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Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
Comparar secuencias = Obtener información
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)Los aa importantes para el mantenimiento de la estructura y/o función de la proteína se encuentran bajo presión evolutiva: o se conservan o, si cambian, lo hacen por aa parecidos. Estos aa se pueden identificar
haciendo un alineamiento de proteínas homólogas.
Si dos secuencias están muy próximas en la evolución, habrán cambiado muy poco y será difícil detectar qué aa son
los realmente importantes
Si dos secuencias están muy lejanas será difícil hacer un alineamiento
capaz de detectar los residuos importantes.
Este problema se puede resolver
alineando el mayor número
posible de secuencias homólogas.
Alineamiento de dos secuencias
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
Alineamiento múltiple de secuencias
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
Alineamiento múltiple de secuencias
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
Para ser útil, un AMS debe incluir un amplio rango de similitudes
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
El porcentaje de identidad entre secuencias
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
Alineamiento óptimo de múltiples secuencias
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
Regiones conservadas y no conservadas
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
Al alinear muchas secuencias, las columnas
que contienen aa idénticos o similares
destacarán claramente.
Estos aa conservados corresponden a aquellas regiones de la proteína
que son importantes para el mantenimiento de la estructura y/o función.
Las regiones de la proteína que toleran indels
suelen corresponder a regiones expuestas
(bucles sin elementos de estructura secundaria.
Regiones conservadas y no conservadas
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
AMS y predicción de estructuras
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
AMS y relaciones filogenéticas
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
Aplicaciones de los AMSAplicaciones de los AMS (1)
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
Aplicaciones de los AMS (2)
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
Selección de secuencias para un AMS (1)
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
Selección de secuencias para un AMS (2)
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
¿Qué tipo de secuencias necesito para un AMS?
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
No es una buena idea seleccionar muchas secuencias
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
Hacer un AMS con muchas secuencias es complicado
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
Nombrar las secuencias de un AMS
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
Consejos sobre cómo hacer un AMS
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
Criterios para la construcción de un AMS (2)
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
Métodos para hacer AMS globales
Métodos progresivos
Métodos iterativos
Métodos exactos (basados en la PD)
MSA
CLUSTALW T-COFFEE MUSCLE
PRRN SAGA
AMS globales
Perfiles HMM
Métodos estadísticos y probabilísticos
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
1.- Métodos exactos
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
Método basado en la programación dinámica
Programa MSA
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
El espacio de búsqueda con 3 secuencias (PD)
3002 = 9 104
3003 = 2,7 107
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
Método de programación dinámica
Para alinear dos secuencias de 300 aa, el algoritmo de programación dinámica (PD)
utiliza una matriz bidimensional: El número de operaciones que hay que realizar es 3002.
Para alinear N secuencias de 300 aa, el algoritmo de PD utiliza una matriz n-dimensional: El número
de operaciones que hay que realizar es 300N.
Este método necesita una gran cantidad de recursos computacionales y mucho tiempo. En la práctica apenas se utiliza: sólo si n = 3 ó, si
las secuencias son cortas, 6 < n < 8.
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
Reducción heurística del espacio de búsqueda
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)Método de la “suma de pares”
Un sistema de puntuación del AMS
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
http://xylian.igh.cnrs.fr/msa/msa.html
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
2.- Métodos progresivos
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
J. Mol. Evol. (1987) 25: 351-360
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)Compara todas las secuencias, dos a dos, utilizando el
algoritmo de programación dinámica. Se cuenta el número de residuos que coinciden en cada pareja de secuencias.
El AMS comienza alineando las dos secuencias más parecidas. A continuación va añadiendo de forma
progresiva las secuencias (o grupos de secuencias) que más se parecen a las que ya están alineadas.
El AMS depende mucho de los alineamientos iniciales por parejas. Cualquier error cometido en las primeras
etapas se va arrastrando durante todo el proceso.
Hace un análisis de grupo (cluster analysis) para generar una jerarquía de secuencias en base a su similitud. Con esos datos se genera un árbol filogenético que servirá de
guía para la construcción del AMS.
