Bioinformatique BTV Alignement de Séquences

Bioinformatique BTV Alignement de Séquences
Bioinformatique BTVAlignement de Séquences
Bioinformatique BTV
Alignement de Séquences
Jean-Michel Richer
[email protected]
http://www.info.univ-angers.fr/pub/richer
Juillet 2008
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Bioinformatique BTVAlignement de Séquences
Plan
Plan
1
Rappels
2
Partie théorique
Alignement par paires
Alignement multiple
3
Partie pratique
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Rappels
Rappels
Rappels
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Rappels
Biologie moléculaire
Definition (Biologie Moléculaire - Warren Weaver, 1938)
La biologie moléculaire (où bio mol) est une discipline
scientifique qui vise à comprendre les mécanismes de
fonctionnement de la cellule au niveau moléculaire
Historique
• 1930 : techniques de diffraction à rayons X
• 1953 : découverte de la structure de l’ADN par Watson et
Crick
• 1977 : séquençage de l’ADN par Gilbert et Sanger
• 2004 : séquençage du génome humain (HUGO)
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Rappels
Biologie moléculaire
Definition (Biologie Moléculaire - Warren Weaver, 1938)
La biologie moléculaire (où bio mol) est une discipline
scientifique qui vise à comprendre les mécanismes de
fonctionnement de la cellule au niveau moléculaire
Historique
• 1930 : techniques de diffraction à rayons X
• 1953 : découverte de la structure de l’ADN par Watson et
Crick
• 1977 : séquençage de l’ADN par Gilbert et Sanger
• 2004 : séquençage du génome humain (HUGO)
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Rappels
Evolution du point de vue moléculaire
Modifications
• point mutation : modification d’un AN ou AA
• insertion : ajout d’un nouvel AN ou AA
• deletion : suppresion d’un AN ou AA
• recombinaison des gènes
Résultats
• mauvais repliement =⇒ fonction ineffective
• apparition d’une nouvelle fonction (=⇒ nouvelle espèce ?)
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Rappels
Evolution du point de vue moléculaire
Modifications
• point mutation : modification d’un AN ou AA
• insertion : ajout d’un nouvel AN ou AA
• deletion : suppresion d’un AN ou AA
• recombinaison des gènes
Résultats
• mauvais repliement =⇒ fonction ineffective
• apparition d’une nouvelle fonction (=⇒ nouvelle espèce ?)
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Rappels
Dogme central
Dogmes lié à l’alignement
• les AN ou AA essentiels à la fonctions sont moins sujets à
mutation
• plus deux séquences se ressemblent, plus elles ont une
forte probabilité de se comporter de manière identique.
Un alignement permet l’identification
• de motifs fonctionnels ou structurels conservés
• de zones non conservées qui résultent d’évènements
spécifiques
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Rappels
Dogme central
Dogmes lié à l’alignement
• les AN ou AA essentiels à la fonctions sont moins sujets à
mutation
• plus deux séquences se ressemblent, plus elles ont une
forte probabilité de se comporter de manière identique.
Un alignement permet l’identification
• de motifs fonctionnels ou structurels conservés
• de zones non conservées qui résultent d’évènements
spécifiques
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Rappels
Objectif de l’alignement
Definition (Alignement)
En bioinformatique, l’opération d’alignement vise à identifier
des zones communes à un groupe de k séquences.
Definition (Similarité et homologie)
des zones qui se ressemblent sont dites similaires ou
homologues si elles dérivent d’un ancêtre commun
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Rappels
Objectif de l’alignement
Definition (Alignement)
En bioinformatique, l’opération d’alignement vise à identifier
des zones communes à un groupe de k séquences.
