• 依据进化树，开始对关系较 近的序列进行两两比对 • 逐渐加入关系较远的序列进 行比对 • 构建多序列比对
Human Mouse Dmel Cele Scer
Multiple alignment
一般累进比对方法
d
1 3
1 3 2 5
1 3 2 5
root
1 3 2 5 4
累进算法的一些问题
比对的准确性高度依赖于开始选择的 双序列比对 序列关系越远发生的错误可能越高 选择合适的打分矩阵和罚分准则较困 难
PILEUP是GCG(Genetics Computer Group) 软件包中的MSA分析工具 与CLUSTAL一样使用累进式整体比对方 法(Progressive Global Alignment) PILEUP开始的双序列比对使用 Needleman-Wunsch动态规划算法，所以 是全局序列比对，善于比较相似度较高 的序列
多序列比对
(Multiple Alignments)
我们为什么做多序列比对?
寻找蛋白质家族，识别多个序列的保守区 域
相似的蛋白质序列往往具有相似的结构与 功能 辅助预测新序列的二级或三级结构
可以直观地看到基因的哪些区域对突变敏 感 PCR引物设计
我们为什么做多序列比对?
分析多个序列的一致序列
用于进化分析，是用系统发育方法构建进 化树的初使步骤 寻找个体之间单核苷酸多态性(SNPs)
累进算法原理
Scerevisiae Celegans Drosophia Human Mouse [1] [2] [3] [4] [5] 0.640 0.634 0.327 0.630 0.408 0.420 0.619 0.405 0.469 0.289
1 对所有序列做双序列比 对，构建距离矩阵计算相 似性分数值 2 基于双序列距离矩阵， 构建一个进化树 3 依据进化树进行渐进比对
Enter a name for the CLUSTAL output file [anti.aln]:<rtn>
Enter name for new GUIDE TREE file [anti.dnd]:<rtn>
Start of Pairwise alignments Aligning... Sequences (1:2) Aligned. Score: 62 Sequences (1:3) Aligned. Score: 59 Sequences (1:4) Aligned. Score: 84 Sequences (1:5) Aligned. Score: 83 Sequences (2:3) Aligned. Score: 68 Sequences (2:4) Aligned. Score: 80 Sequences (2:5) Aligned. Score: 79 Sequences (3:4) Aligned. Score: 81 Sequences (3:5) Aligned. Score: 80 Sequences (4:5) Aligned. Score: 98 Guide tree file created: [anti.dnd] Start of Multiple Alignment There are 4 groups Aligning... Group 1: Sequences: 2 Score:1476 Group 2: Sequences: 3 Score:1499 Group 3: Sequences: 4 Score:1190 Group 4: Sequences: 5 Score:1404 Alignment Score 3470 Consensus length = 102 CLUSTAL-Alignment file created [anti.aln]
通过序列比对发现直系同源(Orthologs)与 旁系同源(Paralogs)基因 寻找同源基因(相似的序列往往具有同源 性)
多序列比对与进化研究例子
图中NYLS为树根
一个多序列比对例子
VTISCTGSSSNIGAG-NHVKWYQQLPG VTISCTGTSSNIGS--ITVNWYQQLPG LRLSCSSSGFIFSS--YAMYWVRQAPG LSLTCTVSGTSFDD--YYSTWVRQPPG PEVTCVVVDVSHEDPQVKFNWYVDG-ATLVCLISDFYPGA--VTVAWKADS-AALGCLVKDYFPEP--VTVSWNSG--VSLTCLVKGFYPSD--IAVEWWSNG--
局部序列比对
概形分析 (Profile Analysis) 区块分析 (Block Analysis) 统计学方法 (Statistical Methods）
在多序列比对前要考虑的问题
比对的优劣与序列条数正相关 避免在比对中包括相似度 >80%的序 列 每个亚群应分别先比对，然后再整体 比对
动态规划算法(Dynamic Programming)