Algoritmo del método progresivo (1)
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
Algoritmo del método progresivo (2)
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
Inconvenientes del método progresivo
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
http://www.clustal.org/clustal2/
Web oficial de Clustal W – Clustal X
Command-line version Graphical version
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
ClustalW es el más utilizado
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
ClustalW compara las secuencias de dos en dos
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
El algoritmo de ClustalW
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
ClustalW: etapa nº 1
Se utiliza el algoritmo de programación dinámica para calcular la distancia genética entre cada pareja
de secuencias (nº de mismatches /nº matches)
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
ClustalW agrupa las secuencias y genera un dendrograma
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
Dynamic Programming Using A Substitution Matrix
Alineamientos progresivos
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
ClustalW: etapa nº 2
Con esos datos se construye un “árbol guía” que
sirve para decidir el orden
de los alineamientos
(no tiene que ser especialmente
preciso).
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
ClustalW: etapa nº 3
Se empieza alineando las
dos secuencias más parecidas.
A este alineamiento se
le van añadiendo secuencias o alineamientos
por orden decreciente de
similitud.
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
Página principal de ClustalW2 (EBI)
http://www.ebi.ac.uk/Tools/msa/clustalw2/
El servidor EBI va a retirar ClustalW2 en Agosto de 2015 y
recomienda utilizar Clustal Omega
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
Otras opciones para hacer AMS (EBI)
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
http://www.ebi.ac.uk/Tools/msa/clustalo/
Página principal de Clustal Omega (EBI)
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
Para hacer un AMS con ClustalW2:
1.- Seleccionar las secuencias en formato FASTA
2.- Introducir las secuencias en el campo
3.- Seleccionar los parámetros del alineamiento por parejas
4.- Seleccionar los parámetros del alineamiento múltiple
5.- Indicar si quieres recibir los resultados por e-mail
Cómo se hace un AMS con ClustalW2
6.- Submit!!
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
Introduce las secuencias
Escoge DNA o proteínas
Corta/pega las secuencias aquí (de una en una). El límite son 500.
Si ya tienes las secuencias
seleccionadas en un único archivo, pincha aquí para cargarlo en
el formulario. El tamaño máximo del archivo es 1 Mega
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
Selecciona parámetros del alineamiento por parejas
Selecciona el tipo de alineamiento
Selecciona la matriz de sustitución
Selecciona la penalización por abrir un indel
Selecciona la penalización por extender
un indel
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
Selecciona parámetros del alineamiento múltiple
Selecciona los parámetros del alineamiento múltiple
Selecciona la matriz de sustitución
Selecciona la penalización por abrir un indel
Selecciona la penalización por extender
un indel
Indica si quieres recibir el resultado por e- mail
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
ClustalW2 está trabajando …
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
Resultados de ClustalW2 (1)
Puedes guardar el alineamiento como
un fichero
Puedes aplicar colores
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
Resumen de los resultados
Resultados de ClustalW2 (2)
Código de colores
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
Puedes utilizar Jalview, una herramienta que permite visualizar y/o editar el alineamiento
Tabla con las puntuaciones de
todos los alineamientos
posibles por parejas
Distancias entre las secuencias
Árbol guía (dendrograma)
Resultados de ClustalW2 (3)
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
Resultados de ClustalW2 (4)
Cladograma (árbol guía utilizado para construir el AMS)
Árbol filogenético en formato reconocible por el ordenador, que se puede cortar y pegar en otras
herramientas bioinformáticas
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
http://www.ch.embnet.org/software/ClustalW.html
ClustalW en el SIB
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
http://simgene.com/ClustalW
Otra dirección de ClustalW2
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
error
ABCD
El gran inconveniente de ClustalW
Propagación del error inicial
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
J. Mol. Biol. (2000) 302, 205-217
T-Coffee = Tree-based Consistency Objective Function for alignmEnt Evaluation
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
Aplicaciones de T-Coffee
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
T-Coffee
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)Clustal Lalign
El algoritmo de T-Coffee
1.- El programa comienza haciendo
alineamientos globales (con CLUSTAL) y
locales (con Lalign) en cada pareja de
secuencias
2.- A partir de los alineamientos crea una biblioteca primaria en la que cada pareja de residuos alineados está ponderada (su
importancia depende del porcentaje de
identidad entre las dos secuencias)
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
T-Coffee extiende la biblioteca
3.- Se extiende la biblioteca: cada pareja de secuencias alineada se
compara con las demás secuencias y se recalcula el factor de ponderación en cada posición del alineamiento.
4.- Se hace un alineamiento progresivo de las secuencias. Se alinean dos a dos utilizando los
factores de ponderación. Se calcula la matriz de distancias y se construye
un árbol guía que dirija el alineamiento. Se empieza por las
más parecidas y se van añadiendo las secuencias (o pareja de secuencias)
más parecidas hasta completar el alineamiento.
