实验二-核酸及蛋白质序列的比对
实验二-核酸及蛋白质序列的比对教学教材
实验二-核酸及蛋白质序列的比对实验二核酸及蛋白质序列的比对姓名：班级：序号：指导老师：一、实验内容利用检索出的蛋白质和核酸序列进行序列比对并进行分子进化树分析。
二、实验步骤键入上次实验获得的phyA的核酸序列编号（NM_100828），获得核酸及蛋白质序列。
利用blastx程序寻找与phyA蛋白质序列相似性的序列→选择下列序列：sorghum propinquum（高粱）；zea mays（玉米）；水稻；大豆；arabidopsis thaliana（拟南芥）；cyrtosia septentrionalis（血红肉果兰）→点击get select sequence按钮显示序列为纯文本格式文件→分别命名为各自的文件名保存在本地电脑上备用。
在数字基因网/找到dnaman及clustalx软件安装并进行多序列比对及分子进化树分析。
利用ebi上提供多序列比对工具再作一次比对/clustalw/。
选作核酸序列的比对5、打开ncbi主页点击BLAST→学习网页左侧的BLAST FAQS及program guide三、作业1、绘制分子进化树，并标明各个物种phyA蛋白之间的序列相似性。
2、根据你所学生物分类的知识，试解释该分子进化树的合理性①拟南芥：植物界种子植物门被子植物门双子叶植物纲十字花目十字花科鼠耳芥属（拟南芥属）②大豆：植物界种子植物门被子植物亚门双子叶植物纲豆目蝶形花科大豆属③血红肉果兰：植物界种子植物门被子植物亚门百合纲百合目兰科树兰亚科肉果兰属④水稻：植物界种子植物门被子植物亚门单子叶植物纲禾本目禾本科稻属⑤玉米：植物界种子植物门被子植物亚门单子叶植物纲禾本目禾本科玉米属⑥高粱：植物界种子植物门被子植物亚门单子叶植物纲禾本目禾本科高粱属经过对比可得下列同源性关系高粱玉米水稻拟南芥大豆血红肉果兰与前面的同源树对比基本相似，说明软件分析结果与实际相符3、找出一条可能的保守序列（多条蛋白共同的氨基酸序列）。
蛋白质序列比较中的图形表示及其相似性分析
摘要摘要蛋白质结构预测是生物信息学中的重要课题，而蛋白质序列是蛋白质结构预测的基础。
由此蛋自质序列的比较分析就显得尤为重要。
我们在这里主要探讨的就是蛋白质序列比较中的图形表示方法和在此基础上的相似性分析方法。
本文总结了蛋白质序列比较的一些已有方法和算法后，就其中的蛋白质序列的图形表示进行了详细研究，给出了３维和６维这两种图形表示方法，一种方法具有直观的优点，另一种方法具有完备描述序列特征的长处。
接着，在６维图形表示的基础上，做出其相似性分析，给出某个蛋白质序列的各种距离矩阵，并就Ｌ／Ｌ矩阵给出它的最大特征值和信息熵这两个量，由于６维图形表示有三种不同形式，所以每一个蛋白质序列的最大特征值和信息熵都是一个三维向量，然后就这些向量来进行序列间的比。
较。
得出的比较结果与已有的结果很相似。
最后就相似性补充了两个蛋白质序列间最长公共子序列问题。
这种图形表示方法及其相似性分析对于蛋白质序列的比较是一种新的推动力。
关键词：序列比较，图形表示，相似性分析，最长公共子序列————查堡墨三茎兰堡圭兰焦堡塞ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅｓｔｍｃｔ＇ＬＥｅｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｏｆｐｒｏｔｅｉｎｓｉｓｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｐｒｏｂｌｅｍｏｆｂｉｏｌｏｇｙｉｎｆｏｒｍａｔｉｃｓ．Ａｎｄｔｈｅｐｒｏｔｅｉｎｓｅｑｕｅｎｃｅｉｓｔｈｅｂａｓｅｏｆｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｏｆｐｒｏｔｅｉｎｓ．Ｓｏｔｈｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆｐｒｏｔｅｉｎｓｅｑｕｅｎｃｅａｒｅｐｒｏｖｉｄｅｄｗｉｔｈｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ．２Ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｓｏｆｇｒａｐｈｉｃａｌｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｓｉｍｉｌａｒｉｔｙａｒｅｔｈｅｌｅａｄｉｎｇｓｔｕｄｙｏｂｊｅｃｔｓｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．ＴｈｉｓｐａｐｅｒＳｕＩＴＩＳｕｐｔｈｅｍｅｔｈｏｄｓａｎｄａｌｇｏｒｉｔｈｍｓｏｆｔｈｅｐｒｏｔｅｉｎｓｅｑｕｅｎｃｅｓｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ．Ｔｈｅｎ３Ｄａｎｄ６Ｉ）ｇｒａｐｈｉｃａｊｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎａｌｅｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅｆｏｒｍｅｒｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎｈａｓｉｎｔｕｉｔｉｏｎａｌｍｅｒｉｔ．Ｔｈｅｏｔｈｅｒｈａｓｔｈｅｔｈｅｓｔｒｏｎｇｐｏｉｎｔｔｈａｔｉｔｃａｎｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ＆ｓｃｒｉｂｅｔｈｅｓｅｑｕｅｎｃｅｃｈａｒａｃｔｅｒｓ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅ６ＤＦａｐＭｃａｌｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ，ｔｈｅａｕｔｈｏｒｇｉｖｅｓｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｓｉｍｉｌａｒｉｔｙ．Ａｔｆｉｒｓｔｍａｎｙｄｉｓｔａｎｃｅｎ１撕ｃｃｓｏｆａｐｒｏｔｅｉｎｓｅｑｕｅｎｃｅａｒｅｇｉｖｅｎ．ＴｈｅｎｔｈｅｌｅａｄｉｎｇｅｉｇｅｎｖａｌｕｅａｎｄｔｈｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｅｎｔｒｏｐｙｃｏｍｅｆｒｏｍｔｈｅＬ／Ｌｍａｔｒｉｃｅｓ．Ｓｉｎｃｅｔｈｅｒｅａｒｅｔｈｒｅｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐａｔｔｅｒｎｓａｂｏｕｔｔｈｅ６Ｄ乒ａｐｈｉｃａｌｍｐｍｓｅｍａｆｉｏｎ，ｔｈｅｌｅａｄｉｎｇｅｉｇｅｎｖａｔｕｅａｎｄｔｈｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｅｈｔｒｏｐｙｏｆａｐｒｏｔｅｉｎｓｅｑｕｅｎｃｅｂｏｔｈａｒｅａ３－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｖｅｃｔｏｒ．Ｔｈｅｎｔｈｅａｕｔｈｏｒｃｏｍｐａｒｅｓｔｈｅｐｒｏｔｅｉｎｓｅｑｕｅｎｃｅｓｕｓｉｎｇｔｈｅｓｅ３－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｖｅｃｔｏｒｓ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｆｒｏｍｔｈｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎａｃｃｏｒｄｗｉｔｈｒｅｓｕｌｔｓｉｎｅｘｉｓｔｅｎｃｅ．