Практикум 12

Сравнение выравниваний и выравнивание по структурам

2. Сравнение выравниваний одних и тех же последовательностей разными программами

Использованные программы

  • Программа A: mafft
  • Программа B: muscle
  • Программа C: prank

Ссылки на выравнивания в формате FASTA

Проект Jalview

Скачать проект Jalview (.jvp)

Сравнение A с B

Блоки одинаково выровненных колонок:

(214, 294) = (199, 279)
(320, 342) = (304, 326)
(346, 479) = (331, 464)

Участки несовпадения:

(343, 345) ~ (327, 330)
(295, 319) ~ (280, 303)

Сравнение A с C

Блоки одинаково выровненных колонок:

(1, 51) = (1, 51)
(86, 88) = (86, 88)
(107, 126) = (109, 128)

Участки несовпадения:

(52, 85) ~ (52, 85)
(89, 106) ~ (89, 108)

Обсуждение результата

MAFFT и MUSCLE дают более похожие выравнивания (длины 479 и 480, длинные блоки совпадения), тогда как PRANK сильно отличается (длина 541, только короткие блоки совпадения с MAFFT). Это связано с тем, что PRANK использует эволюционную модель, которая штрафует вставки/делеции иначе и допускает больше гэпов на вариабельных участках. MAFFT и MUSCLE, напротив, минимизируют общее число гэпов, поэтому их выравнивания короче и ближе друг к другу. Таким образом, MUSCLE больше похож на MAFFT, чем PRANK.

Методы

  • Ручной метод в Jalview.

3. Выравнивание по совмещению структур и сравнение с MSA

Выбранные структуры (минимум 3 белка)

Белок PDB ID Цепь
FERREDOXIN-DEPENDENT GLUTAMATE SYNTHASE 2 1OFE A
Glutamate synthase [NADPH] large chain 6S6S A
Glutamate dehydrogenase 7MFT G

Изображение совмещения структур

Совмещение структур

Ссылки на выравнивания в формате FASTA

Проект Jalview

Скачать проект Jalview (.jvp)

Результат сравнения выравниваний

Блоки одинаково выровненных колонок:

(1, 7) = (37, 43)
(17, 36) = (51, 70)
(44, 64) = (75, 95)
(80, 109) = (107, 136)

Участки несовпадения:

(8, 16) ~ (44, 50)
(37, 43) ~ (71, 74)
(65, 79) ~ (96, 106)

Обсуждение результата

Сравнение показало, что в консервативных участках, соответствующих элементам вторичной структуры (α-спирали и β-листы), оба метода дают согласованные результаты - это видно по блокам одинаково выровненных колонок. Однако в вариабельных петлях наблюдаются участки несовпадения - в этих областях MSA-выравнивание часто вставляет больше гэпов, чем структурное, потому что MAFFT не учитывает пространственную структуру белка и опирается только на сходство последовательностей. Структурное выравнивание, напротив, точнее в участках с вставками и делециями, поскольку оно основано на совмещении Cα-атомов, а не на последовательности. Таким образом, для белков с известными 3D-структурами структурное выравнивание более надёжно, тогда как MSA нужнее для больших наборов последовательностей без структур.

4. Краткое описание одной из программ MSA

Программа

MAFFT

Описание

MAFFT (Multiple Alignment using Fast Fourier Transform) — это высокоскоростная программа для множественного выравнивания аминокислотных и нуклеотидных последовательностей. Её главная особенность заключается в использовании быстрого преобразования Фурье (FFT) для поиска похожих участков между последовательностями, что позволяет значительно ускорить процесс выравнивания по сравнению с классическими методами . Алгоритм MAFFT сначала строит черновое выравнивание с помощью прогрессивного метода, а затем может итеративно уточнять его (например, в режимах L-INS-i, G-INS-i) для повышения точности . Программа широко применяется в филогенетическом анализе и сравнительной геномике, особенно для больших наборов данных, включая вирусные геномы.

Источник информации

Katoh, K., Misawa, K., Kuma, K., & Miyata, T. (2002). MAFFT: a novel method for rapid multiple sequence alignment based on fast Fourier transform. Nucleic Acids Research, 30(14), 3059-3066.