多序列比对的原理以及 clustal在多序列比对中的 应用中山大学生科院2003年10月内容提要 多序列比对的意义 多序列比对的方法 自动多序列比对的算法 Clustalx的使用（clustal法）实例分析序列相似性比较和序列 同源性分析序列相似性比较：就是将待研究序列与DNA或蛋白质序列库进行比较， 用于确定该序列的生物属性，也就是找出与此序列相似的 已知序列是什么。完成这一工作只需要使用两两序列比较 算法。常用的程序包有BLAST、FASTA等； 序列同源性分析：是将待研究序列加入到一组与之同源，但来自不同物 种的序列中进行多序列同时比较，以确定该序列与其它序 列间的同源性大小。这是理论分析方法中最关键的一步。 完成这一工作必须使用多序列比较算法。常用的程序包有 CLUSTAL等；多序列比对的意义 用于描述一组序列之间的相似性关系， 以便了解一个基因家族的基本特征，寻找 motif，保守区域等。 用于描述一个同源基因之间的亲缘关系 的远近，应用到分子进化分析中。 其他应用，如构建profile，打分矩阵等 。 同源性分析中常常要通过多序列比对来 找出序列之间的相互关系，和blast的局部 匹配搜索不同，多序列比对大多都是采用 全局比对的算法。这样对于采用计算机程 序的自动多序列比对是一个非常复杂且耗 时的过程，特别是序列数目多，且序列长 的情况下。多序列比对的方法多序列比对的方法基本上多序列比对可以分为1.手工比对（辅助编辑软件如bioedit， seaview，Genedoc等）通过辅助软件的不同颜色显示不同残基，靠分 析者的观察来改变比对的状态。2.计算机程序自动比对通过特定的算法（如同步法，渐进法等），由 计算机程序自动搜索最佳的多序列比对状态。自动多序列比对的算法1.同步法将序列两两比对时的二维动态规划矩阵 扩展到三维矩阵。即用矩阵的维数来反映 比对的序列数目。这种方法的计算量很大 ，对于计算机系统的资源要求比较高，一 般只有在进行少数的较短的序列的比对的 时候才会用到这个方法。自动多序列比对的算法2.步进法最常见的就是clustal所采用的方法。其基本思想就是基于相似序列通常具有 进化相关性的这一假设。Clustal的渐进比对过程在比对过程中，先对所有的序列进行 两两比对并计算它们相似性分值，然后根 据相似性分值将它们分成若干组，并在每 组之间进行比对，计算相似性分值。根据 相似性分值继续分组比对，直到得到最终 比对结果。在比对过程中，相似性程度较 高的序列先进行比对而距离较远的序列添 加在后面。多序列比对工具 clustalXClustal是一个单机版的基于渐进比对的 多序列比对工具，由Higgins D.G. 等开发 。有应用于多种操作系统平台的版本，包 括linux版，DOS版的clustlw，windows版 本的clustalx等。Clustal简介 CLUSTAL是一种渐进的比对方法，先将 多个序列两两比对构建距离矩阵，反应序 列之间两两关系；然后根据距离矩阵计算 产生系统进化指导树，对关系密切的序列 进行加权；然后从最紧密的两条序列开始 ，逐步引入临近的序列并不断重新构建比 对，直到所有序列都被加入为止。Clustalx的工作界面 （多序列比对模式）Clustalx的工作界面 （剖面(profile)比对模式）Clustal的工作原理Clustal输入多个序列快速的序列两两比对，计算序列间的 距离，获得一个距离矩阵。邻接法(NJ)构建一个树（引导树）根据引导树，渐进比对多个序列。Clustal的应用1.输入输出格式。输入序列的格式比较灵活，可以是前面介绍过的 FASTA格式，还可以是PIR、SWISS-PROT、 GDE、Clustal、GCG/MSF、RSF等格式。输出格式也可以选择，有ALN、GCG、PHYLIP 和NEXUS等，用户可以根据自己的需要选择合 适的输出格式。2.两种工作模式。a.多序列比对模式。b.剖面(profile)比对模式。3.一个实际的例子。Clustal的应用多序列比对实例输入文件的格式(fasta)：KCC2_YEASTNYIFGRTLGAGSFGVVRQARKLSTN DMK_HUMANDFEILKVIGRGAFSEVAVVKMKQTGQVYAMKIMNK. KPRO_MAIZETRKFKVELGRGESGTVYKGVLEDDRHVAVKKLEN DAF1_CAEEL QIRLTGRVGSGRFGNVSRGDYRGEAVAVKVFNALD 1CSNHYKVGRRIGEGSFGVIFEGTNLLNN第一步：输入序列文件。第二步：设定比对的一些参数。参数设定窗口。第三步：开始序列比对。第四步：比对完成，选择保存结果文件的格式在线的clustalw分析1.EBI提供的在线clustalw服务http:/www.ebi.ac.uk/clustalw/2.我们构建的在线clustalw服务http:/sls.zsu.edu.cn/biopro/clustalw.htmlEBI提供的在线Clustalw服务我们构建 的在线 clustalw服务更为详细的教程可以在这里得到更多关于clustal的帮助： http:/www-igbmc.u- strasbg.fr/BioInfo/ClustalX/Top.html 实际操作 使用clustalx程序，对给定的多序列，选 择合适的参数，进行多序列比对，输出结 果文件维phylip格式。 相同的文件，使用ebi和我们提供的在线 服务，进行多序列比对。 对上述计算机程序比对的结果进行手工 改动（bioedit，seaview），使得多序列 比对结果跟符合要求。