Алгоритмы и программы множественного выравнивания.
Сравнение трёх MSA одних и тех же последовательностей, а также сопоставление структурного выравнивания и MSA для семейства PF00261, Tropomyosin.
Выбор семейства белковых доменов
Файлы:
Метод
Сравнение выравниваний было выполнено визуально в программе Jalview
| Mafft | Muscle |
|---|---|
| (136,156) | (136,156) |
| (185,226) | (186,227) |
| (279) | (279,280) |
| Mafft | Muscle |
|---|---|
| (157,184) | (157,185) |
| (227,278) | (228,278) |
Обсуждение:
При сравнении выравнивания A (Clustal Omega) с B (MAFFT) выявлено 64 одинаково выровненных колонки, объединённых в два блока длиной 21 и 42 позиции, а также одну отдельную совпадающую колонку. При сравнении A с C (MUSCLE) обнаружено 65 одинаково выровненных колонок, образующих три блока длиной 21, 42 и 2 позиции. Таким образом, MUSCLE формально несколько ближе к Clustal Omega, чем MAFFT, однако различие составляет всего одну колонку. В то же время MAFFT и MUSCLE значительно более сходны между собой: 215 одинаково выровненных колонок, то есть около 74–75% длины MSA.
Построение выравнивания по совмещению структур и сравнение его с выравниванием программой MSA
Для анализа было выбрано семейство белковых доменов PF00261, Tropomyosin. Были использованы три структуры Tropomyosin из разных PDB-записей:
○ 1IC2_A
○ 3U1A_A
○ 3U59_A
Для этих же трёх последовательностей были построены два множественных выравнивания:
выравнивание, полученное из структурного совмещения;
выравнивание, полученное программой MAFFT.
Ссылки на файлы:
○ Структурное выравнивание в формате FASTA
○ MAFFT-выравнивание в формате FASTA
○ Проект Jalview с двумя сравниваемыми выравниваниями
В качестве референсной структуры использовалась 1IC2:A. Для 3U1A:A получены RMSD 1,59 Å и TM-score 0,89 при 68% идентичности последовательностей и 77 структурно сопоставленных остатках. Для 3U59:A RMSD составил 1,48 Å, TM-score — 0,92, идентичность — 49%, при этом структурно сопоставлено 76 остатков. Высокие значения TM-score и низкие значения RMSD свидетельствуют о значительном сходстве пространственной организации исследованных белков.
Сравнение структурного выравнивания с последовательностным MSA, построенным MAFFT, показало, что результаты двух подходов совпадают не полностью. Для 1IC2 и 3U1A большая часть общего участка выровнена практически одинаково, что указывает на хорошее соответствие между сходством первичной последовательности и пространственной структуры. В случае 3U59 наблюдается заметный сдвиг положения соответствующих остатков в структурном выравнивании относительно MAFFT
Краткое описание одной из программ MSA
MAFFT (multiple alignment using fast Fourier transform) - это программа выравнивания, используемая для создания множественного выравнивания последовательностей аминокислот или нуклеотидов. Разработана японским исследователем Кадзутака Като в 2002 году. Принцип работы основывается на быстром преобразовании Фурье.
У MAFFT есть три режима: FFT-NS-1, FFT-NS-2 FFT-NS-i. Они отличаются друг от друга скоростью и точностью выполнения.FFT-NS-1 наименее точный,но самый быстрый. Может использоваться в случае, если очень много последовательностей, которые нужно быстро выровнять. FFT-NS-2 немного медленнее чем первый режим, но работает точнее. FFT-NS-i самый точный из всех режимов
Преимущества:
○ Работает и с аминокислотными, и с нуклеотидными последовательностями
○ FFT снижает сложность для консервативных последовательностей с O(N²) до O(N), за счет чего увеличивается скорость
○ Чем длиннее последовательность, тем сильнее выигрыш в скорости по сравнению с другими алгоритмами
○ Есть возможность выбирать режимы в зависимости от задачи