Сравнение алгоритмов выравнивания

Для выполнения практикума были выбраны случайные последовательности белков, которые изучались в практикуме 11, из Swiss-Prot. Для сравнения выравниваний использовалась программа MACHO Виталия Гагарочкина, Всеволода Масленникова и Даниила Нагорного.

1. Сравнение MAFFT и Muscle

Таблица 1. Совпадающие блоки выравниваний MAFFT и Muscle

БлокMAFFTMuscleДлина блока
192–14587–14054
2175–178170–1734
3271–289260–27819
4296–344285–33349
5346–347335–3362
6368–599350–581232

Длина выравнивания MAFFT: 599
Длина выравнивания Muscle: 581
Совпадающих колонок: 360
% совпадающих колонок выравнивания MAFFT: 60.10%
% совпадающих колонок выравнивания Muscle: 61.96%
Всего блоков: 6
Максимальная длина блока: 232

2. Сравнение MAFFT и Probcons

Таблица 2. Совпадающие блоки выравниваний MAFFT и Probcons

БлокMAFFTProbconsДлина блока
192–143100–15152
2146–169154–17724
3175–177183–1853
4179–182187–1904
5184–214192–22231
6223–227228–2325
7229–230234–2352
8232–248237–25317
9254–259259–2646
10261–275266–28015
11277–290282–29514
12296–348301–35353
13367–597366–596231

Длина выравнивания MAFFT: 599
Длина выравнивания Probcons: 598
Совпадающих колонок: 457
% совпадающих колонок выравнивания MAFFT: 76.29%
% совпадающих колонок выравнивания Probcons: 76.42%
Всего блоков: 13
Максимальная длина блока: 231

Выравнивания MAFFT и Probcons сходны между собой сильнее, чем MAFFT и Muscle: совпадает около 76% колонок против 60–62%. Во всех трёх выравниваниях одинаково выровнен длинный участок в конце (блоки 6 и 13 длиной 232 и 231 колонка), а основные расхождения приходятся на начало выравнивания: первые 91 колонка MAFFT не совпадают ни с одним из двух других выравниваний. У MAFFT и Probcons совпадений больше за счёт средней части (колонки 146–290 MAFFT), где MAFFT и Muscle почти не совпадают, хотя она и разбита на много коротких блоков.

Проект Jalview
Выравнивания: Mafft.fasta, Muscle.fasta, Probcons.fasta
Выдача MACHO: MM.txt (MAFFT и Muscle), MP.txt (MAFFT и Probcons)

3. Сравнение множественного и структурного выравнивания

Для сравнения были взяты A-цепи трёх тропомиозинов с известной пространственной структурой: 3U59 (Gallus gallus), 7BJG (Drosophila melanogaster) и 8PV0 (Schizosaccharomyces pombe). Их множественное выравнивание (task3.fasta) сравнивалось со структурным выравниванием тех же белков (task3true.fa).

Совмещение 3D-структур белков
Рисунок 1. Совмещение пространственных структур 3U59, 7BJG и 8PV0

Таблица 3. Совпадающие блоки множественного и структурного выравниваний

БлокМножественное выравниваниеСтруктурное выравниваниеДлина блока
132–5235–5521
2170–172162–1643

Длина множественного выравнивания: 172
Длина структурного выравнивания: 164
Совпадающих колонок: 24
% совпадающих колонок множественного выравнивания: 13.95%
% совпадающих колонок структурного выравнивания: 14.63%
Всего блоков: 2
Максимальная длина блока: 21

Выравнивания практически не совпадают: все 24 «совпадающие» колонки содержат только остатки 8PV0, а колонок, где хотя бы два белка выровнены одинаково, нет ни одной. Причина в том, что тропомиозин — повторяющаяся α-спиральная суперспираль: MSA сдвигает последовательности на целое число гептад (сдвиги −56, −35, −21), а структурное совмещение — на целое число витков спирали (−18, −4), поэтому для таких белков оба метода не дают однозначного соответствия остатков.

Выравнивания: task3.fasta (множественное), task3true.fa (структурное)
Выдача MACHO: TT.txt

4. Описание MAGUS

Основа алгоритма

Многие методы множественного выравнивания плохо справляются с большими наборами последовательностей. Для решения этой проблемы был разработан MAGUS [1].

MAGUS опирается на общую схему более раннего алгоритма PASTA [2]. Сначала набор последовательностей делится на подгруппы, каждая из которых выравнивается отдельно с помощью MAFFT-linsi [3]. Затем полученные выравнивания объединяются с помощью кластеризации графа (Graph Clustering Merger, GCM) [4].

Улучшения MAGUS

Чтобы повысить скорость и точность, в MAGUS введено несколько улучшений. Одно из них — рекурсия. Если после разбиения подгруппа содержит больше последовательностей, чем заданный порог, к ней снова применяется MAGUS. Если меньше, она выравнивается с помощью MAFFT.

Направляющее дерево (guide tree) можно построить четырьмя способами:

  1. Как в PASTA: 300 случайно выбранных последовательностей выравниваются с помощью MAFFT, остальные добавляются к выравниванию с помощью HMMER, после чего по выравниванию строится дерево в FastTree.

  2. Методом построения начального дерева из Clustal Omega.

  3. Методом построения начального дерева MAFFT PartTree.

  4. Методом минимальной эволюции в FastTree.

Кроме того, для ускорения работы MAGUS использует параллельные вычисления и сжатие данных.

Список литературы

[1] Smirnov V, Warnow T. MAGUS: Multiple sequence Alignment using Graph clUStering. Bioinformatics. 2021;37(12):1666–1672. doi: 10.1093/bioinformatics/btaa992
[2] Mirarab S, Nguyen N, Guo S, Wang LS, Kim J, Warnow T. PASTA: ultra-large multiple sequence alignment for nucleotide and amino-acid sequences. Journal of Computational Biology. 2015;22(5):377–386. doi: 10.1089/cmb.2014.0156
[3] Katoh K, Kuma K, Toh H, Miyata T. MAFFT version 5: improvement in accuracy of multiple sequence alignment. Nucleic Acids Res. 2005;33(2):511–518. doi: 10.1093/nar/gki198
[4] Репозиторий MAGUS: github.com/vlasmirnov/MAGUS