序列比对.doc

信息生物学在序列比对中的应用
2008-11-06 00:01
最常见的比对是蛋白质序列之间或核酸序列之间的两两比对,通过比较两个序列之间的相似区域和保守性位点,寻找二者可能的分子进化关系。进一步的比对是将多个蛋白质或核酸同时进行比较,寻找这些有进化关系的序列之间共同的保守区域、位点和profile,从而探索导致它们产生共同功能的序列模式。此外,还可以把蛋白质序列与核酸序列相比来探索核酸序列可能的表达框架;把蛋白质序列与具有三维结构信息的蛋白质相比,从而获得蛋白质折叠类型的信息和预测一些新发现基因的功能。
序列两两比对
序列比对的理论基础是进化学说,如果两个序列之间具有足够的相似性,就推测二者可能有共同的进化祖先,经过序列内残基的替换、残基或序列片段的缺失、以及序列重组等遗传变异过程分别演化而来。序列相似和序列同源是不同的概念,序列之间的相似程度是可以量化的参数,而序列是否同源需要有进化事实的验证。在残基-残基比对中,可以明显看到序列中某些氨基酸残基比其它位置上的残基更保守,这些信息揭示了这些保守位点上的残基对蛋白质的结构和功能是至关重要的,例如它们可能是酶的活性位点残基,形成二硫键的半胱氨酸残基,与配体结合部位的残基,与金属离子结合的残基,形成特定结构motif的残基等等。但并不是所有保守的残基都一定是结构功能重要的,可能它们只是由于历史的原因被保留下来,而不是由于进化压力而保留下来。因此,如果两个序列有显著的保守性,要确定二者具有共同的进化历史,进而认为二者有近似的结构和功能还需要更多实验和信息的支持。通过大量实验和序列比对的分析,一般认为蛋白质的结构和功能比序列具有更大的保守性,因此粗略的说,如果序列之间的相似性超过30%,它们就很可能是同源的。
早期的序列比对是全局的序列比较,但由于蛋白质具有的模块性质,可能由于外显子的交换而产生新蛋白质,因此局部比对会更加合理。通常用打分矩阵描述序列两两比对,两条序列分别作为矩阵的两维,矩阵点是两维上对应两个残基的相似性分数,分数越高则说明两个残基越相似。因此,序列比对问题变成在矩阵里寻找最佳比对路径,目前最有效的方法是Needleman-Wunsch动态规划算法,在此基础上又改良产生了Smith-Waterman算法和SIM算法。在FASTA程序包中可以找到用动态规划算法进行序列比对的工具LALIGN,它能给出多个不相互交叉的最佳比对结果。
在进行序列两两比对时,有两方面问题直接影响相似性分值:取代矩阵和空位罚分。粗糙的比对方法仅仅用相同/不同来描述两个残基的关系,显然这种方法无法描述残基取代对结构和功能的不同影响效果,缬氨酸对异亮氨酸的取代与谷氨酸对异亮氨酸的取代应该给予不同的打分。因此如果用一个取代矩阵来描述氨基酸残基两两取代的分值会大大提高比对的敏感性和生物学意义。虽然针对不同的研究目标和对象应该构建适宜的取代矩阵,但国际上常用的取代矩阵有PAM和BLOSUM等,它们来源于不同的构建方法和不同的参数选择,包括PAM250、BLOSUM62、BLOSUM90、BLOSUM30等。对于不同的对象可以采用不同的取代矩阵以获得更多信息,例如对同源性较高的序列可以采用BLOSUM90矩阵,而对同源性较低的序列可采用BLOSUM30矩阵
对于比对计算产生的分值,到底多大才能说明两个序列是同源的,