【生物信息学第二版】序列比对
生物信息学-序列比对-实验报告
姓名
学号
专业年级
基础学院生物信息学教研室
题目
序列比对
日期
实验者
一、实验目的
掌握BLAST 2的使用和功能
了解点阵法进行双序列比对的优点
二、实验器材
电脑
三、方法与步骤
见下文
四、结果与讨论
1，例题中其它的最佳比对结果
2，用动态规划法找出两序列的所有最佳比对，要求写出详细过程。打分矩阵采用{（4，－3，－4}，即匹配得4分，不匹配得－3分，空位得－4分。序列1：AAAG，序列2：ACG。
61 GCCCCGGCTCAGGGCCAAGAACAGATGAGACAGCTGAGTGATGGGCCAAACAGGATATCT
121 GTGGTAAGCAGTTCCTGCCCCGGCTCGGGGCCAAGAACAGATGGTCCCCAGATGCGGTCC
序列2与序列3比对：两者为反向互补序列，可以发现可能的发夹状结构。
（1）给动态规划矩阵赋初值
0
A
A
A
Gபைடு நூலகம்
0
0
-4
-8
-12
-16
A
-4
C
-8
G
-12
（2）按照最优分的递归算法填充动态规划矩阵
0
A
A
A
G
0
0
-4
-8
-12
-16
A
-4
4
0
-4
-8
C
-8
0
1
-3
-7
G
-12
-4
-3
2
1
（3）从最后一个单元格开始，回溯最优化比对路径
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。
生物信学第三章序列比对
问：结构域D在2264个X金属蛋白中是显著 出现，显著不出现，还是随机出现？
例 3：超几何分布
打分模型
1. 字符相同：identity 2. 字符替代：similarity，相似性，氨基
P/NP/NPC问题
P问题： Polynomial Problems 可以在多项式( polynomial )时间内解决的问题; NP: “Non-deterministic Polynomial”,并非
“Non-Polynomial” 可以在多项式的时间里验证一个解的问题;
NPC: NP-complete
Nn
1.1591370e2818
例 3：超几何分布
非X金属蛋白 X金属蛋白 合计
不含结构域D N-M+m-n M-m
N-n
含结构域D n-m
m
n
合计
N-M
M
N
例 3：超几何分布
a+b+c+d=26873 c+d=2264 b+d=421 d=94
langsrud/fisher.htm
P value计算：
P (a = 3 | a+b=c+d=a+c=b+d=4 ) = 0.229 P (a = 4 | a+b=c+d=a+c=b+d=4 ) = 0.014
pvalu P(a e3)0.240 3.05 pvalu P(a e4)0.010 4.05
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（sequence alignment）是生物信息学中一项重要的任务，其目的是找出两个或多个生物序列中的相似性和差异性。
在生物信息的研究和应用中，序列比对算法起到了至关重要的作用。
本文将对生物信息学中的序列比对算法进行综述。
1. 引言序列比对是生物信息学中的一个基本问题，它在基因组学、蛋白质学、进化生物学等领域都得到了广泛的应用。
通过比对不同生物序列之间的相似性和差异性，可以进一步研究基因功能、蛋白质结构以及物种进化等重要问题。
因此，序列比对算法的研究具有重要的理论价值和实际意义。
2. 序列比对的基本概念在进行序列比对之前，首先需要了解序列之间的相似性和差异性的度量方法。
常用的序列相似性度量方法包括编辑距离、相似度百分比、贝叶斯统计等。
其中，编辑距离是一种常见的度量方式，它衡量了两个序列之间的差异程度。
3. 序列比对算法分类序列比对算法可以分为全局比对和局部比对两类。
全局比对算法着重于找出整个序列的相似性和差异性，常用的算法包括Needleman-Wunsch算法和Smith-Waterman算法。
而局部比对算法则注重于找出序列中的局部相似性和差异性，常用的算法有BLAST和FASTA。
4. 全局比对算法全局比对算法的核心思想是将两个序列通过插入、删除和替换等操作转化为相同长度的序列，然后计算它们的相似性得分。
Needleman-Wunsch算法是一种经典的全局比对算法，通过动态规划的方式找到序列之间的最佳比对方式。
Smith-Waterman算法是基于Needleman-Wunsch算法的改进，它将负得分和局部比对引入到全局比对中，提高了比对的准确性。
5. 局部比对算法局部比对算法主要用于序列中的片段比对，其核心思想是通过寻找序列中的相似片段来找出序列的结构和功能区域。
BLAST算法是一种常用的局部比对算法，它通过生成字典和索引的方式实现快速比对。
FASTA算法则是一种早期的局部比对算法，其基本原理是通过序列片段之间的kmer匹配来寻找相似性。
生物信息学的序列比对与基因表达分析
生物信息学的序列比对与基因表达分析序列比对和基因表达分析是生物信息学中两个重要的研究领域。
序列比对是指通过比较两个或多个生物序列的相似性和差异性，从中获取有关生物学功能和进化关系的信息。
基因表达分析则是研究在不同环境或发育阶段中基因的表达模式和水平，并探究其与生物特征的关联。
序列比对是生物信息学研究的核心工具之一，它能够揭示生物序列中的序列保守性、功能域和结构域等重要信息。
