Globalno poravnanje Poluglobalno poravnanje Lokalno poravnanjepoincare.matf.bg.ac.rs/~nina/bioinf/5/cas05_v2.pdf · 2016. 3. 22. · Matrice supstitucije: PAM Point Accepted Mutation

ČAS 5

Globalno poravnanje

Poluglobalno poravnanje

Lokalno poravnanje

PORAVNANJE

CGCTAATC, CTAG

CGCTAATC

C--TAG--

CGCTAATC

--CTAG--

CGCTAATC

C--TA-G-

ZAŠTO JE PORAVNANJE SEKVENCI

ZNAČAJNO?

Ako je poravnanjem dve sekvence (gena)

utvrđeno da su slični, to može ukazivati da su

Ortolozi

Paralozi

Ksenolozi

PRIMER HORIZONTALNOG TRANSFERA

Otpornost bakterija na antibiotike: urođena ili

stečena

Do stečene dolazi vertikalnim ili horizontalnim

transferom gena, kod neodgovarajuće upotrebe

antibiotika

Vertikalni transfer – nasleđivanjem

Horizontalni transfer – prenošenjem gena na

ćelije u okruženju

ISTRAŽIVANJE

Neodgovarajuća upotreba antibiotika na

poljoprivrednim gazdinstvima – davanje

antibiotika preventivno radi povećanja prinosa

Posledica: razvoj animalnih bakterija otpornih na

antibiotike (konkretno, kod bakterije

Streptocmyces pneumoniae otpornost na

antibiotik eritromicin)

Zadatak istraživanja: ako se kod humanih

bakterija utvrdi prisustvo istog gena (ermB), to bi

značilo da je došlo do horizontalnog transfera

prilikom ishrane

Korišćenje WEB alata:

BLAST (nalaženje sličnih sekvenci)

Višestruko poravnanje:

Clustal Omega (poravnanje više proteinskih sekvenci)

MUSCLE (MUltiple Sequence Comparison by Log- Expectation)

MAFFT (Multiple Alignment using Fast Fourier Transform)

C A C G T A T

0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7

C -1

G -2

C -3

A -4

Needleman - Wunsch Algoritam

Inicijalizacija matrice

C A C G T A T

0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7

C -1 X

G -2

C -3

A -4

X = 0 + match score OR -1 + gap score OR -1 + gap

score

= 1 OR -2 OR -2

= 1


Računanje vrednosti u polju

C A C G T A T

0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7

C -1 1 X

G -2

C -3

A -4

X = -1 + mismatch score OR -2 + gap score OR 1 + gap score

= -1 OR -3 OR 0

= 0


Računanje vrednosti u polju

C A C G T A T

0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7

C -1 1 0 -1 -2 -3 -4 -5

G -2 0 1 0 0 -1 -2 -3

C -3 -1 0 2 1 0 -1 -2

A -4 -2 0 1 2 1 1 0


Cela matrica skora

C A C G T A T

0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7

C -1 1 0 -1 -2 -3 -4 -5

G -2 0 1 0 0 -1 -2 -3

C -3 -1 0 2 1 0 -1 -2

A -4 -2 0 1 2 1 1 0

Needleman - Wunsch Algorithm

Određivanje putanja

C A C G T A T

0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7

C -1 1 0 -1 -2 -3 -4 -5

G -2 0 1 0 0 -1 -2 -3

C -3 -1 0 2 1 0 -1 -2

A -4 -2 0 1 2 1 1 0

Putanja 1: HDHHDDD

Putanja 2: HDDDHHD

Putanja 3: HDDDDHH

Needleman - Wunsch Algorithm

Određivanje putanja

Određivanje poravnanja za putanju 1

Putanja 1: HDHHDDD

Gornja sekvenca: CACGTAT

Leva sekvenca: CGCA

Horizontalno pomeranje – poravnaj karakter u

gornjoj sekvenci i prazninu

Trenutno poravnanje:

T

-


Putanja 1 : HDHHDDD

Gornja sekvenca : CACGTAT

Leva sekvenca : CGCA

Dijagonalno pomeranje – poravnaj karakter u

gornjoj sekvenci i karakter u donjoj sekvenci

Trenutno poravnanje :

AT

A-


Putanja 1 : HDHHDDD






TAT

- A -


Putanja 1 : HDHHDDD






GTAT

- - A -


Putanja 1 : HDHHDDD






CGTAT

C - - A -


Putanja 1 : HDHHDDD






ACGTAT

GC- - A -


Putanja 1 : HDHHDDD






CACGTAT

CGC - - A - SCORE: 0


za poravnavanje dugačke sekvence sa kratkom

sekvencom

Primer: pokušavamo da utvrdimo da li se u genomu

bakterije Serratia marcescenes (dužine oko 5 miliona

nukleotida) nalazi gen sličan ermB (


Modifikacija Needleman-Wunsch-ovog algoritma

za poluglobalno poravnanje:

Elemente prve vrste i prve kolone postaviti na

nulu.

Prilikom računanja elemenata poslednje

vrste/kolone, ne dodavati gapscore na na

vrednost prethodnog elementa poslednje

vrste/kolone.

U odnosu na način popunjavanja matrice,

izmeniti formiranje putanja.

