生物信息学-06多序列比对和进化树分析
生物信息学中的序列比对技术分析
生物信息学中的序列比对技术分析随着生物技术的不断进步，自动化测序技术的快速发展，大量生物学数据呈爆炸式增长。
同时，对生物信息学分析的需求日益增大，序列比对则成为生物信息学最常见的分析手段之一。
序列比对技术可以对已知序列与未知序列进行匹配、比对，以找出其中的异同点，分析其功能和演化关系，是生物科学、基因组学等分支的核心技术之一。
1. 序列比对的基本概念序列比对是指将两个或多个序列进行对比，找出它们的相似和不同之处的过程。
从基本原理上讲，序列比对是将一条DNA或RNA序列与另一条同源序列进行匹配的过程，而通过比较相同和不同之处来推断它们可能存在的共同祖先。
所谓同源序列，指的是两个或多个序列具有较高的序列相似度，可能来自相同种属的生物体或同一基因家族中的不同基因成员。
同源序列对于了解分子进化、基因结构与功能以及物种关系具有重要的意义。
2. 序列比对的类型在生物信息学领域，基本可以将序列比对分为全局比对和局部比对两种。
（1）全局比对全局比对是指将整个序列与另一条序列进行比对，寻找全长匹配区域。
全局比对适用于已知的高度同源性序列分析。
最常用的全局比对算法包括 Needleman-Wunsch 和 Smith-Waterman 算法。
其中，Needleman-Wunsch 算法较为严谨，适用于匹配全长序列；而 Smith-Waterman 算法则更为灵活，可以匹配任意长度的序列片段，并且可以找到更为相似的匹配序列。
（2）局部比对局部比对是指只比对序列中一部分序列，而不需要考虑整个序列，寻找相似或同源的序列区间。
相较于全局比对，局部比对更适合用于寻找序列中比较短且高度相似的区域。
常用的局部比对算法有 BLAST (Basic Local Alignment Search Tool) 和 FASTA (Fast Alignment Search Tool) 算法。
这些算法适用于较长的未知序列与基因或蛋白质序列数据库进行比对。
生物信息学中的多序列比对方法
生物信息学中的多序列比对方法生物信息学是一门研究生命科学数据的计算机科学学科，主要用于从大量基因组、蛋白质组、代谢组等生命组学数据中发现、分析和研究基因、蛋白质、代谢途径等生命过程的规律。
其中的多序列比对（Multiple Sequence Alignment，MSA）技术是一个比较重要的研究方法，其主要应用于多种生物信息学研究方向，如物种分类、基因结构和功能研究、蛋白质结构和功能研究等。
本文就生物信息学中的多序列比对方法进行简要介绍。
一、多序列比对的意义及难点多序列比对是将多条生物序列进行比对，在把它们对齐之后确定它们之间的共同位点及其差异位点的过程，从而分析出序列间的相似性和异质性等结构、功能上的关联。
这一过程主要分为四步：选择序列、生成比对矩阵、进行比对分析和生成比对结果。
通过多序列比对可以揭示序列进化、注释微小RNA、寻找共同结构域、定位功能残基等关键性生物学问题。
多序列比对的难点主要包括以下几个方面：（1）大数据量。
由于生物序列的数据量是非常庞大的，比如对于人和马之间的比对，需要对他们的约3000万个碱基进行比对，而且每个人的基因组或每个生物的蛋白质组都是高度复杂和大量重复的，因此进行多序列比对的计算复杂度非常大，需要使用高效的计算方法，充分利用计算资源。
（2）序列多样性。
生物序列相互之间具有高度的多样性，包括同一物种内的不同个体、不同物种之间的比对和不同基因家族的比对等，这些差异给多序列比对带来很大的挑战，需要使用不同的比对算法、策略和参数，才能得到最优的结果。
（3）精度和可信度。
生物序列不同的比对方法可能会得到不同的结果，因此必须对比和评估多种方法的参数和性能指标，同时要考虑到数据的来源、质量和格式等，以提高比对结果的精度和可信度。
（4）效率和实时性。
多序列比对通常是大数据、高计算量的任务，因此需要使用高性能计算环境或分布式计算架构，同时要考虑到任务的时间复杂度、并行度和负载均衡等问题，从而提高比对效率和实时性。
mega操作过程-多序列比对、进化树、
基 在NCBI/EBI的FTP服务器上可以找到下载的软件包。
础 生
ClustalW 程序用选项单逐步指导用户进行操作，用户
物
可根据需要选择打分矩阵、设置空位罚分等。
信 息
ftp:///pub/software/
学
EBI的主页还提供了基于Web的ClustalW服务，用户可以
物
信