常见的序列比对方法包括全局比对、局部比对和多序列比对。
全局比对适用于两个序列较长且相似度较高的情况，如BLAST和Needleman-Wunsch算法；局部比对则对两个序列的最相似的片段进行比较，如Smith-Waterman算法。
多序列比对则可以用来比较三个或多个序列的相似性关系，通常应用于比较进化关系或寻找保守性结构域。
基因表达分析是通过分析基因在组织、细胞或生物体中的表达水平，探究它们在生物特征中的作用和调控机制。
现代基因表达分析通常利用高通量测序技术，如RNA测序和微阵列技术。
RNA测序能够直接获取各个基因的转录本信息和表达水平，可以用于鉴定差异表达基因和发现新的RNA分子。
而微阵列技术则通过检测杂交基因和参考基因的信号强度差异，来推断样本间基因的表达差异。
这些技术可以帮助研究人员识别不同组织、细胞或疾病状态下的关键基因，进而探索其在生物过程中的功能和调控网络。
序列比对和基因表达分析在科研和生物医学领域中有广泛的应用。
通过序列比对，研究人员可以比较基因组中的基因和序列变异，从而揭示物种间的亲缘关系、进化过程和功能变异。
序列比对还可以用来预测蛋白质结构和功能域，以及寻找特定序列、家族或重复元件。
基因表达分析则可以帮助研究人员理解不同组织或细胞类型之间的基因调控差异，鉴定致病基因和疾病进展的关键调控通路。
随着生物信息学技术的不断发展，序列比对和基因表达分析的方法和工具也在不断更新和优化。
例如，有更快速和准确的比对算法、基于机器学习的表达模式预测方法和功能注释工具，以及基于云计算和人工智能的大规模数据分析平台。
生物信息学第2版序列比对
四、RNA序列搜索
RNA序列比对/搜索算法可大致分成两类：
⑴ 查询序列（query）的结构未知，要找到数据库中 和其结构相近的同源序列。
第二节 比对算法概要
Section 2 Alignment Algorithms
一、替换计分矩阵
（一）通过点矩阵对序列比较进行计分
A.两条序列完全相同
B.两条序列有一个共同的子序列
C.两条序列反向匹配
D.两条序列存在不连续的两条子序列
（二）DNA序列比对的替换计分矩阵
➢ 等价矩阵（unitary matrix） ➢ 转换-颠换矩阵（transition-transversion mat质序列比对的替换计分矩阵
➢ 等价矩阵 ➢ 遗传密码矩阵（GCM） ➢ 疏水性矩阵（hydrophobic matrix ） ➢ PAM矩阵 ➢ BLOSUM矩阵
➢ PAM矩阵是从蛋白质序列的全局比对结果推导出来 的，而BLOSUM 矩阵则是从蛋白质序列块（短序 列）比对推导出来的。
BLAST算法图示
二、衍生BLAST
（一）PSI-BLAST
➢ 主要用于搜索与感兴趣的蛋白质关系较远的蛋白质。
（二）PHI-BLAST
➢ 用来帮助判断这个蛋白质属于哪个家族。
（三）BLASTZ
➢ BLASTZ是在比对人和鼠的基因组中发展起来的， 它适合于比对非常长的序列。
三、BLAT
➢ BLAT（The BLAST-Like Alignment Tool）与 BLAST搜索原理相似，但发展了一些专门针对全 基因组分析的技术。
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。
生物信息学中的序列比对和分析
生物信息学中的序列比对和分析序列比对和分析是生物信息学中非常基础和重要的一项研究内容。
通过比对和分析序列，可以发现序列之间的相似性和差异性，进而研究生物进化、遗传、表达等方面的问题。
本文将从序列比对和分析的意义、比对方法、分析工具和应用实例等几个方面进行讨论。
一、序列比对的意义和方法序列比对是一种比较两个或多个序列相似度的方法，通过比较序列的相同和不同部分，可以获得有关序列功能、结构和进化的信息。
序列比对的主要目的是确定两个序列之间的相似性程度，从而推断它们的共同祖先、结构和功能。
因此，序列比对是研究生物学、医学和生物工程等领域的必要手段。
序列比对的方法主要包括全局比对和局部比对两种。
全局比对是将一整个序列与另一个序列比对，得到两序列的整体相似性程度。
一般要求两序列中的相似部分要尽可能多，而不注重不同部分的对齐。
常用的全局比对算法有Needleman-Wunsch算法和Smith-Waterman算法。
局部比对是寻找两个序列中任意长度的子序列之间的相似性。
与全局比对不同，局部比对更注重相同的局部片段，忽略不同的片段。
局部比对算法有BLAST和FASTA等。
二、序列分析的工具和方法序列分析是通过对比对后的序列进行进一步分析，获得生物信息的过程。
序列分析的主要内容包括序列注释、序列搜索、序列聚类和序列比较等。
序列分析的方法和工具主要包括多序列比对、单序列比对、序列搜索、聚类分析、进化树分析和功能预测等。
多序列比对是将多个序列进行比对，得到这些序列之间的共同特征和差异。
常用的多序列比对工具有Clustal X和MUSCLE等。
单序列比对是将一个序列和已知的库中所有序列进行比对，以查找相似性和相关性。
常用的单序列比对工具有BLAST和PSI-BLAST等。
序列搜索是在一个已知的序列库中搜索相似的序列。
常用的工具有HMMER、PhyloGenie等。
聚类分析是将相似的序列放在一起形成聚类，便于分析相关性。
第2讲 生物信息学算法：序列比对
A
0
0
Fi 1, j 1
Fi, j 1 G
0
