生物信息學(xué)2016-9-序列比對(duì)

1、Liaoning University Bioinformatics 生物信息學(xué)生物信息學(xué)Life Science SchoolHongsheng Liu Prof.Liaoning University Bioinformatics 第第三三章：章：序列比對(duì)序列比對(duì)Liaoning University Bioinformatics 序列比對(duì)的基本概念序列比對(duì)的基本概念 打分矩陣打分矩陣 序列比對(duì)算法序列比對(duì)算法 序列序列比對(duì)軟件使用方法介紹比對(duì)軟件使用方法介紹Liaoning University Bioinformatics 序列比對(duì)軟件使用方法介紹序列比對(duì)軟件使用方法介紹Liaonin

2、g University Bioinformatics 一致性：一致性指兩個(gè)序列相同的程度。保守性：某一氨基酸殘基或序列的改變（突變）保持了原始氨基酸殘基的物理化學(xué)特征，那么這個(gè)突變就是保守的。相似性：相似性表示序列之間相關(guān)聯(lián)的程度。與一致性比較相似性進(jìn)一步考慮了發(fā)生保守突變的氨基酸的數(shù)目，即考慮了相似氨基酸的數(shù)目。同源性：如果兩個(gè)序列是來(lái)源于一個(gè)共同的祖先，那么他們是同源的。內(nèi)容回顧內(nèi)容回顧Liaoning University Bioinformatics l匹配：匹配：豎線（豎線（| |）l相似：相似：雙點(diǎn)（雙點(diǎn)（: :）l較弱的相似：較弱的相似：?jiǎn)吸c(diǎn)（單點(diǎn)（. .）l空位：空位：短橫線

3、（短橫線（- -）l不相似的替換：不相似的替換：空白空白序列比對(duì)結(jié)果的表示方法Liaoning University Bioinformatics 兩序列進(jìn)行比對(duì)，通常使一個(gè)得分矩陣（兩序列進(jìn)行比對(duì)，通常使一個(gè)得分矩陣（scoring scoring matixmatix）來(lái)計(jì)算比對(duì)的分值，以得到一個(gè)評(píng)價(jià)優(yōu)劣的）來(lái)計(jì)算比對(duì)的分值，以得到一個(gè)評(píng)價(jià)優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)。 核酸的得分矩陣：核酸的得分矩陣：等價(jià)矩陣、等價(jià)矩陣、BLASTBLAST矩陣矩陣 蛋白質(zhì)的得分矩陣：蛋白質(zhì)的得分矩陣：等價(jià)矩陣、等價(jià)矩陣、PAMPAM矩陣、矩陣、BLUSOMBLUSOM矩矩陣陣 存在空位（存在空位（GapGap）是要

4、進(jìn)行空位罰分（）是要進(jìn)行空位罰分（Gap penaltyGap penalty）Liaoning University Bioinformatics 序列比對(duì)常用軟件使用方法序列比對(duì)常用軟件使用方法l點(diǎn)陣法：點(diǎn)陣法：http:/myhits.isb-sib.ch/cgi-bin/dotlethttp:/myhits.isb-sib.ch/cgi-bin/dotletl動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法: : 全局序列比對(duì)：全局序列比對(duì)：Needleman-WunschNeedleman-Wunsch算法算法http:/www.ebi.ac.uk/Tools/psa/emboss_needle/http:

5、/www.ebi.ac.uk/Tools/psa/emboss_needle/局部局部序列比對(duì)序列比對(duì)：Smith-Waterman算法算法http:/www.ebi.ac.uk/Tools/psa/emboss_water/http:/www.ebi.ac.uk/Tools/psa/emboss_water/雙序列比對(duì)常用軟件雙序列比對(duì)常用軟件Liaoning University Bioinformatics l全局比對(duì)：全局比對(duì)：對(duì)序列從頭到尾進(jìn)行比較。試圖使盡可能對(duì)序列從頭到尾進(jìn)行比較。試圖使盡可能多的字符在同一序列中匹配。全局比對(duì)適用于相似度多的字符在同一序列中匹配。全局比對(duì)適用于相

6、似度較高而長(zhǎng)度相近的序列。較高而長(zhǎng)度相近的序列。例子例子1 1：使用：使用Needleman-WunschNeedleman-Wunsch算法對(duì)人算法對(duì)人RBP4RBP4蛋白和小鼠蛋白和小鼠RBP4RBP4蛋白進(jìn)行全局比對(duì)蛋白進(jìn)行全局比對(duì) 首先在UNIPROT數(shù)據(jù)庫(kù)（ /）中下載人RBP4蛋白（P02753）和小鼠RBP4蛋白（Q00724）的氨基酸序列 然后打開(kāi)Needleman-Wunsch算法程序（Needle）的在線服務(wù)器網(wǎng)址 把人RBP4序列和小鼠RBP4序列分別粘貼到兩個(gè)文本框中 如果需要可以調(diào)整比對(duì)的參數(shù)，如：得分矩陣，空位罰分等 然后提