随着序列数量的增加，算法复杂性也不断增加。用O
息
（m1m2m3…mn）表示对n个序列进行比对时的算法复杂性，
学
其中mn是最后一条序列的长度。若序列长度相差不大，则
及 应
可简化成O（mn），其中n表示序列的数目，m表示序列的长
用
度。显然，随着序列数量的增加，序列比对的算法复杂性
按指数规律增长。
第二节 多序列比对程序及应用
及 应
把序列和各种要求通过表单提交到服务器上，服务器
用
把计算的结果用Email返回用户（或在线交互使用）。
/clustalw/
Progressive Alignment Method
ClustalW 程序
基
ClustalW对输入序列的格式比较灵活，可以是FASTA格式，还可
1 2 3 4 5 6 7 8 91
ⅠY D G G A V - E AL
基
础
ⅡY D G G - - - E AL
生
物
ⅢF E G G I L V E AL
信
息
学
ⅣF D - G I L V Q AV
及
应
ⅤY E G G A V V Q AL
用
表1 多序列比对的定义
表示五个短序列（I-V）的比对结果。通过插入空位，使5个序列中 大多数相同或相似残基放入同一列，并保持每个序列残基顺序不变
生物信息学中的序列比对与分析教程
生物信息学中的序列比对与分析教程序列比对与分析在生物信息学中扮演着非常重要的角色。
通过对不同生物体的DNA、RNA或蛋白质序列进行比较和分析，我们可以揭示它们之间的相似性和差异性，从而推断它们的功能和进化关系。
本教程将介绍序列比对的基本概念、工具和方法，并探讨如何进行常见的序列分析。
1. 序列比对的基本概念序列比对是用于比较两个或多个生物序列之间的相似性和差异性的过程。
在序列比对中，我们会使用特定的算法和方法，将不同序列中的相似区域进行匹配，以找到它们之间的共同点。
常用的序列比对算法包括全局比对（如Needleman-Wunsch算法）和局部比对（如 Smith-Waterman算法）等。
2. 序列比对的工具现在有许多序列比对工具可供选择，其中一些是免费提供的。
其中最常用的工具之一是BLAST（Basic LocalAlignment Search Tool）。
BLAST可以快速找到一个或多个与给定序列相似的其他序列，并给出相似性得分。
除了BLAST，还有一些其他的序列比对工具，比如ClustalW、MUSCLE和T-Coffee等。
3. DNA序列比对DNA序列比对是研究生物体间遗传关系和进化关系的重要工具。
DNA序列之间的相似性可以用来确定物种的亲缘关系、寻找共同的进化起源以及研究基因的功能。
在DNA序列比对中，常用的方法是使用BLAST等工具，通过将查询序列与数据库中的已知序列进行比对来找到相似的区域。
4. RNA序列比对RNA序列比对主要用于研究基因表达和功能相关的RNA分子。
与DNA序列比对相似，RNA序列比对也可以通过BLAST等工具进行。
此外，对于非编码RNA序列的比对，可以使用RAPSearch和PIRCH等专门的工具。
5. 蛋白序列比对蛋白序列比对是分析蛋白质结构和功能的关键步骤。
蛋白质序列比对可以通过BLAST等工具进行，还可以使用更高级的算法和方法，如Smith-Waterman算法和多序列比对算法，来找到更为精确的比对结果。
生物信息学中的多序列比对算法研究
生物信息学中的多序列比对算法研究生物信息学是一门前沿的交叉学科，它将计算机技术、数学、生物学、统计学等学科知识融入到一起，致力于解决生物信息处理与分析的重大问题。
在生物信息学研究领域中，多序列比对算法是一个非常重要的研究方向。
本文将探讨多序列比对算法的研究现状和发展趋势，以及它在生物信息学领域中的应用及其存在的问题。
1. 概述多序列比对是将多个序列进行比对的过程，它可以找出序列之间的共性和差异，从而推断它们的进化关系。
多序列比对是生物信息学中的核心问题。
随着测序技术的发展和低成本测序的推广，获取大量序列数据已经成为可能。
而多序列比对算法的优化研究，对于序列比对的准确性和速度都有很大的影响。
2. 常见的多序列比对算法2.1 ClustalW算法ClustalW算法是一种基于分支和限制的聚类算法，该算法可以计算出多个序列的全局比对结果。
ClustalW算法通过一个多通路的动态规划方法，优先考虑序列之间的匹配程度，同时考虑序列之间的变异程度。
该算法的优点是处理速度快，对于能够对齐的序列准确性高。
但是它不能进行全局序列比对，适用范围受到一定的限制。