s xi , y j
d
C
0
Fi 1, j
d
Fi, j
A CGT
A 2 -7 -5 -7
C -7 2 -7 -5
A
A
G
G -5 T -7
-7 2 -7 -5 -7 2
0
0
0
0
空位起始 (d) = 延伸 (e) = -5 A
0
2
2
0
G
0
0
0
4
0
Fi 1, j 1
Fi, j 1 C
0
0
0
0
s xi , y j
d
Fi 1, j
d
Fi, j
A CGT
A 2 -7 -5 -7
C -7 2 -7 -5
A
A
G
G -5 T -7
-7 2 -7 -5 -7 2
0
0
0
0
空位起始 (d) = 延伸 (e) = -5 A
0
2
2
0
G
0
0
0
4
0
Fi 1, j 1
Fi, j 1 C
Fi, j 1
s xi , y j
d
Fi 1, j
d
Fi, j
嘌呤 嘧啶
转换
A
G
颠换
C
T
A
C
G
T
A
2
-7
-5
-7
C
-7
2
-7
-5
G
-5
-7
2
生物信息学中的序列比对与进化树构建
生物信息学中的序列比对与进化树构建生物信息学是一门涉及生命科学和计算科学的交叉学科，其应用在分子生物学、生物医学、生态学、进化论、生物技术等诸多领域中。
序列比对和进化树构建是生物信息学的重要组成部分，是理解生物学进化的重要途径之一。
一、序列比对序列比对是将两个或多个蛋白质或核酸序列究竟有多少相同、多少不同进行比较的过程。
序列比对在生物学中极其重要，因为它可以帮助科学家确定两个生物物种之间的相似性，进而推断它们之间的亲缘关系以及共同祖先的时间。
序列比对中最基础和常用的方法是全局比对和局部比对。
全局比对试图比较两个序列的完整长度，一般用于比较相似性较高的序列，它最先被应用于分析DNA和蛋白质，是序列比对过程中最古老、最经典的算法方法。
而局部比对则更注重比较两个序列中的相似区域，忽略其中任何间隔，通常用于比较两个较短的序列或者两个相对较不相关的序列。
例如，在核酸序列比对中，这种算法更适用于获取多个剪接变异或者重复序列之间的相似性。
另外，序列比对有一个关键问题，就是如何准确的衡量两条序列的相似性和相异性。
在这方面有很多方法，例如编辑距离、盒子型、PAM矩阵、BLOSUM 矩阵等等，其中都采用了不同的评分标准。
二、进化树构建进化树（Phylogenetic Tree）是用来表示生物物种间亲缘关系的结构，也称演化树或家谱树。
进化树是通过对基于DNA和RNA等生物分子序列进行分析，推导出各物种之间共同祖先的关系构建起来的，同时它也综合了形态、系统和分子信息等其他生物学数据。
进化树的构建过程中涉及许多算法，其中最基础的是贪心算法。
贪心法从序列的最初状态开始，一步步选择最佳的演化路径，最终得到最优的进化树；而Neighborhood-joining (NJ)算法则是以序列之间的 Jukes-Cantor 模型距离或 Kimura 二参数模型距离为基础，使用最小进化步骤（Minimum Evolution，ME）标准构建进化树，是目前应用比较广泛的算法。
生物信息学第二版 序列比对
动态规划法示意 （A）使用动态规划法寻找两个序列的最长公共部分；
（B）动态规划表的填写。
四、序列比对的作用
获得共性序列 序列测序 突变分析 种系分析 保守区段分析 基因和蛋白质功能分析
其他多序列全局比对方法
迭代法 基于一致性的方法 遗传算法
五、多序列局部比对
全局比对，其共同特征是序列中所有对应字符均假 定可以匹配，所有字符具有同等的重要性，空格的 插入是为了使整个序列得到比对，包括使两端对齐。
局部比对不假定整个序列可以匹配，重在考虑序列 中能够高度匹配的一个区段，可赋予该区段更大的 计分权值，空格的插入是为了使高度匹配的区段得 到更好的比对。
对于一个比对，不论使用什么计分函数进行计分， 相似性被定义为总等值于最大的计分：
对于k个序列，如果用一个函数cost（）对每一列
的所有替换操作进行计分，则多个序列之间的距 离等值于最小的计分：
对相似性的计分
编辑距离（edit distance）：一般用海明距离表示。
三、算法实现的比对
二、相似与距离的定量描述
相似性可定量地定义为两个序列的函数，即它可有 多个值，值的大小取决于两个序列对应位置上相同 字符的个数，值越大则表示两个序列越相似。
编辑距离（edit distance）也可定量地定义为两 个序列的函数，其值取决于两个序列对应位置上差 异字符的个数，值越小则表示两个序列越相似。
核苷酸转换矩阵
（三）蛋白质序列比对的替换计分矩阵
等价矩阵 遗传密码矩阵（GCM） 疏水性矩阵（hydrophobic matrix ） PAM矩阵 BLOSUM矩阵
《序列比对》课件
BLAT软件是一种用于比对大型 基因组序列的工具，特别适合 于人类基因组的和快速的特点 ，能够处理大型基因组数据集 。
BLAT软件支持多种输出格式， 方便用户进行后续的数据分析 和可视化。
Mauve软件
Mauve软件是一种基于可视化比 较基因组序列的工具，可用于识 别基因组序列中的结构变异和多
通过序列比对，农业领域可以更准 确地鉴定和选择优良品种，促进农 业生产的可持续发展。
新技术的融合与交叉学科的发展
人工智能与机器学习
人工智能和机器学习技术在序列比对中的融合应用将进一步增强 比对的自动化和智能化程度。
大数据处理与分析
大数据技术的引入将有助于处理大规模的序列数据，挖掘其中的潜 在信息和规律。