Ａｔ１＆ｓｔ，ｆｏｒｔｈｅｓｉｍｉｌａｒｉｔｙ，ｔｈｅａｕｔｈｏｒｇｉｖｅｓｈｏｗｔｏｇｅｔｔｈｅｌｏｎｇｅｓｔｃｏｍｍｏｎｓｕｂｓｅｑｕｅｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｔｗｏｐｒｏｔｅｉｎｓｅｑｕｅｎｃｅｓ．ＴｈｅＦａｐＭｃａｌｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎｓａｎｄｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｓｉｍｉｌａｒｉｔｙａｒｅｎｅｗｉｍｐｕｌｓｅｔｏｔｈｅｃｏｍｐ缸ｅｏｆｐｒｏｔｅｉｎｓｅｑｕｅｎｃｅｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｅｑｕｅｎｃｅｓｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ，ｇｒａｐｈｉｃａｌｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ，ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｓｉｍｉｌａｒｉｔｙ，ｌｏｎｇｅｓｔｃｏｍｍｏｎｓｕｂｓｅｑｕｅｎｃｅＨ蛋白质序列比较中的图形表示及其相似性分析０前言０．１引言随着人类基因组计划（ＨＧＰ）实施的进一步深入，生命科学已步入后基因组时代。
核酸与蛋白质序列分析
光学测序技术利用光信号的变化来检测DNA或RNA序列， 具有高分辨率和高灵敏度等优点，是未来测序技术的重要 发展方向。
人工智能在序列分析中的应用
序列比对
人工智能算法能够快速准确地比对新序列与已知序列之间的相似 性和差异性，有助于发现新的基因和变异。
结构预测
人工智能可以预测蛋白质的三维结构，有助于理解蛋白质的功能和 相互作用机制Maxam-Gilbert和Sanger的DNA测序方法，以及 primer extension method等。这些方法可以提供核酸序列 的精确信息，但通量较低。
下一代测序（NGS）
随着技术的发展，出现了高通量的下一代测序技术，如 Illumina、SOLiD、Ion Torrent和PacBio等。这些技术可以 同时测定大量核酸序列，大大提高了测序速度和通量。
诊断标志物筛选
基于蛋白质序列分析，筛选与疾病相关的生物标志物，用于疾病的早期诊断和预后评估。
04
序列分析的挑战与未来发展
高通量测序技术的局限性
成本高昂
01
尽管高通量测序技术已经显著降低了测序成本，但仍相对昂贵，
限制了其在某些领域的应用。
数据解读难度大
02
高通量测序产生的数据量庞大，需要专业的生物信息学分析方
顺序。
酶降解法
利用特定的酶将蛋白质分解为肽段， 再测定各肽段的氨基酸序列。
自动测序法
利用特定的仪器自动进行蛋白质的 测序，如质谱仪和液相色谱仪等。
蛋白质的变异与修饰
基因突变
由于基因突变导致蛋白质合成过程中出现氨基酸 替换或缺失，从而影响蛋白质的功能。
磷酸化
蛋白质上的特定氨基酸残基被磷酸化，影响蛋白 质的活性、定位和稳定性。
实验2 序列查询(Entrez)、BLAST序列相似性搜索
实验二：序列查询(Entrez)、BLAST序列相似性搜索实验目的：1.学会用Entrez系统查找目标序列2.学会使用BLAST在数据库中搜索相似序列3.学会分析数据库搜索结果实验内容：一、EntrezEntrez是一个由NCBI创建并维护的基于Web界面的综合生物信息数据库检索系统。
用户不仅可以方便地检索Genbank的核酸数据，还可以检索来自Genbank和其它数据库的蛋白质序列数据、基因组图谱数据、来自分子模型数据库(MMDB)的蛋白质三维结构数据、种群序列数据集、以及由PubMed获得Medline的文献数据。