2.2 MUSCLE算法MUSCLE算法是一种基于迭代的多序列比对算法。
该算法能够快速并准确地识别序列中的同源基因。
MUSCLE算法采用了一种独特的方案，通过递推算法来进行多条序列的逐层比对，从而获得最佳的序列间比对结果。
该算法具有高准确性、较高的比对速度和较低的计算复杂度。
但是，当序列数目达到一定程度时，该算法的效果有所下降。
2.3 T-Coffee算法T-Coffee算法是一种基于多种算法结合的多序列比对算法。
它采用注重全局比对的策略，通过动态规划方法来处理序列的比对结果。
该算法具有准确性高、速度快、使用灵活等优点，可以比较好的解决多序列比对问题。
但是，该算法的计算复杂度较高，不能处理具有大量序列的比对任务。
3. 多序列比对算法存在的问题和挑战3.1 数据质量问题多序列比对算法对序列数据的质量要求较高，存在的错误以及质量低劣的序列都会影响比对结果。
生物信息学分析方法
跨膜结构域预测 TMHMM
http://www.cbs.dtu.dk/services/TMHM M-2.0/
蛋白互作网络 STRING
http://string.embl.de
polymerase
DNA repair
helicase
双序列比对 序列分析 多序列比对（系统进化树、保守基序） ORF(Open Reading Frame)分析 基因结构分析（外显子、内含子）
节律基因Timeless
数据库 MGI
/
数据库 NCBI
https:///Blast.cgi
数据库 TAIR
/
多序列比对 MEGA
/
LTR
MSA-like TGA-element
414
568 289
CCGAAA
CCCAACGGT AACGAC
low-temperature responsiveness
cell cycle regulation auxin-responsive element
转录因子结合位点分析 JASPAR
/
系统发育树 MEGA
/
保守基序分析 MEME
/tools/meme
基因结构 GSDS
http://gsds.cLeabharlann /
启动子分析 PlantCARE
基序名称 位置 序列特征 功能
常用的生物信息学 分析方法
第十组
生物信息学Bioinformatics
生物信息学是一门在生命科学的研究中，以计算机为工具 对生物信息进行储存、检索和分析的科学。 生物信息学基本上是分子生物 学与信息技术的结合体。
研究材料和结果是各种各样
的生物学数据 研究工具是计算机 研究方法包括对生物学数据的 搜索（收集和筛选）、处理 （编辑、整理、管理和显示） 及利用（计算、模拟）
生物信息学中的序列分析与比对
生物信息学中的序列分析与比对生物信息学是一门综合运用计算机科学、数学、物理学、化学、生物学等学科方法来研究生物信息学的交叉学科。
生物信息学的研究方法多样，其中序列分析与比对是其中重要的一个分支。
序列是指生物学中的一种信息记录方式，表示基因、蛋白质、RNA等分子的特定序列。
序列分析和比对是研究序列信息的一种重要手段，也是对生物大分子结构、功能、进化等各方面研究的基础。
本文将从序列概述、序列分析、序列比对三方面来详细讨论序列分析与比对的内容。
一、序列概述DNA序列、RNA序列、蛋白质序列是生物学中最基础的三种序列类型。
DNA是一种双螺旋结构，由四种碱基（腺嘌呤、鸟嘌呤、胸腺嘧啶和鳞状细胞嘧啶）组成， RNA是单链结构，基本上由DNA中的碱基组成，而蛋白质则是由20种不同的氨基酸通过共价键结合在一起形成的链状分子。
DNA序列和RNA序列是由碱基组成的线性序列，蛋白质序列是由氨基酸组成的线性序列，序列是描述生物大分子结构和功能的最基本的语言。
二、序列分析1. 序列比较序列比对是对两条或两条以上生物序列之间相似性或差异性进行分析的方法。
序列比对是将两条或多条序列中相同或类似的部分找出来，同时也可以找出它们中不同或不同的部分，并计算它们之间的相似性和差异性，也是比较序列进化关系的一种方法。
2. 基因预测基因预测是确定核酸序列中哪些区域包含已知的基因，并预测这些基因与蛋白质的长链和功能的相关性质。
序列分析的目标之一就是预测基因和蛋白质的序列。
基因预测估计原核生物中基因组序列的含义比真核生物要容易得多。
3. 重复序列分析许多基因组中都存在着许多多次出现的特定、比较长的DNA 序列，这种序列被称为重复序列。
重复序列的分析是基因组学的必要内容，使人们理解基因组进化和功能等方面的信息。