随着计算资源的不断升级，算法的可 扩展性成为关键。研究将关注如何设 计出能够适应不同计算环境的算法。
应用领域的拓展
生物信息学
随着基因组学、蛋白质组学等领 域的快速发展，序列比对在生物
信息学中的应用将更加广泛。
医学诊断
基于序列比对的诊断方法将更加精 准和快速，有助于提高医学诊断的 准确性和效率。
农业育种
态性。
Mauve软件采用图形界面，易于 使用，支持多种数据格式和比对
算法。
Mauve软件能够识别出基因组序 列中的插入、删除、倒位和易位 等变异，对于基因组学和进化生
物学研究具有重要意义。
其他软件工具介绍
01
其他常用的序列比对软件工具还 包括GATK、SAMtools、Picard 等，这些工具在基因组学和生物 信息学领域中也有广泛的应用。
序列比对的原理
基于动态规划的算法：通过构建 一个矩阵，将两个序列的每个对 应位置进行比较，计算它们之间
生物信息学中的比对算法及其应用
生物信息学中的比对算法及其应用生物信息学是一门涉及生命科学、计算机科学和统计学等多个领域的交叉学科，它主要研究生物分子（如DNA、RNA和蛋白质）的序列、结构和功能等问题。
其中，生物序列的比对是生物信息学中最基础也是最常用的技术之一，它可以帮助研究人员确定生物序列之间的相似性和差异性，从而深入理解生物分子的进化、结构和功能等问题。
本文将介绍生物信息学中的比对算法及其应用。
一、序列比对的基本概念和应用在生物学中，序列比对（Sequence Alignment）是指将两个或多个生物序列进行对比，从而找出它们之间的相似性和不同点。
一般来说，如果两个生物序列的相似性越高，它们就越有可能有相似的生物功能或结构。
生物序列比对的应用非常广泛，包括以下几个方面：1.基因组学和转录组学研究：比对不同生物个体或不同组织在基因组或转录组水平上的序列，可以帮助研究人员深入了解基因的进化、表达与调控等问题；2.疾病基因变异分析：比对不同个体的基因组序列，可以帮助研究人员确定可能的致病基因及其突变机制；3.蛋白质相似性和结构预测：比对不同蛋白质的序列或结构，可以帮助研究人员预测它们之间的结构和功能相关性。
二、生物序列比对的方法目前，生物序列比对的方法主要有两种：全局比对和局部比对。
1.全局比对：全局比对是将两个序列的整个长度进行比对。
全局比对方法一般采用穷举法或动态规划算法，其中经典的比对算法是Needleman-Wunsch算法，其时间复杂度为O(N^2)，空间复杂度为O(N^2)。
全局比对可以明确的描述两个序列的相似性和区别之处，但是对于较大的序列或多个序列的比对效率较低。
2.局部比对：局部比对是选取两个序列中相似的一部分进行比对。
局部比对方法一般采用贪心算法或动态规划算法，其中经典的比对算法是Smith-Waterman算法，其时间复杂度为O(N^2)，空间复杂度为O(N^2)。
局部比对对于较大的序列或多个序列比对效率较高，但是无法明确地描述整个序列的相似性。
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在生物信息学的世界里，序列比对算法就像是一把钥匙，打开了基因组学和蛋白质组学的宝藏。
想象一下，当我们面对成千上万的DNA或蛋白质序列时，如何找到它们之间的相似性和差异性？这就是序列比对算法的魅力所在。
序列比对的历史可以追溯到上世纪70年代，那时科学家们开始意识到，生物序列之间的相似性可以揭示它们的进化关系。
最早的算法之一是“全局比对算法”，它通过对齐两个序列的每一个字符，寻找最优匹配。
这种方法虽然简单，但在处理长序列时效率较低，容易导致计算时间的爆炸性增长。
随着技术的发展，出现了“局部比对算法”，如著名的Smith-Waterman算法。
这个算法的核心思想是只关注序列中最相似的部分，极大地提高了比对的效率。
想象一下，就像在一片茫茫的海洋中，找到一条闪闪发光的鱼，而不是试图捕捉每一条鱼。
这种局部比对的策略，使得我们能够快速识别出重要的生物学信息。
除了这些经典算法，近年来，随着计算能力的提升和大数据的兴起，基于机器学习的比对算法也逐渐崭露头角。
这些算法通过训练模型，能够在海量数据中自动识别出序列之间的复杂关系，甚至可以预测未知序列的功能。
这就像是给科学家们装上了一双“透视眼”，让他们能够更清晰地看到生物序列的奥秘。
当然，序列比对算法并不是完美无缺的。
它们在处理重复序列、插入和缺失等问题时，仍然面临挑战。
但正是这些挑战，推动着研究者们不断探索和创新，寻求更高效、更准确的比对方法。
总之，序列比对算法在生物信息学中扮演着至关重要的角色。
它们不仅帮助我们理解生命的基本构建块，还为新药研发、疾病诊断等领域提供了强有力的支持。
随着科学技术的不断进步，我们有理由相信，序列比对算法将继续演化，带领我们走向更广阔的生物学新天地。
生物信息学序列比对
20种氨基酸的相对突变能力
Ala: 主观的设定为100
PAM1的数值
氨基酸改变 概率值
PAM2矩阵
• 1. 基本假设：每个氨基酸的突变的概率独立 于前次突变。因此，PAM2=PAM1*PAM1
PAM250矩阵
• 1. PAM250: 250%的期望的突变； • 2. 蛋白质序列仍然有15-30%左右的相似性， 例如：
The Concepts of Orthology and Paralogy