网址：/Entrez/（或在NCBI主页默认All Databases时点击搜索框右边的Search进入）。
如Figure 2.1所示：Figure 2.1 entrez 检索系统子数据库点击搜索框右边的help按钮，即可进入Entrez帮助页面。
在搜索栏输入你要查找的关键词，点击“GO”即可开始搜索。
如果输入多个关键词，它们之间默认的是“与”（AND）的关系。
Ｔｉｐｓ：搜索的关键词可以是一个单词，短语，句子，数据库的识别号，基因名字等等，但必须明确，不能是“ｇｅｎｅ”， “ｐｒｏｔｅｉｎ”等没有明确指向的词语。
但“ｔｒａｎｓｃｒｉｐｔｉｏｎ ｆａｃｔｏｒ”这样有一定范围的词是可以接受的。
可以用你感兴趣的领域的专业术语，也可以是非专业术语，比如：ｈ１ｎ１，ｌｕｎｇ ｃａｎｃｅｒ，ａｌｂｉｎｉｓｍ； ｓｕｂｔｉｌｉｓｍ， ｐｅｒｏｘｉｄａｓｅ， ｍｙｏｇｌｏｂｉｎ。
输入关键词，点击“GO”之后，每个数据库图标前方出现了数字,代表的是在相对应的数据库里搜索到的条目数。
点击进入对应的数据库，可以查看搜索到的条目。
如果在数据库图标前面为灰色，显示“none”,说明在对应的数据库里没有搜索到任何结果。
也可以直接通过NCBI任一页面上的搜索栏进行Entrez搜索。
点击“search”后面的下拉菜单，选择数据库，在下面的文本框里输入关键词，点击“Search”即可(Figure 2.2)。
实验二 双序列比对分析
实验三双序列比对分析一．实验目的Tay-Sachs是一种常染色体隐性遗传疾病，它的起因是第15号染色体的等位基因HEXA突变。
人类的HEXA基因在GenBank中的编号为“NM_000520”，小鼠的HEXA 基因在GenBank中的编号为“AK080777”，它们是核苷酸序列，以这两条序列为例，学习双序列比对分析。
1．学习和掌握在MATLAB平台上应用Bioinformatics工具包有关核苷酸和蛋白质双序列比对的命令和功能。
2．学习和掌握在MATLAB平台上应用Bioinformatics工具包访问GenBank，并提取核苷酸和蛋白质序列数据的方法。
3．学习和掌握在MATLAB平台上应用Bioinformatics工具包制作核苷酸或蛋白质两条序列比对的点阵图的方法。
4．学习和掌握在MATLAB平台上应用Bioinformatics工具包进行核苷酸或蛋白质双序列的局部比对和全局比对的方法。
二．实验内容1．在MATLAB平台上应用Bioinformatics工具包访问GenBank，提取核苷酸序列并转换为蛋白质序列。
①用“web”命令在MATLAB平台上打开NCBI网页。
web('/')web('/books/bv.fcgi?call=bv.View..ShowSection&rid=gnd')②用“getgenbank”功能从GenBank中读序列信息到MARLABhumanHEXA = getgenbank('NM_000520')mouseHEXA = getgenbank('AK080777')在MATLAB的workshop打开humanHEXA 和mouseHEXA查看其内容。
③从GenBank中提取2条核苷酸序列后，首先要做的是用全局比对来寻找两条序列中的相似序列。
因为进行蛋白质序列的比对更能体现其生物学本质，所以常常进行蛋白质序列的比对。
生物信息学8序列比对
局部相似性和整体相似性
序列比对的基本思想，是找出检测序列和目标序列的相 似性。比对过程中需要在检测序列或目标序列中引入空位， 以表示插入或删除（图2）。
图2 序列比对，图中“-”表示插入和删除，用字符表示相同的残基，“+”表示相似残基
序列比对的最终实现，必须依赖于某个数学模型。不 同的模型，可以从不同角度反映序列的特性，如结构、 功能、进化关系等。很难断定，一个模型一定比另一个 模型好，也不能说某个比对结果一定正确或一定错误， 而只能说它们从某个角度反映了序列的生物学特性。此 外，模型参数的不同，也可能导致比对结果的不同。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
