Biological Sequence Analysis I – Andy Baxevanis

影片標題: Biological Sequence Analysis I - Andy Baxevanis

演講人: Andy Baxevanis, Ph.D,National Human Genome Research Institute

演講會議和時間:Current Topics in Genomics Analysis 2016 Lecture Series , 2016-02-17

 影片推薦人:銘傳大學 生物科學糸 李御賢教授

影片來源: https://www.youtube.com/watch?v=jVdyAb0jVo0&t=1145s

Andy Baxevanis教授在二周的課程中,提供生物資訊學基礎。第一周的課程主要包含Alignment的原理,BLAST的原理與NCBI BLAST的應用,三大部份,說明如下:

PART1: Alignment (DNA or Amino Acid 相似性的定量測量) 的原理:

  1. 可以找到Polymorphism, insertion and deletion (InDel) 的位置。
  2. 兩序列共同的演化歷史和生物學功能的共同性。

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1.Homologs (同源)的定義

  1. Homologs:是二序列有沒有Homologous,而不是二序列 Homologous 有多少比例。
  2. 當我們有兩種序列被稱為Homologous(同源),這意味著它們的基因可能從一個共同的祖先出現。推薦影片2
  3. Orthologs vs paralogs:

         Orthologs:       不同物種間的同源序列。

         Paralogs:         同物種間的同源序列。

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2.何決定二序列Alignment好不好:而Alignment的score計算,要用到score matrix,gap分別說明如後。而score的例子如下圖。

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3.Score matrix:用Score matrix 可以用來定義兩個Amino acid (or nucleotide) 的相似性,而Score matrix是依據conservation (amino acid性質)或演化出現的frequency計算。

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  1. 而針對不同的目的,要使用不同的Score matrix,如下圖BLOSUM90是應用在找高相似的短片段序列,而BLOSUM30應用在找相似較低的長片段。如NCBI BLASTP的預設值為: BLOSUM62。推薦影片6
  2. Andy Baxevanis教授強調,沒有一種score matrix可以應用在所有的序列比對分析,因此依據上圖的基本概念,改變所要使用的score matrix。

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4.Gap:gap的評分,都是扣分,而gap有opening與extension兩種。

An origination penalty (gap opening) for starting a new series of gaps in one of the sequences being aligned (連續 Gap 的個數算一個)

A length penalty (gap extension) that depends on the number of sequential missing characters (每個Gap 都算)

在NCBI BLAST的預設值如下圖。

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PART2: BLAST (Basic local alignment search tool) 的原理

BLAST:它是一個用來比對生物序列的一級結構(如不同蛋白質的胺基酸序列或不同基因的DNA序列)的算法。 已知一個包含若干序列的資料庫,BLAST可以讓研究者在其中尋找與其感興趣的序列相同或類似的序列。 例如如果某種非人動物的一個以前未知的基因被發現,研究者一般會在人類基因組中做一個BLAST搜尋來確認人類是否包含類似的基因(通過序列的相似性),BLAST演算法以及實現它的程式由美國國家生物技術資訊中心(NCBI)開發[維基百科]

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而NCBI BLAST依據Query sequences (你的序列),Target sequences (資料庫的序列)的種類不同(nucleotide or protein) 而有6種演算法。

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而Andy Baxevanis教授告訴我們,在BLAST中,使用Alignment所得到的score值與Alignment到的序列長度,可能並不能代表你要找尋的序列。

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經過一番的計算與說明,BLAST使用Probabilities 的E值,來排序所找到的序列。而E值的建議值如下圖。而E值的計算,原則上同時看”Alignment所得到的score值”(下圖Y軸為cumulative score值) 與 ”Alignment到的序列長度” (下圖X軸)。

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PART3: NCBI BLAST的應用

  1. NCBI BLAST的資料庫種類,如下圖 (upper是nucleotide,lower是protein)。

 

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為簡化BLAST結果的複雜性,建議使用refSeq,而refSeq的說明如下圖。

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而refSeq的accession number有特定的字首,如下圖。

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2.BLAST的設定,再來說明BLASTP的設定,而scoring matrix (BLOSM62),Gap cost在PART1,已經有說明。而low complexity region 預設值是不選。而建義可以考慮選取。

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low complexity region 預設值是不要filter。而建義可以考慮filter的原因,如下圖,主要是。low complexity region常常會有biased sequences造成false positive的結果。

 

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而BLAST的cutoff數值,建議如下圖。

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3.NCBI也可以進行二序列的比較à BLAST2SEQ,如下圖,要選取Align two or more sequences。

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4.依據query sequences(你的序列)的長短,要使用不同的score matrix (+/-, + match score, -:mismatch score) 與gap分數 (opening and extension penality),

長序列/高相似序列 (>95%)         ->  MegaBLAST (預設值)

不同物種間/中度相似(<80%)         ->   Discontiguous MegaBLAST/BLASTN

短序列 (<20 base)                           ->    BLASTN

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5. UCSC Genome Browser BLAT與NCBI BLAST的異同。

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而BLAT的使用時機,如下圖。

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