通过对重复序列的分析，人们可以了解基因组结构的重要细节，解决许多生物学问题，比如基因家族的起源，基因组的演化，基因转座子活动和某些疾病和种群的进化关系等。
生物信息学分析方法
核酸和蛋白质序列分析蛋白质, 核酸, 序列关键词：核酸序列蛋白质序列分析软件在获得一个基因序列后，需要对其进行生物信息学分析，从中尽量发掘信息，从而指导进一步的实验研究。
通过染色体定位分析、内含子／外显子分析、ORF分析、表达谱分析等，能够阐明基因的基本信息。
通过启动子预测、CpG岛分析和转录因子分析等，识别调控区的顺式作用元件，可以为基因的调控研究提供基础。
通过蛋白质基本性质分析，疏水性分析，跨膜区预测，信号肽预测，亚细胞定位预测，抗原性位点预测，可以对基因编码蛋白的性质作出初步判断和预测。
尤其通过疏水性分析和跨膜区预测可以预测基因是否为膜蛋白，这对确定实验研究方向有重要的参考意义。
此外，通过相似性搜索、功能位点分析、结构分析、查询基因表达谱聚簇数据库、基因敲除数据库、基因组上下游邻居等，尽量挖掘网络数据库中的信息，可以对基因功能作出推论。
上述技术路线可为其它类似分子的生物信息学分析提供借鉴。
本路线图及推荐网址已建立超级，放在大学人类疾病基因研究中心（./science/bioinfomatics.htm）,可以直接点击进入检索。
下面介绍其中一些基本分析。
值得注意的是，在对序列进行分析时，首先应当明确序列的性质,是mRNA序列还是基因组序列？是计算机拼接得到还是经过PCR扩增测序得到？是原核生物还是真核生物？这些决定了分析方法的选择和分析结果的解释。
（一）核酸序列分析1、双序列比对（pairwise alignment）双序列比对是指比较两条序列的相似性和寻找相似碱基及氨基酸的对应位置，它是用计算机进行序列分析的强大工具，分为全局比对和局部比对两类，各以Needleman-Wunsch 算法和Smith-Waterman算法为代表。
由于这些算法都是启发式（heuristic）的算法，因此并没有最优值。
根据比对的需要，选用适当的比对工具，在比对时适当调整空格罚分（gap penalty）和空格延伸罚分（gap extension penalty），以获得更优的比对。
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Conclusions: assessment of alternative multiple sequence alignment algorithms
[2] “Orphan” sequences are highly divergent members of a family. Surprisingly, orphans do not disrupt alignments. Also surprisingly, global alignment algorithms outperform local.
Conclusions: assessment of alternative multiple sequence alignment algorithms
[4] When proteins have large N-terminal or C-terminal extensions, local alignment algorithms are superior. PileUp (global) is an exception.
Paralogs (共生同源)
Homologous sequences within a single species that arose by gene duplication. 以上两个概念代表了两个不同的进化事件用于分子 进化分析中的序列必须是直向同源的，才能真实反映进 化过程。
common carp
How to calculate similarity?
1. To install BioEdit, DNAstar, etc 2. Some tools online
同源性的两种类型
Orthologs (直向同源)
Homologous sequences in different species that arose from a common ancestral gene during speciation; may or may not be responsible for a similar function.