7、交具體步驟：具體步驟：Liaoning University Bioinformatics 粘貼序列粘貼序列粘貼序列粘貼序列修改參數(shù)修改參數(shù)提交提交Liaoning University Bioinformatics 人人RBP4RBP4蛋白和小鼠蛋白和小鼠RBP4RBP4全局序列比對(duì)全局序列比對(duì)結(jié)果結(jié)果一致性一致性相似性相似性空位空位得分得分序列比對(duì)結(jié)果序列比對(duì)結(jié)果Liaoning University Bioinformatics l局部比對(duì)：局部比對(duì)：尋找序列中相似度最高的區(qū)域，也就是匹尋找序列中相似度最高的區(qū)域，也就是匹配密度最高的部分。局部比對(duì)適用于某些部位相似度配密度最高的部分。局

8、部比對(duì)適用于某些部位相似度較高，而其他部位差異較大的序列。較高，而其他部位差異較大的序列。例子例子2 2：使用：使用Smith-WatermanSmith-Waterman算法對(duì)人算法對(duì)人RBP4RBP4蛋白和人蛋白和人lipocalin1lipocalin1蛋白進(jìn)行局部比對(duì)蛋白進(jìn)行局部比對(duì) 首先在UNIPROT數(shù)據(jù)庫(kù)中下載人RBP4蛋白（P02753）和人lipocalin1蛋白（P31025）的氨基酸序列 然后打開(kāi)Smith-Waterman算法程序（Water）的在線服務(wù)器網(wǎng)址 把人RBP4序列和人lipocalin1蛋白序列分別粘貼到兩個(gè)文本框中 如果需要可以調(diào)整比對(duì)的參數(shù)，如：得分矩

9、陣，空位罰分等 然后提交具體步驟：具體步驟：Liaoning University Bioinformatics 人人RBP4RBP4蛋白和人蛋白和人lipocalin1lipocalin1蛋白局蛋白局部比對(duì)結(jié)果部比對(duì)結(jié)果比對(duì)不是從第一個(gè)氨基酸比對(duì)不是從第一個(gè)氨基酸開(kāi)始的，也不是到最后一開(kāi)始的，也不是到最后一個(gè)氨基酸結(jié)束，而是找出個(gè)氨基酸結(jié)束，而是找出了相似性最高的一部分了相似性最高的一部分（局部比對(duì)）（局部比對(duì)）全局比對(duì)結(jié)果全局比對(duì)結(jié)果Liaoning University Bioinformatics 多序列比對(duì)，實(shí)際上是一組蛋白質(zhì)之間的一系列的雙序列比對(duì)。與雙序列比對(duì)相比，多序列比對(duì)更能

10、發(fā)現(xiàn)進(jìn)化保守關(guān)系信息。在雙序列比對(duì)中出現(xiàn)的相同的氨基酸殘基，雖然在兩條序列上是保守的，但這種保守可能只是偶然的。而如果某一位點(diǎn)在多序列比對(duì)的都出現(xiàn)了相同的氨基酸殘基，則說(shuō)明該殘基是進(jìn)化保守的可能性更大。多序列比對(duì)多序列比對(duì)Liaoning University Bioinformatics 序列分別為雞、小鼠、序列分別為雞、小鼠、人、豬和牛的人、豬和牛的RBP4蛋白蛋白使用了使用了Clustal Omega軟件軟件通過(guò)多序列比對(duì)可以發(fā)通過(guò)多序列比對(duì)可以發(fā)現(xiàn)現(xiàn)RBP4蛋白中的大部分蛋白中的大部分氨基酸殘基在多個(gè)哺乳氨基酸殘基在多個(gè)哺乳動(dòng)物中都保守。動(dòng)物中都保守。Liaoning Universi

11、ty Bioinformatics 序列分別為人的載脂蛋序列分別為人的載脂蛋白白D，人視黃醇結(jié)合蛋白，人視黃醇結(jié)合蛋白4，孕激素相關(guān)子宮內(nèi)膜，孕激素相關(guān)子宮內(nèi)膜蛋白，補(bǔ)體蛋白，補(bǔ)體8（肽），肽），lipocalin1，人氣味結(jié)合，人氣味結(jié)合蛋白蛋白2A， -1微球蛋白，微球蛋白，嗜中性明膠酶相關(guān)蛋白，嗜中性明膠酶相關(guān)蛋白，前列腺素前列腺素D2合成酶合成酶通過(guò)多序列比對(duì)可以發(fā)通過(guò)多序列比對(duì)可以發(fā)現(xiàn)人這些旁系同源物序現(xiàn)人這些旁系同源物序列高度趨異，互相之間列高度趨異，互相之間的相似度并不高。的相似度并不高。但都存在一個(gè)保守的模但都存在一個(gè)保守的模體：體：GXW，即甘氨酸，即甘氨酸-任任意氨基酸意氨

