Практикум №12

Алгоритмы и программы множественного выравнивания. Верификация выравниваний
2. Сравнение выравниваний одних и тех же последовательностей тремя разными программами Tcoffee, Muscle, ClustalO

Множественные выравнивания были построены для seed белковых доменов семейства PF08716. Для выравнивания были использованы программы — MUSCLE, TCOFFEE и ClustalO. Сравнивались выравнивания TCOFFEE и MUSCLE, TCOFFEE и ClustalO с помощью программы сравнения множественного выравнивания MACHO, написанной студентами 2 курса (Гагарочкин Виталий, Масленников Всеволод и Нагорный Даниил). Далее результаты были проверены вручную в программе Jalview.

Таблица совпадений в выравниваниях
№ TCOFFEE и MUSCLE TCOFFEE и ClustalO
1. (1,44)=(1,44) (1,44)=(1,44)
2. (47,66)=(47,66) (47,66)=(47,66)
3. (68,72)= (68,72) (79,89)=(79,89)
Таблица несовпадений в выравниваниях
№ TCOFFEE и MUSCLE TCOFFEE и ClustalO
1. (44,46)=(44,46) (45,46)=(45,46)
2. (67,68)=(67,68) (67,78)=(67,78)

Ссылка на проект Jalview:

📥 СКАЧАТЬ проект Jalview

Скачать сами последовательности выравниваний:

Выводы:

До ~66 позиции все три программы (TCOFFEE, MUSCLE, ClustalO) дают одинаковое выравнивание. После ~66–68 начинаются различия. MUSCLE ближе к TCOFFEE, чем ClustalO: совпадение сохраняется в блоке 68–72, расхождение узкое (67–68). ClustalO сильнее расходится: совпадение сдвигается к 79–89, расхождение шире (67–78).

3. Постройте выравнивание по совмещению структур и сравните его с выравниванием MSA

Были взяты белки из семейства 6nur, 6m71, 6xqb.

3D-совмещение белков 6nur, 6m71, 6xqb
Рисунок 1 — 3D-совмещение

Ссылка на выравнивание PDBeFold:

📥 СКАЧАТЬ выравнивание PDBeFold

Ссылка на выравнивание TCoffee:

📥 СКАЧАТЬ выравнивание TCoffee

Выравнивания в формате Jalview:

📥 СКАЧАТЬ выравнивания Jalview

Совпадающие блоки:

(59-171)=(59-171), (175-436)=(174-435), (440-657)=(438-655), (661-839)=(659-837)

Несовпадающие участки:

1-58, 172-174

Длина структурного выравнивания:

1184

Длина выравнивания по последовательностям:

1195

Процент одинаково выровненных колонок от длины первого выравнивания:

64,7%

Процент одинаково выровненных колонок от длины второго выравнивания:

64,1%

Исходя из полученных данных можно сделать вывод о том, что выравнивания, построенные этими способами, оказались схожи, так как процент одинаково выровненных колонок в структурном выравнивании оказался выше чем в выравнивании с использованием алгоритма TCoffee, можно сделать вывод о том, что и структурное, и программное выравнивания дают примерно одинаковый процент выровненных колонок. Оба выравнивания в равной степени отражают ход эволюции.

4. Описание программы MUSCLE

MUSCLE выравнивает последовательности в три стадии. Сначала она быстро оценивает, насколько последовательности похожи, — не выравнивая их, а просто считая общие короткие кусочки (k-меры). По этим оценкам строится дерево родства, и последовательности выравниваются по нему снизу вверх: ближайшие пары сливаются в профили, профили — в более крупные группы, пока не получится одно выравнивание. На второй стадии расстояния пересчитываются точнее — уже по готовому выравниванию, дерево перестраивается, и изменившиеся части выравниваются заново.

Третья стадия исправляет главный минус прогрессивного подхода — гэпы, вставленные на ранних шагах, уже нельзя убрать. MUSCLE раз за разом режет дерево по ветвям: каждое разрезание делит выравнивание на две половинки, которые заново выравниваются между собой. Если результат лучше (по сумме попарных оценок) — он принимается, если нет — откатывается. Цикл повторяется, пока улучшения не закончатся.

Источники: Edgar R.C. Nucleic Acids Research, 2004, 32(5):1792–1797; Edgar R.C. BMC Bioinformatics, 2004, 5:113.