Предсказание парных выравниваний

В данной работе я сравнивала парные выравнивания двух последовательностей белков, полученные разными способами:

• парное выравнивание, полученное из множественного;
• глобальное парное выравнивание двух последовательностей с помощью программы needle пакета программ EMBOSS.

Для начала было получено парное выравнивание из множественного. Исходное множественное выравнивание: загрузить.
Далее я сохранила последовательности белков в отдельные файлы в формате fasta (под названиями pr10_1.fasta и pr10_2.fasta) и получила глобальное выравнивание программой needle. Она работает по алгоритму Нидлмана — Вунша. На рис.1 показано полученное выравнивание. Команда bash выглядит так:
needle pr10_1.fasta pr10_2.fasta pr10_needle

Рис. 1. Парное выравнивание, полученное программой needle

На выходе получился файл с выравниванием в формате srspair (загрузить). Чтобы не перепутать, я переименовала его в pr10_needle.srspair. В нем помимо выравнивания содержится информация о сходстве последовательностей: количество и процент идентичных и сходных аминокислотных остатков, число и процент гэпов, вес выравнивания (Score).
Для получения выходного файла в формате fasta необходимо добавить опцию -aformat3 fasta. Команда в этом случае выглядит так:
needle pr10_1.fasta pr10_2.fasta pr10_needle -aformat3 fasta

С помощью программы water пакета EMBOSS было получено локальное выравнивание тех же последовательностей. Механизм работы этой программы основан на алгоритме Смита-Ватермана. Если в глобальном выравнивании идет поиск сходства целых последовательностей, то в локальном ищутся 2 наиболее похожих фрагмента в каждой из последовательностей и выравниваются только они. При этом локальное выравнивание содержит только эти 2 фрагмента, а не последовательности целиком. Команда bash для получения локального выравнивания:
water pr10_1.fasta pr10_2.fasta pr10_water
Как и в случае программы needle, я получила файл в формате srspair (загрузить).
Команда для получения выравнивания в формате fasta:
water pr10_1.fasta pr10_2.fasta pr10_water -aformat3 fasta

Для сравнения я построила глобальное и локальное выравнивания заведомо негомологичных белков. Были использованы последовательности белка репарации и рекомбинации RadA археи Methanococcus voltae (RadA_METVO.fasta) и алкогольдегидрогеназы археи Pyrobaculum aerophilum (белок Буяновой Софьи, Q8ZUP0_PYRAE.fasta). Глобальное выравнивание представлено на рис.2.
Результат сравнения выравниваний приведен в таблице 1. Первые две последовательности - гомологичных белков, третья и четвертая - заведомо не гомологичных.

Рис. 2. Парное выравнивание негомологичных последовательностей, полученное программой needle

Таблица 1. Сравнение глобальных и локальных выравниваний гомологичных и негомологичных белков.

Теперь сравним выравнивания гомологичных белков, полученные из множественного выравнивания (выравнивание 1) и с помощью программы needle (выравнивание 2). На рис. 3 показано расположение двух парных выравниваний относительно друг друга.
Я отметила "+" все те позиции, где выравнивание, с моей точки зрения, достоверное. Буквой S отмечены позиции, для которых есть совмещение C-α атомов в пространственной структуре.
Ошибка 1го рода - случай, когда C-α атомы пары остатков в колонке выравнивания, отмеченной "+", в структуре, очевидно, не совмещаются.
Ошибка 2го рода: C-α атомы двух остатков, очевидно, хорошо совмещаются, но соответствующие буквы либо не находятся в одной колонке, либо в одной колонке, но колонка не отмечена "+".

Выравнивание 1: 3 ошибки 1 рода, 10 ошибок 2 рода
Выравнивание 2: 3 ошибки 1 рода, 2 ошибки 2 рода

На рис.4 показан один из участков различия выравниваний, его координаты в общем выравнивании 39-60. В обоих выравниваниях процент совпадающих аминокислот небольшой, но в первом - одно открытие гэпов, тогда как во втором их 2. В этом случае верхнее выравнивание лучше.

Рис. 3. Сравнение парных выравниваний

Рис. 4. Участок различия парных выравниваний, координаты 39-60

На самом деле, в выравнивании 1 гораздо больше позиций, где атомы отмечены и "+", и "S". К тому же, по моему мнению, в нем лучше выровнены края последовательностей. Мне кажется, выравнивание 1 можно считать "правильным".