Aligning genomes

Задание 1. Построить карту сходства хромосом двух родственных бактерий.

Был использован алгоритм blastn для выравнивания 2 последовательностей (blast2seq) с сайта NCBI.

Было проведено выравнивание каждой хромосомы одной бактерии с каждой хромосомой другой бактерии (алгоритм работал с параметрами по умолчанию).

Для выполнения данного задания я взяла два разных вида рода Brucella, у каждого из которых имеются 2 хромосомы:

o Brucella ovis ATCC 25840 ( хромосома 1 ,хромосома 2 ) и:

• Brucella suis bv. 2 strain Bs143CITA ( хромосома 1 ,хромосома 2 )

1) Brucella_ovis_ATCC_25840_chromosome1 и Brucella suis bv. 2 strain Bs143CITA chromosome I

По горизонтали Brucella_ovis_ATCC_25840, по вертикали Brucella suis bv. 2 strain Bs143CITA

Это выравнивание прямых последовательностей, красной рамкой выделена инверсия протяженного участка, синей рамкой выделено место, в котором произошла либо делеция, либо вставка.

2) Brucella ovis ATCC 25840 chromosome II и Brucella suis bv. 2 strain Bs143CITA chromosome II

По горизонтали Brucella_ovis_ATCC_25840, по вертикали Brucella suis bv. 2 strain Bs143CITA

Это выравнивание прямых последовательностей, синими рамками выделены места, в которых произошли либо делеции, либо вставки, желтой рамкой выделен участок, в котором произошла транслокация начального участка у одного из видов в начало или в конец.

3) Brucella ovis ATCC 25840 chromosome I и Brucella suis bv. 2 strain Bs143CITA chromosome II

По горизонтали Brucella_ovis_ATCC_25840, по вертикали Brucella suis bv. 2 strain Bs143CITA

Query cover=14%

Как и ожидалось, в выравнивании наблюдается один крупный участок, соответствующий крупному эволюционному событию (в зеленой рамке)

4) Brucella ovis ATCC 25840 chromosome II и Brucella suis bv. 2 strain Bs143CITA chromosome I

по горизонтали Brucella_ovis_ATCC_25840, по вертикали Brucella suis bv. 2 strain Bs143CITA

Query cover=6%

Как и ожидалось, не было обнаружено никаких крупных участков.

• Brucella ceti TE28753-12 ( хромосома 1 ,хромосома 2 )

1) Brucella ovis ATCC 25840 chromosome I и Brucella ceti TE28753-12 chromosome 1

по горизонтали Brucella ovis ATCC 25840, по вертикали Brucella ceti TE28753-12

Наблюдается как будто инвертированная линия, вероятно, из-за того, что в геноме штамма Brucella ceti TE28753-12 была секвенирована комплементарная цепь. Желтой рамкой выделен участок, в котором произошла транслокация участка у одного из видов в начало или в конец.

2) Brucella ovis ATCC 25840 chromosome II и Brucella ceti TE28753-12 chromosome 2

по горизонтали Brucella ovis ATCC 25840, по вертикали Brucella ceti TE28753-12

3) Brucella ovis ATCC 25840 chromosome I и Brucella ceti TE28753-12 chromosome 2

Query cover=5%

Как и ожидалось, не было обнаружено никаких крупных участков.

4) Brucella ovis ATCC 25840 chromosome II и Brucella ceti TE28753-12 chromosome 1

Query cover=6%

Как и ожидалось, не было обнаружено никаких крупных участков.

• Brucella microti CCM 4915 ( хромосома 1 ,хромосома 2 )

1) Brucella ovis ATCC 25840 chromosome I и Brucella microti CCM 4915 chromosome 1

По горизонтали Brucella ovis ATCC 25840, по вертикали Brucella microti CCM 4915

Это выравнивание прямых последовательностей, синими рамками выделены места, в которых произошли либо делеции, либо вставки.

3) Brucella ovis ATCC 25840 chromosome II и Brucella microti CCM 4915 chromosome 2

По горизонтали Brucella ovis ATCC 25840, по вертикали Brucella microti CCM 4915

3) Brucella ovis ATCC 25840 chromosome I и Brucella microti CCM 4915 chromosome 2

Query cover=5%

Как и ожидалось, не было обнаружено никаких крупных участков.

4) Brucella ovis ATCC 25840 chromosome II и Brucella microti CCM 4915 chromosome 1

Query cover=6%

Как и ожидалось, не было обнаружено никаких крупных участков.

Задание 2. Опишите сходство и различие геномов близкородственных бактерий

Были выбраны штаммы, геном каждого представлен с двумя хромосомами:

• Brucella canis HSK A52141

• Brucella canis strain SVA13

• Brucella canis ATCC 23365

Для выполнения данного задания использовался метод построения нуклеотидного пангенома (NPG) с помощью пакета NPG-explorer.

Нуклеотидный пангеном - специальный формат для множественного выравнивания геномов, ориентированный на геномы близкородственных бактерий или архей.

Был создан файл genomes.tsv , в котором содержится информация о том, откуда брать последовательности геномных ДНК и аннотации генов.

Затем я с помощью команд создала файл npge.conf, в котором содержатся параметры программы. Я изменила параметр MIN_IDENTITY на рекомендованное программой для моего случая значение 0.895.

Далее я получила нуклеотидный пангеном и много файлов с аналитической информацией, которую я визуализовала, скачав файл qnpge.exe и запустив на своем компьютере.

Результаты сравнения геномов с помощью пакета NPGE

1. Глобальные блоки (G-блоки) представляют собой синтеничные участки - объединения стабильных блоков.

Число g-блоков: 7 (по данным из файла blocks.gbi ).