12、基酸-色氨酸。色氨酸。GXW保守保守模體模體Liaoning University Bioinformatics Clustal OmegaClustal Omegahttp:/www.ebi.ac.uk/Tools/msa/clustalo/http:/www.ebi.ac.uk/Tools/msa/clustalo/MUSCLEMUSCLEhttp:/www.ebi.ac.uk/Tools/msa/muscle/http:/www.ebi.ac.uk/Tools/msa/muscle/CLUSTAL XCLUSTAL X/clustal2/http

13、://clustal2/（下載網(wǎng)站）（下載網(wǎng)站）MEGAMEGA（分子發(fā)育分析綜合軟件，集成了（分子發(fā)育分析綜合軟件，集成了ClustalWClustalW和和MUSCLEMUSCLE）http:/ （下載網(wǎng)站）（下載網(wǎng)站）多序列比對(duì)常用軟件多序列比對(duì)常用軟件Liaoning University Bioinformatics 例子例子3 3：使用：使用Clustal OmegaClustal Omega比對(duì)人比對(duì)人RBP4RBP4蛋白，小鼠蛋白，小鼠RBP4RBP4蛋蛋白，雞白，雞RBP4RBP4蛋白，豬蛋白，豬RBP4RBP4蛋白，牛蛋白，牛RBP4RBP4蛋

14、白的氨基酸序列蛋白的氨基酸序列 首先在UNIPROT數(shù)據(jù)庫(kù)中下載人RBP4蛋白（P02753），小鼠RBP4蛋白（Q00724），雞RBP4蛋白（P41263），豬RBP4蛋白（P27485），牛RBP4蛋白（P18902）的氨基酸序列 然后打開(kāi)Clustal Omega的在線服務(wù)器網(wǎng)址 把所有蛋白序列粘貼到文本框中，也可以直接上傳FASTA文件 然后提交具體步驟：具體步驟：Liaoning University Bioinformatics 多序列比對(duì)結(jié)果多序列比對(duì)結(jié)果ALNALN格式，參照格式，參照第三節(jié)課第三節(jié)課PPTPPT中中介紹介紹Liaoning University Bioinf

15、ormatics 例子例子4 4：使用：使用ClstalXClstalX比對(duì)人比對(duì)人RBP4RBP4蛋白，小鼠蛋白，小鼠RBP4RBP4蛋白，雞蛋白，雞RBP4RBP4蛋白，豬蛋白，豬RBP4RBP4蛋白，牛蛋白，牛RBP4RBP4蛋白的氨基酸序列蛋白的氨基酸序列 打開(kāi)ClustalX后，點(diǎn)擊File Load Sequences，加載包含上述蛋白序列的FASTA文件 然后點(diǎn)擊Alignment Do complete alignment，選擇好比對(duì)結(jié)果文件的文件夾，進(jìn)行序列比對(duì)具體步驟：具體步驟：lClustalX是需要安裝的軟件，需要先下載，安裝之后才能使用。Liaoning Univer

16、sity Bioinformatics Liaoning University Bioinformatics 例子例子5 5：使用：使用MEGAMEGA中的中的ClustalWClustalW比對(duì)人比對(duì)人RBP4RBP4蛋白，小鼠蛋白，小鼠RBP4RBP4蛋白，雞蛋白，雞RBP4RBP4蛋白，豬蛋白，豬RBP4RBP4蛋白，牛蛋白，牛RBP4RBP4蛋白的氨基酸序蛋白的氨基酸序列列 打開(kāi)MEGA后，點(diǎn)擊Align Edit/Built Alignment Create New Alignment Protein，出現(xiàn)序列編輯的界面 可以將蛋白質(zhì)序列粘貼進(jìn)去，也可以通過(guò)菜單欄Data Open

17、Retrieve Sequences from File，加載包含上述蛋白序列的FASTA文件 然后點(diǎn)擊W按鈕或通過(guò)菜單欄Alignment Alignment by Clustal 出現(xiàn)參數(shù)頁(yè)面，可以調(diào)整參數(shù)，一般都使用默認(rèn)參數(shù)，點(diǎn)擊OK進(jìn)行序列比對(duì)具體步驟：具體步驟：lMEGA也需要安裝之后才能使用。Liaoning University Bioinformatics Liaoning University Bioinformatics Liaoning University Bioinformatics Clustal WLiaoning University Bioinformatics ClustalW的參數(shù)設(shè)置頁(yè)面，一般的參數(shù)設(shè)置頁(yè)面，一般情況下使用默認(rèn)參數(shù)情況下使用默認(rèn)參數(shù)Liaoning University Bioinformatics Liaoning University Bioinformatics 課堂練習(xí)題課堂練習(xí)題練習(xí)課件中的例子1-5使用Clast