Orthologs and Paralogs are two types of homologous sequences. Orthology describes genes in different species that derive from a common ancestor. Orthologous genes may or may not have the same function. Paralogy describes homologous genes within a single species that diverged by gene duplication.
序列比较是如何进行的？
----打分矩阵的原理(Principles of Scoring Matri ces) • Blosum矩阵(The Blosum matrices) 再以簇群方式将不同进化距离整合进方案内：当两 个序列排比的匹配率高于某个阈值时便归为一个簇 群。不断将匹配率高于阈值的序列加入簇群内。然 后将簇群内所有序列平均。通过簇群方式使得关系 紧密的序列在匹配率表中的权重减少，而且随着阈 值的减小而减小，从而也象PAM矩阵系列一样产生 一系列的矩阵。 这个矩阵称为Blosum矩阵。用一个指数来指示簇群 的阈值水平，即Blosum80指将序列区间归为簇群 时以80%匹配率为阈值。Blosum62最接近于PAM2 50。
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。
生物信息学课件2-双序列比对
V
E S L C Y
1gap
2gap …
本例：线性罚分
r ( g ) gd
Bioinformatics, 2007-2008, Semester 1, USTC
全局比对 (2)
Gap Gap 0 V -11 D -22 S -33 C -44 Y -55
Bioinformatics, 2007-2008, Semester 1, USTC
R S T V W Y Z 0.4 0.0 -0.4 0.0 0.0 -0.8 0.2 -0.2 -0.2 -0.2 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.0 -0.4 0.2 0.2 0.0 -1.2 -0.6 0.0 A 0.5 -0.9 0.6 0.4 -1.0 0.1 0.3 -0.4 0.1 -0.7 -0.5 0.4 -0.2 0.3 -0.1 0.1 0.0 -0.4 -1.1 -0.6 0.4 B 2.4 -1.0 -1.0 -0.8 -0.6 -0.6 -0.4 -1.0 -1.2 -1.0 -0.8 -0.6 -1.0 -0.8 0.0 -0.4 -0.4 -1.6 0.0 -1.0 C 0.8 0.6 -1.2 0.2 0.2 -0.4 0.0 -0.8 -0.6 0.4 -0.2 0.4 -0.2 0.0 0.0 -0.4 -1.4 -0.8 0.5 D 0.8 -1.0 0.0 0.2 -0.4 0.0 -0.6 -0.4 0.2 -0.2 0.4 -0.2 0.0 0.0 -0.4 -1.4 -0.8 0.6 E 1.8 -1.0 -0.4 0.2 -1.0 0.4 0.0 -0.8 -1.0 -1.0 -0.8 -0.6 -0.6 -0.2 0.0 1.4 -1.0 F 1.0 -0.4 -0.6 -0.4 -0.8 -0.6 0.0 -0.2 -0.2 -0.6 0.2 0.0 -0.2 -1.4 -1.0 -0.1 G 1.2 -0.4 0.0 -0.4 -0.4 0.4 0.0 0.6 0.4 -0.2 -0.2 -0.4 -0.6 0.0 -0.4 H 1.0 -0.4 0.4 0.4 -0.4 -0.4 -0.4 -0.4 -0.2 0.0 0.8 -1.0 -0.2 -0.4 I 1.0 -0.6 0.0 0.2 -0.2 0.2 0.6 0.0 0.0 -0.4 -0.6 -0.8 0.1 K 1.2 0.8 -0.6 -0.6 -0.4 -0.6 -0.6 -0.4 0.4 -0.4 -0.2 -0.5 L 1.2 -0.4 -0.4 -0.2 0.0 -0.4 -0.2 0.4 -0.8 -0.4 -0.3 M 0.4 -0.2 0.2 0.0 0.2 0.0 -0.4 -0.8 -0.4 0.2 N 1.2 0.0 0.0 0.2 0.0 -0.2 -1.2 -1.0 -0.1 P 0.8 0.2 -0.2 -0.2 -0.4 -1.0 -0.8 0.6 Q 1.2 0.0 -0.2 -0.4 0.4 -0.8 0.6 R 0.4 0.2 -0.2 -0.4 -0.6 -0.1 S 0.6 0.0 -1.0 -0.6 -0.1 T 0.8 -1.2 -0.4 -0.4 V PAM250矩阵 3.4 0.0 -1.2 W 2.0 -0.8 Y 0.6 Z
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。
生物信息学中的序列比对
生物信息学中的序列比对序列比对是生物信息学领域中最基本的分析方法之一。
它是比较两个或多个基因组序列（DNA，RNA或蛋白质序列）的相似性和差异性的过程。
序列比对是理解生物学系统、基因组演化和基因表达调控的首要步骤。
序列比对的基本原理是将两个序列对齐并找出它们之间的匹配点，然后计算匹配点的相似性得分。
