Учебная страница курса биоинформатики,
год поступления 2012

Семестры Студенты Преподаватели

• 2023
• 2022
• 2021
• 2020
• 2019
• 2018
• 2017
• 2016

• ...

6. Алгоритмы парного выравнивания

Работы по этому практикуму немало. Практически все, что вы в нем делаете, в виде сравнения с результатами предыдущего практикума, будет либо отражено на проверяемой web-странице, либо потребуется для зачета. Дедлайны указаны в конце текста задания; на оформление web-странички дается (?) 2 недели, но я советуют закончить ее побыстрее.

В заданиях после синего текста "ДЛЯ САЙТА" указано, что требуется выложить на сайт по результатам этого и предыдущего практикума. Проверяться будет наличие результатов (может быть, предварительных) в файле Excel со стандартным названием "Surname_pr6.xls" или "Surname_pr6.xlsx", который должен будет лежать в директории ...block2/credits.

Задание №1: Реконструкция матрицы BLOSUM62

В этом задании вам надо будет построить матрицу BLOSUM62 самостоятельно, исходя из таблицы частот встречаемости всех пар аминокислот (f_ij из презентации). Для получения этой таблицы была загружена последняя версия базы данных BLOCKS (доступна тут, архив blocks.tar.gz, основной файл с базой blocks.dat), и использована программа pairs_count.exe, которая лежит на диске P: в папке P:\y04\Term2\Practices\Practice4. Параметром к программе был задан порог кластеризации 62.

Таблицу можно скачать тут.

Используя формулы, приведенные в презентации, вычислите значения для матрицы BLOSUM. Используйте возможности Excel; некоторые советы приведены в подсказках.

Важное замечание: все матрицы должны быть отсортированы НЕ в алфавитном порядке, как "по умолчанию", а так, чтобы функционально похожие аминокислоты были сгруппированы вместе. Для единообразия при проверке ОБЯЗАТЕЛЬНЫМ является порядок, приведенный в таблице 1.

Задание №2: Сравнение нескольких матриц аминокислотных замен

В этом задании вам надо сравнить между собой три матрицы аминокислотных замен:

1. "Классическую" матрицу BLOSUM62 (скачать);

2. Матрицу PHAT_T75_B73 (скачать);

3. Матрицу, которую Вы восстановили в предыдущем задании.

В таблице 2 приведено соответствие между студентом и аминокислотой. Вам надо будет сравнивать величины замены выданной аминокислоты на все остальные аминокислоты (и конечно на саму себя).

Для сравнения скопируйте на два отдельных листа в Excel-файле матрицы BLOSUM62 и PHAT_T75_B73. На еще один лист вынесите данные из каждой матрицы для вашей аминокислоты. Сравнение должно включать следующие пункты, но может описывать также любые интересные факты, которые хотелось бы описать:

• Как отличаются в разных матрицах величины для замены выданной аминокислоты на саму себя? Почему?
• Как отличаются в разных матрицах величины замен выданной аминокислоты на аминокислоты близкие по химическим свойствам (если такие есть)? Почему?
• Как отличаются в разных матрицах замены выданной аминокислоты на аминокислоты из других функциональных групп (хотя бы 2 примера)? Почему?

1. Создайте новую страницу, озаглавленную "Парные выравнивания белков. Применение алгоритмов парных выравниваний к белку XXX", где XXX - идентификатор белка, с которым вы работаете (вашего белка, SMTH_BACSU).
2. На этой странице создайте раздел и озаглавьте его "Сравнение матриц аминокислотных замен".

Напишите кратко, чем отличаются друг от друга матрицы по сути типа BLOSUM и матрицы типа PHAT. Что означает цифра 62 в названии матрицы BLOSUM? По каким исходным данным была реконструирована третья матрица? Есть ли у вас какие-то общие комментарии относительно третьей матрицы? Помимо ответа на эти вопросы перенесите на сайт сравнение величин в матрице для выданной аминокислоты (план см. выше). Обязательно приведите таблицу, содержащую 5 строк: трехбуквенные обозначания аминокислот, однобуквенные обозначения аминокислот, величины замен выданной аминокислоты (в заголовке к таблице укажите, какой) для трех матриц. Этой таблицей вы проиллюстрируете свои выводы.