当相似程度高于50%时，比较容易推测检测序列 和目标序列可能是同源序列；而当相似性程度低于 20%时，就难以确定或者根本无法确定其是否具有 同源性。 总之，不能把相似性和同源性混为一谈。所谓 “具有50%同源性”，或“这些序列高度同源”等 说法，都是不确切的，应该避免使用。
而同源又有两种不同的情况即垂直方向的(orthology) 与水平方向的(paralogy)。 直系同源(orthology)是比较基因组学中最重要的定义。 直系同源的定义是： (1)在进化上起源于一个始祖基因并垂直传递(vertical descent)的同源基因； (2)分布于两种或两种以上物种的基因组； (3)功能高度保守乃至于近乎相同，甚至于其在近缘物 种可以相互替换； (4)结构相似； (5)组织特异性与亚细胞分布相似
旁系同源(paralogy)基因是指同一基因组(或同系物种 的基因组)中，由于始祖基因的加倍而横向(horizontal) 产生的几个同源基因。
直系与旁系的共性是同源，都源于各自的始祖基因。其区别在于： 在进化起源上，直系同源是强调在不同基因组中的垂直传递，旁系同源 则是在同一基因组中的横向加倍；在功能上，直系同源要求功能高度相 似，而旁系同源在定义上对功能上没有严格要求，可能相似，但也可能 并不相似(尽管结构上具一定程度的相似)，甚至于没有功能(如基因家族 中的假基因)。旁系同源的功能变异可能是横向加倍后的重排变异或进化 上获得了另一功能，其功能相似也许只是机械式的相关 (mechanistically related)，或非直系同源基因取代新产生的非亲缘或 远缘蛋白在不同物种具有相似的功能。
实验2 序列查询(Entrez)、BLAST序列相似性搜索
实验二：序列查询(Entrez)、BLAST序列相似性搜索实验目的：1.学会用Entrez系统查找目标序列2.学会使用BLAST在数据库中搜索相似序列3.学会分析数据库搜索结果实验内容：一、EntrezEntrez是一个由NCBI创建并维护的基于Web界面的综合生物信息数据库检索系统。
用户不仅可以方便地检索Genbank的核酸数据，还可以检索来自Genbank和其它数据库的蛋白质序列数据、基因组图谱数据、来自分子模型数据库(MMDB)的蛋白质三维结构数据、种群序列数据集、以及由PubMed获得Medline的文献数据。
网址：/Entrez/（或在NCBI主页默认All Databases时点击搜索框右边的Search进入）。
如Figure 2.1所示：Figure 2.1 entrez 检索系统子数据库点击搜索框右边的help按钮，即可进入Entrez帮助页面。
在搜索栏输入你要查找的关键词，点击“GO”即可开始搜索。
如果输入多个关键词，它们之间默认的是“与”（AND）的关系。
Ｔｉｐｓ：搜索的关键词可以是一个单词，短语，句子，数据库的识别号，基因名字等等，但必须明确，不能是“ｇｅｎｅ”， “ｐｒｏｔｅｉｎ”等没有明确指向的词语。
但“ｔｒａｎｓｃｒｉｐｔｉｏｎ ｆａｃｔｏｒ”这样有一定范围的词是可以接受的。
可以用你感兴趣的领域的专业术语，也可以是非专业术语，比如：ｈ１ｎ１，ｌｕｎｇ ｃａｎｃｅｒ，ａｌｂｉｎｉｓｍ； ｓｕｂｔｉｌｉｓｍ， ｐｅｒｏｘｉｄａｓｅ， ｍｙｏｇｌｏｂｉｎ。
输入关键词，点击“GO”之后，每个数据库图标前方出现了数字,代表的是在相对应的数据库里搜索到的条目数。
点击进入对应的数据库，可以查看搜索到的条目。
如果在数据库图标前面为灰色，显示“none”,说明在对应的数据库里没有搜索到任何结果。
也可以直接通过NCBI任一页面上的搜索栏进行Entrez搜索。
点击“search”后面的下拉菜单，选择数据库，在下面的文本框里输入关键词，点击“Search”即可(Figure 2.2)。