这个匹配点是由共同的核苷酸或氨基酸构成的，它们在序列中与匹配序列中的对应位置相同。
比对后的即为相似区域或保守区域，区域中的差异基本上包括插入、缺失和突变。
这些区域可以揭示两个序列之间的进化关系或功能差异。
序列比对的应用十分广泛。
它可以用于比较同一物种不同个体或不同品系之间的基因组序列；也可以用于比较物种间的基因组序列，了解它们之间的差异，推测它们之间的进化历史。
此外，序列比对也可以用于寻找重复序列、反转转录转座子或功能相关的序列元件。
序列比对在生物信息学研究中的作用不可低估。
随着技术的不断发展，目前有很多序列比对的软件和工具可供选择。
这些工具的选择取决于所需的比对类型、计算资源和准确性。
传统的序列比对方法主要基于动态规划（DP）算法，例如Smith-Waterman算法和Needleman-Wunsch算法。
这些算法可以找到最优的比对方案，但计算时间和计算资源的消耗较大。
因此，对于大规模基因组序列比对，这种方法变得不太可行。
随着第二代测序技术的发展，序列数据的数量迅速增加，有许多高通量的，快速且可扩展的序列比对工具被开发出来。
这些工具基于不同的比对策略，包括基于Hash函数、BWT（Burrows-Wheeler Transform）和FM索引的方法。
其中受到广泛应用的工具包括Bowtie2、BWA和STAR等。
除了传统的序列比对之外，还有一些新的比对方法——ribosome profiling（核糖体剖析法）。
核糖体剖析法是一种研究蛋白质翻译调控的技术，可以直接测量翻译过程中核糖体在mRNA 上的位置。
【生物信息学第二版】序列比对
生物信息学
第二章
序列比对
南方医科大学 吉on 1
言
Introduction
一 、同源、相似与距离
（一） 同源
两个序列享有一个共同的进化上的祖先，则这两 个序列是同源的。 对于两个序列，他们或者同源或者不同源，不能 说他们70%或80%同源。
列比对具有较高效率。最流行的渐进多序列比对软 件是Clustal家族。
ClustalW有以下特点：
首先，在比对中对每个序列赋予一个特殊的权值以
降低高度近似序列的影响和提高相距遥远的序列的 影响（如下图）。
ClustalW中对序列赋权的方法
其次，根据序列间进化距离的离异度（divergence） 在比对的不同阶段使用不同的氨基酸替换矩阵； 第三，采用了与特定氨基酸相关的空缺（gap）罚分 函数，对亲水性氨基酸区域中的空缺予以较低的罚分； 第四，对在早期配对比对中产生空缺的位置进行较少 的罚分，对引入空缺和扩展空缺进行不同的罚分。
三、BLAT
BLAT（The BLAST-Like Alignment Tool）与 BLAST搜索原理相似，但发展了一些专门针对全 基因组分析的技术。 BLAT的优点在于速度快，其比对速度要比BLAST 快几百倍，其根本原因在于: BLAST是将查询序列
索引化，而BLAT则是将搜索数据库索引化，
二、相似与距离的定量描述
相似性可定量地定义为两个序列的函数，即它可有
多个值，值的大小取决于两个序列对应位置上相同 字符的个数，值越大则表示两个序列越相似。 编辑距离（edit distance）也可定量地定义为两个 序列的函数，其值取决于两个序列对应位置上差异 字符的个数，值越小则表示两个序列越相似。
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➢ 其次，根据序列间进化距离的离异度（divergence） 在比对的不同阶段使用不同的氨基酸替换矩阵；
➢ 第三，采用了与特定氨基酸相关的空缺（gap）罚分 函数，对亲水性氨基酸区域中的空缺予以较低的罚分；
➢ 第四，对在早期配对比对中产生空缺的位置进行较少 的罚分，对引入空缺和扩展空缺进行不同的罚分。
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41
BLAST算法图示
B
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二、衍生BLAST
（一）PSI-BLAST
➢ 主要用于搜索与感兴趣的蛋白质关系较远的蛋白质。
（二）PHI-BLAST
➢ 用来帮助判断这个蛋白质属于哪个家族。
（三）BLASTZ
➢ BLASTZ是在比对人和鼠的基因组中发展起来的， 它适合于比对非常长的序列。
B
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三、BLAT
B
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➢ 对于接近或超过100个序列的多序列比对，渐进多序 列比对具有较高效率。最流行的渐进多序列比对软 件是Clustal家族。
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ClustalW有以下特点： ➢ 首先，在比对中对每个序列赋予一个特殊的权值以
降低高度近似序列的影响和提高相距遥远的序列的 影响（如下图）。
ClustalW中对序列赋权的方法
B
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二、主要比对软件
B
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三、EBI中的序列比对工具