Задание №3: Программы парного выравнивания needle и water

Возьмите те же 3 пептида из 20 аминокислот, с которыми вы работали в Задании №1 практикума №6. Постройте оптимальное глобальное выравнивание для каждого из них и вашего белка с помощью программы needle из пакета EMBOSS при стандартных параметрах (выясните, какие параметры считаются стандартными и запишите). Сделайте для тех же трех пептидов запуски программы water при стандартных параметрах (при желании можете их изменить, объяснив причину).

Сравните выданные программой величины identity и similarity с теми, которые были получены в прошлом практикуме вручную (!!! Не надо, пожалуйста, подгонять одно под другое специально). Если величины отличаются, опишите, почему.

1. На рабочей странице создайте раздел и озаглавьте его "Сравнение выравниваний, полученных для коротких мутантов вручную и построенных классическими алгоритмами Нидлмана-Вунша и Смита-Ватермана".
2. Опишите кратко своими словами, какие программы из пакета EMBOSS реализуют алгоритмы Нидлмана-Вунша и Смита-Ватермана, для чего предназначены эти алгоритмы а также в чем ключевая разница между этими алгоритмами.
3. Кратко и своими словами сформулируйте, какие параметры использует каждый алгоритм, каковы значения этих параметров по умолчанию.

4. Опишите результаты сравнения Вашего выравнивания "вручную" и выравнивания, построенного программами needle и water. Приведите сравнения величин identity и similarity, а также веса выравнивания исходя из матрицы аминокислотных замен. Приведите выровненные фрагменты (вручную и программами, в любом удобном для читателя формате - должно быть ясно видно, какое выравнивание как было получено), чтобы проиллюстрировать свои выводы.

Задание №4 (*, необязательное)

1. На рабочей странице создайте раздел и озаглавьте его "Сравнение выравниваний, полученных для полноразмерных мутантов вручную и построенных классическими алгоритмами Нидлмана-Вунша и Смита-Ватермана".
2. Опишите результаты выполнения необязательного задания из предыдущего практикума.

3. Выберите один любой полноразмерный мутант (укажите, какой). Для него проведите запуск программ needle и water, и сравните результаты с Вашими полученными вручную результатами по величине identity, а также по общему виду выравнивания.

Задание №5 (*, необязательное)

Выберите из выравнивания, построенного алгоритмом needle для любого из полноразмерных мутантов участок длиной 6-7 остатков, содержащий несколько очевидно выровненных позиций, по крайней мере 1 гэп и по крайней мере 1 несовпадающий остаток. Этот участок должен быть также обнаружен программой water. Укажите, с выравниванием какого мутанта вы будете сейчас работать работать. Постройте две матрицы, которые сделали бы алгоритмы Нидлмана-Вунша и Смита-Ватермана для данных последовательностей аминокислот (пример оформления матрицы можно видеть в презентации к этому заданию). Используйте для построения матриц величину штрафа за вставку гэпа -2, штраф за несовпадение -1 и бонус за совпадение 1.

1. На рабочей странице создайте раздел и озаглавьте его "Иллюстрация работы алгоритмов Нидлмана-Вунша и Смита-Ватермана на примере короткого участка выравнивания".

2. Приведите выбранный участок выравнивания так, как восстановили его программы needle и water и построенные матрицы, на которых стрелками показан обратный путь. Восстановите по нему соответствующее каждой матрице выравнивание. Совпадает ли оно с построенным алгоритмами? Если нет, то опишите отличия. С чем они могут быть связаны?

DEADLINE по наличию excel-файла в директории ...block2/credits:

• Для группы 2 (лекция 20 марта) = 27 марта
• Для группы 1 (лекция 22 марта) = 29 марта

DEADLINE для оформления web-страницы:

• Для группы 2 (лекция 20 марта) = 3 апреля
• Для группы 1 (лекция 22 марта) = 5 апреля