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
Ejemplo de la extensión de la biblioteca
Librería primaria: cada pareja de secuencias alineada recibe un factor de ponderación
Librería extendida: Cada pareja de secuencias alineada se compara con las demás secuencias y se recalcula el factor de ponderación
El trazo grueso tiene mayor
factor de ponderación
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
¿Cómo toma Vd el café?
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
http://tcoffee.crg.cat/
Pincha aquí para hacer un AMS sencillo
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
http://www.tcoffee.org/
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
Variantes del programa TCoffee
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
http://simgene.com/T-Coffee
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
MUSCLE
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
Nucleic Acids Research 2004, 32: 1792-1797
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
MUSCLE permite alinear
cientos de secuencias
MUSCLE: el algoritmo
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
El algoritmo de MUSCLE: Etapa 1
The kmer distance is derived from the fraction of kmers in common. This measure does
not require an alignment, giving a significant speed
advantage.
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
El algoritmo de MUSCLE: Etapa 2
The approximate kmer distance
results in a suboptimal tree.
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
El algoritmo de MUSCLE: Etapa 3
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
http://www.ebi.ac.uk/Tools/msa/muscle/
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
http://www.drive5.com/muscle/
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
3.- Métodos iterativos
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
Fundamento de los métodos iterativos
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
PRRN: el artículo original
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
El programa PRRP
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
Algoritmo del programa PRRN
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
Página web del programa PRRN
http://www.genome.jp/tools/prrn/
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
SAGA
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
Nucleic Acids Research 24 (1996): 1515-1524
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
El algoritmo genético
1
2 4
3
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
Etapa 1: Inicialización (G0)
Se escriben las secuencias (una en cada fila), y cada una se desplaza
hacia la derecha un número aleatorio de posiciones. Se
incluyen huecos para que al final todas tengan la misma longitud.
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
Etapa 2: Evaluación mediante una función objetiva (SP)
OF
EO
(SP)
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
Etapa 2: Se descarta el 50% de los AMS
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
Etapa 3: Reproducción (mutaciones y recombinaciones)
Se selecciona el progenitor o progenitores
Se selecciona un operador
descendenciaprogenitores
3
El 50% con mejor puntuación pasa a la siguiente generación y el 50%
restante se genera a partir de estos progenitores mediante un operador
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
Los operadores: mutaciones y recombinaciones
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)Las mutaciones no
cambian la secuencia porque se arruinaría el
alineamiento. Se pueden formar grupos de
secuencias según el árbol filogenético e
introducir huecos en dos posiciones aleatorias del
alineamiento.
Mutaciones: Introducción de huecos
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
Mutaciones: Desplazamiento de bloques
Un bloque de huecos
Un bloque de residuos
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)El hijo 1 se crea a partir de la parte izquierda del
padre 1 y de la parte derecha del padre 2.
Recombinación entre dos progenitores (1)
El hijo 2 se crea a partir de la parte derecha del
padre 1 y de la parte izquierda del padre 2.
Sólo uno de los dos hijos pasa a la
siguiente generación: el que obtiene una mejor
puntuación.
Este hijo conserva las regiones alineadas de sus dos progenitores
(recuadros)
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
Recombinación entre dos progenitores (2)
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
Etapa 4: Finalización
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)http://www.tcoffee.org/Projects_home_page/saga_home_page.html
El programa SAGA
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
4.- Métodos estadísticos y probabilísticos
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
Modelo de Markov oculto (HMM) de un AMS
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
Herramientas para editar AMS
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
Editores de AMS
Los editores de AMS son programas que permiten modificar los AMS generados por otros métodos. Permiten retocar los alineamientos para que tengan en cuenta otros tipos de información o cambiar el formato por otro más adecuado para
su publicación en una revista científica.
http://www.jalview.org/
http://www.ch.embnet.org/software/BOX_form.html
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
Jalview es una herramienta que te permite crear AMS o modificar AMS hechos con otros programas introduciendo otros tipos de
información que ClustalW no ha tenido en cuenta.
JalView
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
http://www.jalview.org/
Página web oficial de JalView
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
http://www.ch.embnet.org/software/BOX_form.html
http://sourceforge.net/projects/boxshade/
También te puedes descargar el programa
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
AMS editado con JalView y sombreado con Boxshade
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
A modo de conclusión
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
Programas para hacer AMS
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
Programas para hacer AMS on-line
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
Los mejores programas para hacer AMS
Alineamiento múltiple de secuencias (AMS)
Algunas recomendaciones para elegir programa