生物信息学第五讲BLAST序列比对
生物信息学中的基因组序列比对算法
生物信息学中的基因组序列比对算法1. 引言生物信息学是研究生物学信息的存储、分析和应用的学科，其中基因组序列比对算法是重要的研究方向之一。
基因组序列比对是将一个序列与一个或多个目标序列进行比较，以寻找相似性和差异性的过程。
本文将介绍生物信息学中常用的基因组序列比对算法，包括Smith-Waterman算法、Needleman-Wunsch算法和BLAST算法。
2. Smith-Waterman算法Smith-Waterman算法是一种动态规划算法，可以用于比对两个序列之间的相似性。
它的基本思想是通过构建一个得分矩阵，计算两条序列中各个位置之间的得分，然后根据得分确定最佳比对。
具体步骤如下：(1) 构建一个得分矩阵，矩阵的行和列分别表示两条序列的每个字符。
(2) 初始化得分矩阵，将第一行和第一列的得分设为0。
(3) 根据特定的得分规则，计算得分矩阵中每个位置的得分。
得分规则可以根据具体情况进行调整，常见的得分规则包括替换得分、插入得分和删除得分。
(4) 从得分矩阵中找出最高得分的位置，得到最佳比对的结束位置。
(5) 追溯最佳比对的路径，得到最佳比对的开始位置。
Smith-Waterman算法的优点是可以寻找到最佳比对的局部相似性，适用于比对包含插入或删除的序列。
3. Needleman-Wunsch算法Needleman-Wunsch算法是一种全局序列比对算法，通过构建一个得分矩阵和得分规则，计算两个序列的全局相似性。
具体步骤如下：(1) 构建一个得分矩阵，矩阵的行和列分别表示两条序列的每个字符。
(2) 初始化得分矩阵，将第一行和第一列的得分设为特定值。
(3) 根据特定的得分规则，计算得分矩阵中每个位置的得分。
(4) 从得分矩阵中找出最高得分的位置，得到最佳比对的结束位置。
(5) 追溯最佳比对的路径，得到最佳比对的开始位置。
Needleman-Wunsch算法的优点是可以寻找到全局最佳比对，适用于比对两个序列之间的整体相似性。
生物信息学中的序列比对算法综述
生物信息学中的序列比对算法综述序列比对（sequence alignment）是生物信息学中一项重要的任务，其目的是找出两个或多个生物序列中的相似性和差异性。
在生物信息的研究和应用中，序列比对算法起到了至关重要的作用。
本文将对生物信息学中的序列比对算法进行综述。
1. 引言序列比对是生物信息学中的一个基本问题，它在基因组学、蛋白质学、进化生物学等领域都得到了广泛的应用。
通过比对不同生物序列之间的相似性和差异性，可以进一步研究基因功能、蛋白质结构以及物种进化等重要问题。
因此，序列比对算法的研究具有重要的理论价值和实际意义。
2. 序列比对的基本概念在进行序列比对之前，首先需要了解序列之间的相似性和差异性的度量方法。
常用的序列相似性度量方法包括编辑距离、相似度百分比、贝叶斯统计等。
其中，编辑距离是一种常见的度量方式，它衡量了两个序列之间的差异程度。
3. 序列比对算法分类序列比对算法可以分为全局比对和局部比对两类。
全局比对算法着重于找出整个序列的相似性和差异性，常用的算法包括Needleman-Wunsch算法和Smith-Waterman算法。
而局部比对算法则注重于找出序列中的局部相似性和差异性，常用的算法有BLAST和FASTA。
4. 全局比对算法全局比对算法的核心思想是将两个序列通过插入、删除和替换等操作转化为相同长度的序列，然后计算它们的相似性得分。
Needleman-Wunsch算法是一种经典的全局比对算法，通过动态规划的方式找到序列之间的最佳比对方式。
Smith-Waterman算法是基于Needleman-Wunsch算法的改进，它将负得分和局部比对引入到全局比对中，提高了比对的准确性。
5. 局部比对算法局部比对算法主要用于序列中的片段比对，其核心思想是通过寻找序列中的相似片段来找出序列的结构和功能区域。
BLAST算法是一种常用的局部比对算法，它通过生成字典和索引的方式实现快速比对。
FASTA算法则是一种早期的局部比对算法，其基本原理是通过序列片段之间的kmer匹配来寻找相似性。
NCBI-Blast 比对方法
BLAST比对
每个设计网站blast使用的底层数据库有差别（NCBI数据一直在更新，不同时段有不同的数据版本，网站blast数据库不一定实时更新），导致blast结果不一。
因此在设计时我们舍弃网站本身blast选项，直接以NBCI-blast比对靶点。
打开BLAST网站：
填入核酸序列，选择比对数据库点击“blast”。
人、小鼠有快速选项，若为其他物种，则点击“others”，“nr/nt”默认，物种输入指定的即可，下方给出三大物种指令：
Norway rat (taxid:10116)；house mouse (taxid:10090) ；Homo sapiens (taxid:9606)
结果界面，Max Score列数值除以2表示匹配的碱基数；完全匹配的全部都是TP53基因的15个转录本，所以，靶点位于同源区；其次，非完全靶向的Max Score最大值为30.2，也就是跟基因SIPA1L2实际结合15个碱基，错配四个，符合特异性原则，该靶点blast结果OK。