Pairwise sequence alignment programs
Multiple sequence alignment programs
How to get multiple sequences? Sequence BLAST Program
Two kinds of multiple sequence alignment resources
2 分子进化分析介绍
2.1 分子进化研究的目的 从物种的一些分子特性出发，从而了 解物种之间的生物系统发生的关系。
蛋白和核酸序列 通过序列同源性的比较进而了解基因的进 化以及生物系统发生的内在规律。
2.2 系统发育树是什么？
对一组实际对象的世系关系的描述（如基因， 物种等）。 已发展成为多学科（包括生命科学中的进 化论、遗传学、分类学、分子生物学、生物化 学、生物物理学和生态学，又包括数学中的概 率统计、图论、计算机科学和群论）交叉形成 的一个边缘领域。闻名国际生物学界的美国冷 泉港定量生物学会议于1987年特辟出"进化树"专 栏进行学术讨论，标志着该领域已成为现代生 物学的前沿之一，迄今仍很活跃。
一个系统发育树
末端分支 末端 物种 顶端 叶子 中间节点 中间枝条 节点
根
树只代表分支的拓扑结构
A
BC
D
F E†
G
D
C E†
F
G A
B
2.3 分子进化研究的基础 假设
核苷酸和氨基酸序列中含有生物进化历史的 全部信息。
2.3 分子进化研究的基础 理论
在各种不同的发育谱系及足够大的进化 时间尺度中，许多序列的进化速率几乎 是恒定不变的。（分子钟理论， Zuckerkandl and Pauling 1965 ）
Multiple sequence alignment algorithms
Local Progressive
Global
CLUSTAL PileUp other
PIMA
Iterative
DIALIGN
SAGA
PIMA
Strategy for aቤተ መጻሕፍቲ ባይዱsessment of alternative multiple sequence alignment algorithms
2.3 分子进化研究的基础 实际
虽然很多时候仍然存在争议，但是分子 进化确实能阐述一些生物系统发生的内 在规律。
分子钟理论
从一个分歧数据可以推测其他
y 序列分歧度
x
分歧时间
趋同进化的基因
(genes have converged function by separate evolutionary paths)
[1] Create or obtain a database of protein sequences for which the 3D structure is known. Thus we can define “true” homologs using structural criteria. [2] Try making multiple sequence alignments with many different sets of proteins (very related, very distant, few gaps, many gaps, insertions, outliers). [3] Compare the answers.
RBP: 26 RVKENFDKARFSGTWYAMAKKDPEGLFLQDNIVA 59 + K++ + ++ GTW++MA + L + A QTKQDLELPKLAGTWHSMAMA-TNNISLMATLKA 55
glycodelin: 23
Similarity
The extent to which two (nucleotide or amino acid) sequences are similar.
BaliBase: comparison of multiple sequence alignment algorithms
Conclusions: assessment of alternative multiple sequence alignment algorithms
[1] As percent identity among proteins drops, performance (accuracy) declines also. This is especially severe for proteins < 25% identity. Proteins <25% identity: 65% of residues align well Proteins <40% identity: 80% of residues align well
Paralogs: members of a gene (protein) family within a species
Odorant-binding protein 2A
Lipocalin 1
10 changes
speciation
paralogs orthologs
Erik L.L. Sonnhammer Orthology,paralogy and proposed classification for paralog subtypes TRENDS in Genetics Vol.18 No.12 December 2002 http://tig.trends.co m 0168-9525/02/$ – see front matter © 2002 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.
Multiple sequence alignment programs AMAS Genedoc ClustalW ClustalX DIALIGN HMMT Match-Box MultAlin MSA Musca PileUp SAGA T-COFFEE
1. ClustalW in BioEdit
Conclusions: assessment of alternative multiple sequence alignment algorithms
[3] Separate multiple sequence alignments can be combined (e.g. RBPs and lactoglobulins). Iterative algorithms (PRRP, SAGA) outperform progressive alignments (ClustalX)
zebrafish
rainbow trout teleost
Orthologs: members of a gene (protein) family in various organisms. This tree shows RBP orthologs.
African clawed frog chicken human mouse rat horse pig cow rabbit 10 changes