南开大学结构生物学第五讲-2-核酸-蛋白质的相互作用研究方法的新进展
2.2 核苷酸-氨基酸相互作用数据库
核苷酸-氨基酸相互作用数据库搜集核苷酸和氨基 酸间4 埃大小内的成对原子，能让使用者找到成对 的核苷酸和氨基酸。
使用者可以指定残基名称( 核苷酸或氨基酸)、原子 类型和侧链/ 骨干。
3 生物芯片技术
生物芯片技术是基于生物大分子间相互作用 的大规模并行分析方法，使得生命科学研究 中所涉及的样品反应、检测、分析等过程得 以连续化、集成化和微型化，现已成为当今 生命科学研究领域发展最快的技术之一。
目前的生物芯片主要有核酸芯片、蛋白质芯 片和糖体芯片等几大类。
蛋白质芯片是依靠手工、压印或喷墨的方 法将探针蛋白点样在化学膜、凝胶、微孔 板或玻片上形成阵列，经过与样品的杂交 捕获靶蛋白，再用原子力显微镜、磷光成 像仪、光密度仪或激光共聚焦扫描仪进行 检测，获得靶蛋白表达的种类、数量及关 联等信息。
研究蛋白质/ 核酸相互作用近期采用的新技 术有：1.核酸适体技术、2.生物信息学方法、 3.蛋白质芯片技术以及4.纳米技术等。
蛋白质和核酸是构成生命体最为重要的两类 生物大分子。
蛋白质与核酸的相互作用是分子生物学研究 的中心问题之一，它是许多生命活动的重要 组成部分。
随着人类基因组计划的完成，大量基因被发 现和定位，基因的功能问题将成为今后研究 的热点。大多数基因的最终产物是相应的蛋 白质，因此要认识基因的功能，必然要研究 基因所表达的蛋白质。
通过准确检测DNA分子穿孔过程中引起的 电流阻塞效应，可将DNA与组蛋白的相互 作用的一些性质反映出来。
蛋白质的功能往往体现在与其他蛋白质及 (或)核酸的相互作用之中。
细胞各种重要的生理过程，包括信号的转导、 细胞对外界环境及内环境变化的反应等，都 是以蛋白质与其他物质的相互作用为纽带。
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实验二核酸及蛋白质序列的比对
姓名：班级：序号：指导老师：
一、实验内容
利用检索出的蛋白质和核酸序列进行序列比对并进行分子进化树分析。
二、实验步骤
键入上次实验获得的phyA的核酸序列编号（NM_100828），获得核酸及蛋白质序列。
利用blastx程序寻找与phyA蛋白质序列相似性的序列→选择下列序列：sorghum propinquum（高粱）；zea mays（玉米）；水稻；大豆；arabidopsis thaliana （拟南芥）；cyrtosia septentrionalis（血红肉果兰）→点击get select sequence按钮显示序列为纯文本格式文件→分别命名为各自的文件名保存在本地电脑上备用。
在数字基因网/找到dnaman及clustalx软件安装并进行多序列比对及分子进化树分析。
利用ebi上提供多序列比对工具再作一次比对/clustalw/。
选作核酸序列的比对
5、打开ncbi主页点击BLAST→学习网页左侧的BLAST FAQS及program guide
三、作业
1、绘制分子进化树，并标明各个物种phyA蛋白之间的序列相
似性。
2、根据你所学生物分类的知识，试解释该分子进化树的合理性
①拟南芥：植物界种子植物门被子植物门双子叶植物纲十字花目十字花科鼠耳芥属（拟南芥属）
②大豆：植物界种子植物门被子植物亚门双子叶植物纲豆目蝶形花科大豆属
③血红肉果兰：植物界种子植物门被子植物亚门百合纲百合目兰科树兰亚科肉果兰属
④水稻：植物界种子植物门被子植物亚门单子叶植物纲禾本目禾本科稻属
⑤玉米：植物界种子植物门被子植物亚门单子叶植物纲禾本目禾本科玉米属
⑥高粱：植物界种子植物门被子植物亚门单子叶植物纲禾本目禾本科高粱属
经过对比可得下列同源性关系
高粱
玉米
水稻
拟南芥
大豆
血红肉果兰
与前面的同源树对比基本相似，说明软件分析结果与实际相符3、找出一条可能的保守序列（多条蛋白共同的氨基酸序列）。
最长的保守序列： kliqpfgcllaldek。