以上即靶点设计及比对的流程，该方法同样适合非编码RNA，选择多个网站设计的共有靶点以及设计2~3个靶点进行验证，更加有利于筛选出有效靶点。
生物信息学 chapter05_blast(tingke)
步骤3：粘贴或上传序列
步骤4：选择数据库
nr = non-redundant (most general database) dbest = database of expressed sequence tags dbsts = database of sequence tag sites gss = genomic survey sequences htgs = high throughput genomic sequence
表 BLAST 子程序及其搜索功能简表
程序
查询序列
数据库类型 返回序列
ห้องสมุดไป่ตู้
搜索功能
blastn
核酸
核酸
核酸
用核酸查询序列与核酸数据库中的序列进 行比对
blastp
蛋白质
蛋白质
蛋白质
用蛋白质查询序列与蛋白质数据库中的序 列进行比对
blastx 核酸（翻译）
蛋白质
蛋白质
核酸查询序列先 6 框翻译成蛋白质序列后再 逐一与蛋白质数据库中的序列进行比对
Program Input blastn DNA blastp protein blastx DNA tblastn protein tblastx DNA
Database 1
DNA 1
protein 6
protein 6
DNA 36
DNA
Fig. 4.3
page 91
每种工具各自的特点：
blastn是用核酸序列来搜索核酸序列数据库， 最后返回相似度高的核酸序列。 blastp是用蛋白质序列来搜索蛋白质序列数据 库，最后返回相似度高的蛋白序列。 blastx能够在提交核酸序列后，自动根据可能 的阅读框架将其翻译成6种蛋白质序列，然后 逐一搜索蛋白质序列数据库，最后返回相似度 高的蛋白序列。
生物信息学中的序列比对算法分析
生物信息学中的序列比对算法分析在现代分子生物学中，序列比对是一项非常重要的任务。
生物学家通过比对不同物种间的DNA或蛋白质序列，能够更深入地理解生物界的进化和生物学功能。
序列比对经常被用于比较蛋白质序列，以揭示它们的相同区域和变异区域，从而推测功能、拼图蛋白质结构或阐明进化关系。
在生物信息学领域，一些高质量的序列比对算法被广泛采用，但其具体方法和适用范围是如何的呢？序列比对算法大致可分为全局比对和局部比对两种。
全局比对将整条序列进行对齐，相当于将两个序列定位到横坐标和纵坐标的原点上。
与之相对应的是局部比对，它只对序列中某一区域进行对齐。
全局比对通常用于比较两个具有高度相似性的序列，例如不同物种DNA序列的比对。
而局部比对则常用于比较代表同一蛋白质家族的蛋白质序列。
除了这两种基本的比对模式，还有一些更具特殊化应用的比对方法，比如开环比对、半开放比对等等。
全局比对的经典算法是Needleman-Wunsch算法，其基本思想是动态规划。
以两条DNA序列为例，算法可以计算处所有可能的匹配方式，并选择其中总分最高的一种。
该算法忽略了序列中的重复片段，不适用于两个序列有部分区域高度一致，而其他区域则存在较大差异的情况。
如果两条序列的长度非常不同，可能会出现计算过程时间复杂度增大并产生鲁棒性的问题。
相比之下，局部比对通常采用Smith-Waterman算法，用动态规划的方式找到两条序列中的片段匹配，其过程是在确定了一个匹配片段的前提下，向两侧扩展寻找更长的匹配片段。
Smith-Waterman算法的可变步长（gap）能力使其更新得比经典全局比对算法更好。
但由于算法计算量较大，因此无法执行大规模任务。
最发达的比对算法是BLAST（基础局部对齐搜索工具），它将参考序列和数据库中的查询序列分别分割成短段，只比对那些相似性较高的片段。
从而快速访问数据库并比对大量不同序列。
该算法大大降低了序列比对的计算时间，使比对过程能够在合理的范围内进行。
blast 比对结果 解读
一、介绍blast比对技术blast比对技术是一种广泛应用于生物信息学领域的比对工具，能够对生物序列进行快速的比对和分析。
其基本原理是通过计算目标序列与已知序列的相似性，从而寻找可能的同源序列或者功能相似的序列。
blast比对技术被广泛应用于基因组学、蛋白质组学、转录组学等领域，是解析生物学序列和进行生物信息学分析的重要工具之一。
在进行blast比对分析时，我们通常会得到比对结果文件，下面将介绍如何解读blast比对结果。
二、blast比对结果格式blast比对结果一般以文本文件形式输出，包括多个字段，如query序列ID、subject序列ID、比对得分、相似度等信息。
以下是一个典型的blast比对结果的示例：Query_1 Subject_1 Score_1 Identity_1Query_2 Subject_2 Score_2 Identity_2Query_3 Subject_3 Score_3 Identity_3其中，Query表示查询序列的ID，Subject表示目标序列的ID，Score表示比对得分，Identity表示相似度。