双序列比对
特性 Global alignment Global alignment
工具 Needle Stretcher
Local alignment
Water
Local alignment Local alignment Genomic alignment Genomic alignment
BLAT在线工具 输入界面
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BLAT在线工具 输出结果
B
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第五节
比对技术的发展
Section 5 Advances of Alignment Techniques
B
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一、glocal 比对
两个序列的局部、全局和glocal比对所对应的路径
B
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二、全基因组比对
➢ 全基因组比对主要揭示多个序列中保守的和非保守 的区段以及这些区段在基因组中的分布特征，这里 主要介绍UCSC基因组浏览器（The UCSC Genome Browser）中的全基因组比对方法。
B
25
得分矩阵
B
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三、双序列局部比对
➢ 处理子序列与完整序列（或短序列与长序列）比对 的一般过程是：设短序列a和长序列b，它们的长度 分别为La和Lb，比对是在b序列中寻找La长度的a序 列的过程。
B
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四、多序列全局比对
多序列比对主要涉及四个要素： ①选择一组能进行比对的序列（要求是同源序列）； ②选择一个实现比对与计分的算法与软件； ③确定软件的参数； ④合理地解释比对的结果；
B
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一、经典BLAST
• 基本的BLAST算法本身很简单，它的要点是片段 对（segment pair）的概念，它是指两个给定序列 中的一对子序列，它们的长度相等，且可以形成 无空格的完全匹配。
B
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BLAST的查询序列和数据库的类型
程序名 查询序列 数据库类型
方法
blastp 蛋白质 blastn 核酸 blastx 核酸
B
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对2个序列进行全局和局部比对可得到完全不同的结果
B
36
基于隐马尔可夫模型的多序列比对方法
隐马尔可夫模型和3个蛋白质序列PHSFTYVMT、
PGSFTYW、RFTGFW的最小公共超图
B
37
六、比对的统计显著性
确定比对得分score是否偶然： 1.将β球蛋白或肌球蛋白与大量非同源的蛋白质做比
B
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四、RNA序列搜索
RNA序列比对/搜索算法可大致分成两类：
⑴ 查询序列（query）的结构未知，要找到数据库中 和其结构相近的同源序列。
B
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⑵ 利用查询序列的结构信息，在结构信息的使用上 又可以细分为：
(a) 通过构建一个描述RNA序列共性结构的概率模型 进行数据库检索；
(b) 基于索引（index）或者模体（motif）描述的方 法定义rna结构或共性结构，并进行数据库搜索。
第四节
比对软件、参数与数据资源
Section 4 Alignment Software， Parameter and Resource
B
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一、参数选择的一般原则
空格罚分涉及几个问题： ①空格罚分是否大于失配罚分； ②不同大小空缺的罚分； ③空格的引入与延伸是否予以不同罚分。
B
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如果一次数据库搜索产生了太多的返回结果，可采取 如下措施：
B
22
二、双序列全局比对
动态规划算法的思想
⑴ a, b是使用某一字符集∑的序列（DNA 或蛋白质 序列）；
⑵ m = a的长度； ⑶ n = b的长度；
⑷ S（i,j） 是按照某替换计分矩阵得到的前缀a[1...i]
与b[1...j]最大相似性得分；
B
23
⑸ w（c,d）是字符c和d按照替换计分矩阵计算的得分。
10
三、算法实现的比对
➢ 用计算机科学的术语来说，比对两个序列就是找出 两个序列的最长公共子序列（longest common subsequence，LCS），它反映了两个序列的最高 相似度。
B
11
动态规划法示意
（A）使用动态规划法寻找两个序列的最长公共部分；
（B）动态规划表的填写。
B
12
四、序列比对的作用