• g6x152

• g6x144

• g6x124

• g6x109

• g6x103

• g6x102

• g6x100

В каждом блоке содержится по 6 фрагментов.

Из файла blocks.blocks была получена информация о порядке расположения блоков в хромосоме для каждого генома.

файл в Excel с получившимися данными

Для 1 хромосомы:

• Только три блока g6x103, g6x152, g6x144,были расположены на прямой цепи (символ ">"), оставшиеся - на обратной (символ "<")

• Если принять за эталон расположение блоков в штамме Brucella canis HSK A52141 (1 столбец BRUCA1), то можно сделать следующие выводы:

o У штаммов Brucella canis strain SVA13 (в таблице – BRUCA3) и Brucella canis ATCC 23365 (в таблице – BRUCA5) наблюдается транслокация трех первых блоков (g6x109, g6x124, g6x152). Данное эволюционное изменение выделено в таблице синим цветом.

Участок выравнивания i- и g-блоков хромосомы 1, показывающий наличие крупных эволюционных изменений в геномах бактерий всех рассматриваемых штаммов.

Для хромосомы 2:

• Все блоки были расположены на прямой цепи (символ ">"), кроме блока g6x103 (на обратной (символ "<"))

• Если принять за эталон расположение блоков в штамме Brucella canis HSK A52141 (1 столбец BRUCA2), то можно сделать следующие выводы:

o У штаммов Brucella canis strain SVA13 (в таблице – BRUCA4) и Brucella canis ATCC 23365 (в таблице – BRUCA6) наблюдается транслокация двух первых блоков (g6x124, g6x102). Данное эволюционное изменение выделено в таблице зеленым цветом.

2. S-блоки

Стабильные блоки (S-блоки) - ядро генома

• Число S-блоков: в 6 исследуемых геномах по 7 s-блоков в каждом

• Cуммарная длина (процент от длины генома в среднем): 4998 (0.05%)

• Процент консервативных позиций в объединенном выравнивании s-блоков (т. е. сходство геномов): 0.918432

3. Описание повторов на примерах r-блоков:

Наиболее часто встречающийся блок r21x104.

Он содержит 21 фрагмент, имеет длину 104 позиции. Всего 21 повтор во всех геномах (от 3 до 4 раз во всех геномах в каждой хромосоме).

Данные файла pangenome.bi :

4. Описание крупных делеций на примерах h-блоков:

h-блоки - "полустабильные" блоки.

Для рассмотрения были взяты:

• h3x169552 (содержит 3 фрагмента, длина 169552 позиции). Данный блок присутствует только во 2-ых хромосомах всех штаммов.

Похожая ситуация наблюдалась для всех h3-блоков (либо присутствовали только в первой хромосоме, либо только во второй у всех штаммов)

Поэтому были рассмотрены все h2-блоки:

• h2x36097 (содержит 2 фрагмента, длина 36097 позиций). Данный блок присутствует в 2 хромосоме штаммов Brucella canis strain SVA13 (в файлее – BRUCA4) и Brucella canis ATCC 23365 (в файле - BRUCA6), но отсутствует в 1 хромосоме всех штаммов и в 2 хромосоме штамма Brucella canis HSK A52141 (в файле – BRUCA2).Отсутствие данного блока в штамме Brucella canis HSK A52141 может быть объяснено делецией этого участка в данном штамме (или наоборот вставкой данного участка в двух других штаммах).

• h2x2027 (содержит 2 фрагмента, длина 2027 позиций). Данный блок присутствует в 2 хромосоме штаммов Brucella canis HSK A52141 (в файле – BRUCA2) и Brucella canis ATCC 23365 (в файле - BRUCA6), но отсутствует в 1 хромосоме всех штаммов и в 2 хромосоме штамма Brucella canis strain SVA13 (в файлее – BRUCA4).Отсутствие данного блока в штамме Brucella canis strain SVA13 может быть объяснено делецией этого участка в данном штамме (или наоборот вставкой данного участка в двух других штаммах).

• h2x935 (содержит 2 фрагмента, длина 935 позиций). Данный блок присутствует в 1 хромосоме штаммов Brucella canis HSK A52141 (в файле – BRUCA1) и Brucella canis strain SVA13 (в файлее – BRUCA3), но отсутствует в 2 хромосоме всех штаммов и в 1 хромосоме штамма Brucella canis ATCC 23365 (в файле – BRUCA5). Отсутствие данного блока в штамме Brucella canis ATCC 23365 может быть объяснено делецией этого участка в данном штамме (или наоборот вставкой данного участка в двух других штаммах).

5. U-блоки - уникальные последовательности из одного генома.

К сожалению, не было найдено ни одного U-блока. Возможно, данные геномы имеют очень значительное сходство, а следовательно не имеют u-блоков.

6. Примеры расхождений между аннотациями генов из одного блока.

• В блоке r6x107 qnpge выделяет только 2 гена, один из которых принадлежит штамму Brucella canis HSK A52141 (в файле – BRUCA1), а другой Brucella canis ATCC 23365 (в файле – BRUCA5). Первый кодирует транспортер (cation diffusion facilitator family transporter).

Второй - антранилат-синтазу.

• В блоке m3x18 qnpge выделяет только 2 гена, один из которых принадлежит штамму Brucella canis HSK A52141 (в файле – BRUCA1), а другой Brucella canis ATCC 23365 (в файле – BRUCA5). Первый кодирует peptide chain release factor 2

Второй – транспозазу (transposase for insertion sequence element)

В принципе, NPG-explorer b qnpge помогают «облегчить жизнь» при биоинформатическом анализе.

Anna Zheltova

Задание 1. Построить карту сходства хромосом двух родственных бактерий.

Задание 2. Опишите сходство и различие геномов близкородственных бактерий