Парные выравнивания

Сравнение матриц аминокислотных замен на примере глицина

Матрица BLOSUM62 (BLOcks SUbstitution Matrix) использует данные базы blocks и служит для выравнивания цитоплазматических белков. Число 62 в названии означает порог кластеризации, то есть все белки базы blocks идентичностью больше 62% объединяются в кластеры и рассматриваются как одно выравнивание. Матрица PHAt_T75_B73 же используется для выравнивания мембранных белков, поэтому ее значения отличаются от значений матрицы BLOSUM. Новая матрица была получена мной по таким же данным, как и те, что использовались для построения матрицы BLOSUM. Действительно, полученные значения очень мало отличаются.

"аминокислота (1-буквенные обозначения)"	G	P	C	S	T	N	Q	D	E	H	R	K	A	M	I	L	V	F	W	Y
"аминокислота (3-буквенные обозначения)"	Gly	Pro	Cys	Ser	Thr	Asn	Gln	Asp	Glu	His	Arg	Lys	Ala	Met	Ile	Leu	Val	Phe	Trp	Tyr
BLOSUM62	6	-2	-3	0	-2	0	-2	-1	-2	-2	-2	-2	0	-3	-4	-4	-3	-3	-2	-3
PHAT_T75_B73	9	-3	-2	1	-1	-1	-2	-2	-3	-4	-5	-4	1	-1	-2	-2	-2	-2	-5	-3
Реконструкция	5	-2	-2	-1	-2	-1	-2	-2	-2	-2	-2	-2	0	-3	-4	-4	-3	-3	-3	-3

Таблица 1. Сравнение матриц аминокислотных замен (BLOSUM62, PHAT_T75_B73 и реконструированной на основании базы blocks) на примере аминокислоты глицина.

Сравнение выравниваний, полученных для коротких мутантов вручную и построенных классическими алгоритмами Нидлмана-Вунша и Смита-Ватермана

Для белка YPJD_BACSU скриптом evolve_protein.pl были получены несколько коротких фрагментов (по 20 аминокислотных остатков) из искусственно смоделированного мутанта YPJD_BACSU. Скрипт evolve_protein.pl создает эволюционно измененную последовательность белка с учетом наследственности и изменчивости, но без учета естественного отбора.

Параметр этого скрипта –c ($def_change) отвечает за замену аминокислотного остатка на другой (для каждой аминокислоты замена на любую другую, в том числе и на саму себя, происходит с вероятностью 1/20), либо удаление этой аминокислоты из последовательности, либо вставку новой аминокислоты. Значение –c=0.6 соответствует тому, что в 60 % аминокислотных остатков будет происходить замена. Параметр –d ($def_replace) показывает, с какой вероятностью будет происходить замена аминокислотного остатка, если его позиция уже была изменена. Если замены не происходит, то с равной вероятностью происходит делеция или инсерция.

Были получены 3 мутанта с разными значениями вероятности изменения и вероятности замены уже измененного остатка:
• №1. -с=0.6 -r=0.6
• №2. -с=0.6 -r=0.8
• №3. -с=0.4 -r=0.8

Алгоритмы Нидлмана-Вунша и Смита-Ватермана выполняются программами из пакета EMBOSS needle и water, соответственно. При этом результатом применения алгоритма Нидлмана-Вунша является выравнивание по наибольше по длине последовательности, то есть получается полноразмерное выравнивание, тогда, как алгоритм Смита-Ватермана находит наибольшие по весу локальные выравнивания, и иногда такие выравнивания имеют мало общего с ходом эволюции белка. Чем меньше последовательность, тем больше вероятность, что в большей последовательности попадется участок, случайно совпадающий с этой последовательностью. И для того, и для другого алгоритма можно задать следующие параметры: штраф за гэп (первый - открывающий, по умолчанию = 10) и штраф за последующие гэпы (0.5).

№ мут.	Механизм выравнивания	Выравнивание	Identity,%	Similarity,%	Score
1	Вручную		48 (по участку) или 10 (по всему выравниваю)	57 или 12	25
	Нидлман-Вунш		10	12	27
	Смит-Ватерман		60	67	31
2	Вручную		42 или 9	58 или 13	16
	Нидлман-Вунш		9	10	15
	Смит-Ватерман		75	75	22
3	Вручную		61 или 12	65 или 13	53
	Нидлман-Вунш		12	12	50
	Смит-Ватерман		78	78	52

Таблица 2. Сравнение выравниваний, полученных различными способами.

Значения identity, similarity и вес по матрице BLOSUM62 (score), полученные вручную, очень близки к значениям, полученным при использовании алгоритма Нидлмана-Вунша. А алгоритм Смита-Ватермана выдает значения для более коротких последовательностей (короче, чем по участкам, для которых значения были посчитаны вручную, но обязательно учитывали всю последовательность мутантного белка), чем и обоснованы очень высокие значения.