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
B
4
➢ 同源可分为垂直同源（ortholog）和水平同源（paralog）
垂直同源与水平同源
B
5
（二）相似性与距离
➢ 相似性、距离：是两个定量描述多个序列相似度 的度量。
➢ 相似性：被比对序列之间的相似程度。 ➢ 距离：被比对序列间的差异程度。 ➢ 相似性既可用于全局比对也可用于局部比对，而
距离一般仅用于全局比对，因为它反映了把一个 序列转换成另一个序列所需字符替换的耗费。
B
16
C.两条序列反向匹配
B
17
D.两条序列存在不连续的两条子序列
B
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（二）DNA序列比对的替换计分矩阵
➢ 等价矩阵（unitary matrix） ➢ 转换-颠换矩阵（transition-transversion matrix） ➢ BLAST矩阵
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核苷酸转换矩阵
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20
（三）蛋白质序列比对的替换计分矩阵
B
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五、数据库搜索的统计显著性
➢ 一个典型的BLAST搜索的输出包括E值和得分， 后者又分原始得分（raw scores）和比特得分（bit scores）。 P=1-e-E
• P值和E值是反映比对显著性的两种不同方式， 大部分BLAST在线服务使用E值而非P值来定 义搜索的统计学显著性。
B
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⑴ 使用参考序列（带“refseq”的）数据库，这样可减 少许多冗余结果；
⑵ 使查询序列只包含一个结构域，减少多结构域带 来的多匹配；
⑶ 根据查询序列与数据库序列的关系使用更合适的 替换计分矩阵；
⑷ 降低E值。
B
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➢ 如果一次数据库搜索产生了太少的返回结果，可 采取如下措施：
⑴ 提高E值； ⑵ 使用更大的PAM矩阵或更小的BLOSUM矩阵； ⑶ 减小字长以及减小阈值。
生物信息学
生物信息学
第二章 序列比对
南方医科大学 朱浩
吉林大学
李瑛
第一节 引 言
Section 1 Introduction
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一 、同源、相似与距离
（一） 同源
➢ 两个序列享有一个共同的进化上的祖先，则这两 个序列是同源的。
➢ 对于两个序列，他们或者同源或者不同源，不能 说他们70%或80%同源。
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UCSC基因组浏览器中所采用的多序列比对在多方面作 了改进 ➢ 首先，它采用了参照序列（reference sequence），
使用BLASTZ将每一个序列与参照序列进行局部配 对比对，参照序列中的一个碱基比对另一个序列中 的至多一个碱基。 ➢ 其次，依据计分矩阵和两序列的种系关系，对配对 比对的结果进行所谓的“串连”（chaining）和“连网” （netting）。 ➢ 接着，UCSC基因组浏览器使用MULTIZ对多个“串 连”的配对比对进行渐进多序列比对。
➢ 获得共性序列 ➢ 序列测序 ➢ 突变分析 ➢ 种系分析 ➢ 保守区段分析 ➢ 基因和蛋白质功能分析
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第二节 比对算法概要
Section 2 Alignment Algorithms
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一、替换计分矩阵
（一）通过点矩阵对序列比较进行计分
A.两条序列完全相同
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B.两条序列有一个共同的子序列
➢ 与双序列比对一样，多序列比对也有全局比对 和局部比对。
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（一）动态规划法进行多序列比对
计算三序列比对
（A）计算三个序列间的一个比对单元（i,j,k）依赖于其7个前导项；
（B）计算u=ATGTTAT，v=ATCGTAC，w=ATGC三序列比对的三
维得分矩阵δ。
B
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（二）渐进多序列比对
三个序列的配对比对未必能组合成一个多序列比对
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➢ 对于一个比对，不论使用什么计分函数进行计分， 相似性被定义为总等值于最大的计分：
➢ 对于k个序列，如果用一个函数cost（）对每一列 的所有替换操作进行计分，则多个序列之间的距 离等值于最小的计分：