根据这些信息，我们可以对比对结果进行解读和分析。
三、解读比对得分比对得分是比对结果中最重要的指标之一，在blast比对中常使用的得分算法包括bit-score和E-value。
bit-score是描述两条序列之间相似程度的一个数值，数值越大表示两条序列越相似。
E-value是指在随机情况下，得到某个比对得分的概率，E-value越小表示比对结果越显著。
通过分析比对得分，我们可以对比对结果的可靠性和显著性进行评估。
四、分析比对相似度相似度是描述两条序列之间相似程度的指标，通常以百分比形式呈现。
在blast比对结果中，相似度一般指两条序列之间的同义突变和插入缺失事件的比例。
较高的相似度通常说明两条序列具有较高的同源性，反之则说明两条序列差异较大。
通过分析比对相似度，我们可以判断查询序列与目标序列之间的同源关系。
NCBI中Blast序列比对结果解释
NCBI中Blast序列比对结果解释2011-07-26 20:30:12| 分类：生物信息学|字号大中小订阅NCBI中Blast可以用来进行序列比对、检验引物特异性Blast导航主页面主体包括三部分BLAST Assembled Genomes选择你要对比的物种，点击物种之后即可进入对比页面Basic BLAST包含5个常用的Blast，每一个都附有简单介绍Specialized BLAST是一些特殊目的的Blast，如Primer-BLAST、IgBLAST根据需要做出选择本人本学期学习了最基本的核苷酸序列的比对点击Basic BLAST部分的nucleotide链接到一个新的页面，打开后的页面特征：大体上包括三个部分Enter Query Sequence部分可以让我们输入序列，其中的Job Title部分可以为本次工作命一个名字Choose Search Set部分可以选择要与目的序列比对的物种或序列种类。
其中的Entrez Query可以对比对结果进行适当的限制。
Program Selection部分可以选择本次对比的精确度，种内种间等等。
其次Blast按钮下面有一个“Algorithm parameters”算法参数，可设置参数。
点击Blast后，出现的页面大体上包括四个部分一．所询问和比对序列的简单信息1．询问序列的简单信息——名称、描述、分子类型、序列长度2．所比对数据库的名称、描述和所用程序二．Graphic Summary——blast结果图形显示相似度颜色图（黑、蓝、绿、粉红、红，相似度由低到高）三．Descriptions——blast结果描述区1．到其他数据库的链接2．描述以表格的形式呈现（以匹配分值从大到小排序）(1)Accession下程序比对的序列名称，点击相应的可以进入更为详细的map viewer(2)Descriptions下是对所比对序列的简单描述接下来是5个结果数值：(3)Max score匹配分值，点击可进入第四部分相应序列的blast的详细比对结果(4)Total score总体分值(5)Query coverage覆盖率(6)E value——E（Expect）值，表示随机匹配的可能性。
生物信息学中的序列比对算法分析
生物信息学中的序列比对算法分析生物信息学是一门综合性的学科，涉及到生物学、计算机科学、数学、统计学等多个领域。
其中，序列比对算法是生物信息学中非常重要的一个研究领域。
本文将就生物信息学中的序列比对算法进行分析与探讨。
1. 什么是序列比对？生物学中的序列指的是DNA、RNA或蛋白质序列，而序列比对则是将两个或多个序列进行比较，找出它们之间的相似性和差异性。
序列比对通常被用来确定两个或多个序列之间的进化关系，并且在基因鉴定、药物设计和疾病诊断中也有很大的应用价值。
2. 序列比对的算法序列比对算法可以分为精确序列比对和近似序列比对两种类型。
在精确序列比对中，算法的目标是找到两个序列之间的精确匹配点。
而在近似序列比对中，算法的目标则是找到两个序列之间的最佳匹配。
下面我们将介绍几种常见的序列比对算法：2.1 精确序列比对算法2.1.1 Smith-Waterman算法Smith-Waterman算法是一种基于动态规划的算法，用来寻找两个序列之间的最佳局部对齐。
该算法的时间复杂度为O(N^2)，因此适用于较短的序列比对。
2.1.2 Needleman-Wunsch算法Needleman-Wunsch算法也是一种基于动态规划的算法，用来寻找两个序列之间的最佳全局对齐。
该算法的时间复杂度同样为O(N^2)，但是由于其考虑了整个序列，因此速度比Smith-Waterman算法慢。
2.2 近似序列比对算法2.2.1 BLAST算法BLAST算法是基于比较序列片段的算法，它将一个序列分割成较小的片段用来进行比对。
BLAST算法的时间复杂度为O(N* log N)。
2.2.2 模式匹配算法模式匹配算法是利用某种模型来进行序列匹配的算法，其中最为常见的模型是k-mer。
k-mer是一种常用的序列分割方式，它可以对序列进行切分，然后将切分后的小片段与另一个序列进行比对。
这种算法在生物信息学中有着广泛的应用。
3. 序列比对算法的评价标准评价序列比对算法的好坏通常需要对比已知的真实比对结果。