Lokalno poravnanje

za poravnanje sekvenci koje imaju vrlo slične delove

(konzervirani regioni) i vrlo različite delove

Na primer, dva ermB gena u organizmima koji nisu

evolutivno bliski

AAGCTCCGATCTCG

TAAGCAAGAATCCGA

niz praznih kod lokalnog poravnanja ne označava

udaljavanje od idealnog poravnanja

Lokalno poravnanje

Modifikacija Needleman-Wunsch-ovog algoritma

za lokalno poravnanje – Smith-Waterman-ov

algoritam:

prvu i poslednju vrstu/kolonu inicijalizovati

kao kod poluglobalnog poravnanja

Ako je element matrice manji od nule,

postaviti vrednost na nulu

računanje poravnanja sada ne kreće od donjeg

desnog elementa matrice već od maksimalnog,

i ne ide do gornjeg levog već do prvog elementa

jednakog nuli

Poravnanje proteinskih sekvenci

•- identične amino kiseline

: - slične amino kiseline

. – manje slične amino kiseline


mutacije koje

menjaju jednu

amino kiselinu

sa njoj sličnom

ređe remete

funkciju proteina


mutacije koje

menjaju jednu

amino kiselinu

sa potpuno

različitom često

remete funkciju

proteina


Poravnanje proteinskih sekvenci nam može dati

odgovore na sledeća pitanja:

1. Koja je funkcija nekog proteina? (slični proteini

često imaju slične funkcije)

2. Šta radi određeni deo proteina?

3. Šta će se desiti ako kod određenog proteina dođe

do mutacije?

4. Šta izaziva oboljenja kao što su cistična fibroza,

srpasta anemija, …?


Kako poravnavati proteine?

1. Needleman-Wunsch

2. Matrice supstitucije:

1. match/mismatch skor na osnovu sličnosti aminokiselina

2. osnovu skupa poznatih mutacijana osnovu hidrofobnosti

3. konstruisane na

PAM (zasnovana na osnovu globalnog poravnanja vrlo sličnih proteina)

BLOSUM (zasnovana na osnovu lokalnog poravnanja vrlo sličnih proteina)


cas06/zadaci

Matrice supstitucije: PAM

Point Accepted Mutation (1978)

Konstruisana na osnovu globalnih poravnanja

između blisko evolutivno povezanih sekvenci i

njihovog pretka

Osnovna PAM matrica se još zove i PAM1 jer se

sekvence na osnovu kojih je konstruisana

razlikuju za najviše 1%

Vrednosti u matrici su logaritam verovatnoće

svake promene – pozitivna vrednost znači da je

verovatnoća mutacije češća nego očekivano, a

negativna da je ređa

PAMx=(PAM1)x - PAM30, PAM70, PAM150,

PAM250

Matrice supstitucije: BLOSUM

Block Substitution Matrix (1992)

Konstruisana na osnovu lokalnih poravnanja

konzerviranih regiona evolutivno udaljenih

proteina

Postoji više BLOSUM matrica, najčešće se koristi

BLOSUM62

BLOSUMx – x označava procenat sličnosti

proteina na osnovu kojih je konstruisana matrica

Izgradnja matrice supstitucije

Inicijalizovati frekvencije aminokiselina i parova na

neku pseudovrednost (obično 1)

na osnovu skupa poravnanja, izračunati:

qij = (broj pojavljivanja ij poravnanja)/(ukupan broj

poravnatih pozicija) – verovatnoća poravnanja

aminokiseline i i aminokiseline j

pi = (broj pojavljivanja aminokiseline i)/(ukupan broj

pozicija aminokiselina) – verovatnoća pojavljivanja

aminokiseline i

eij = 2pipj (ako je ij)

eij = pi2 (ako je i==j) – očekivanje ij poravnanja na

osnovu verovatnoća pojavljivanja aminokiseline

i i aminokiseline j

sij=log2(qij/eij) – element matrice supstitucije


Primer: data su sledeća poravnanja:

YFRFR FRFRFR YFYFR–F

YF–FR ARFRFR YFRFRYF

Odredimo vrednosti matrice za zamenu aminokiseline Y

aminokiselimom R

qRY=2/16 (broj poravnanja Y i R dodamo na

pseudovrednost (najčešće 1) i podelimo sa ukupnim

brojem parova ne računajući parove koji sadrže

prazninu)

pY=6/32 (broj pojavljivanja Y dodamo na pseudovrednost

i podelimo sa ukupnim brojem aminokiselina ne

računajući aminokiseline u parovima koji sadrže

prazninu)


pR=12/32 (broj pojavljivanja R dodamo na

pseudovrednost i podelimo sa ukupnim brojem

aminokiselina ne računajući aminokiseline u

parovima koji sadrže prazninu)

Sada možemo izračunati eyr i syr. Vrednost syr je manja

od nule što znači da se poravnanje Y-R dešava ređe

nego očekivano s obzirom na broj pojavljivanja Y i R

Documents

Globalno poravnanje Poluglobalno poravnanje Lokalno poravnanjepoincare.matf.bg.ac.rs/~nina/bioinf/5/cas05_v2.pdf · 2016. 3. 22. · Matrice supstitucije: PAM Point Accepted Mutation