Definition (Similarité et homologie)
des zones qui se ressemblent sont dites similaires ou
homologues si elles dérivent d’un ancêtre commun
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Rappels
Applications de l’alignement
Applications
• étude phylogénétique
• étude comparative des génomes (comparative genomics)
• prédiction de gène
• prédiction de la structure 2D/3D des protéines
• caractérisation de la fonction des protéines
• prédiction de la structure et fonction des ARN
• réseaux d’interaction
• génétique (différence entre génotype et phénotype)
• découverte et conception de médicaments
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Partie théorique
Partie théorique
Partie théorique
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Partie théorique
Types d’alignements
Definition (Alignement local ou global)
• global : on tente d’identifier des similarités sur la longueur
totale des séquences (→ pb si séquences de longueur
différentes)
• local : on tente d’identifier des similarités entre une
séquence et une sous-séquence
Definition (Alignement par paires ou multiple)
• par paires : on aligne 2 séquences
• multiple : on aligne plus de 2 séquences
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Partie théorique
Types d’alignements
Definition (Alignement local ou global)
• global : on tente d’identifier des similarités sur la longueur
totale des séquences (→ pb si séquences de longueur
différentes)
• local : on tente d’identifier des similarités entre une
séquence et une sous-séquence
Definition (Alignement par paires ou multiple)
• par paires : on aligne 2 séquences
• multiple : on aligne plus de 2 séquences
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Partie théorique
Alignement par paires
Alphabet
Definition (Alphabet)
Un alphabet Σ = {a0 , a1 , . . . , an } est un ensemble fini de
symboles distincts deux à deux. En particulier, le symbole a0
est appelé brêche ou gap (en anglais) et est représenté par le
caractère −.
Par la suite, nous utiliserons de manière préférentielle le terme
gap plutôt que le terme brêche.
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Partie théorique
Alignement par paires
Alphabets biologiques
Definition (Alphabet de l’ADN )
L’alphabet des molécules d’ADN est composé de 5 symboles
ΣADN = {−, A, C, G, T } qui représentent respectivement un
gap, l’Adénine, la Cytosine, la Guanine et la Thymine.
Definition (Alphabet de l’ARN)
L’alphabet des molécules d’ARN est composé de 5 symboles
ΣARN = {−, A, C, G, U} qui représentent respectivement un
gap, l’Adénine, la Cytosine, la Guanine et l’Uracile.
Definition (Alphabet des Protéines)
L’alphabet des protéines est composé de 21 symboles ΣAA =
{−, A, C, D, E , F , G, H, I, K , L, M, N, P, Q, R, S, T , V , W , Y } qui
représentent les différents acides aminés.
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Partie théorique
Alignement par paires
Séquence et sous-séquence
Definition (Séquence)
On appelle séquence S une suite ordonnée de caractères
S = hx1 , x2 , . . . , xn i pris dans un alphabet Σ. On note |S| = n la
longueur de la séquence.
Definition (Sous-séquence)
Soit S une séquence de longueur n. On appelle sous-séquence
de S toute partie de S composée d’un ensemble de caractères
consécutifs de S. On notera S[i..j] avec 1 ≤ i ≤ j ≤ n, la
sous-séquence hxi , xi+1 , . . . , xj i. En particulier
S[i..i] = S[i] = hxi i.
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Partie théorique
Alignement par paires
Distance
Definition (Métrique ou distance)
On rappelle qu’une métrique sur un ensemble X est une
application d : X × X → R vérifiant les propriétés suivantes :
• d (x, y) ≥ 0, non négativité,
• d (x, y) = 0 ⇐⇒ x = y, identité des indiscernables,
• d (x, y) = d (y, x), symétrie,
• d (x, z) ≤ d (x, y) + d (y, z), inégalité triangulaire.
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Partie théorique
Alignement par paires
Distance de Hamming
Definition (Distance de Hamming)
Soient deux séquences de même longueur S et T , la distance
de Hamming de S et T , notée dH (S, T ), correspond au nombre
de caractères en regard qui diffèrent. Plus la distance de
Hamming est faible, plus les séquences sont proches.
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Partie théorique
Alignement par paires
Distance de Hamming
Example
Si l’on considère les séquences suivantes :
S1
S2
S3
ACACACACACAT
ACACAGACATAT
CACACACACATA
dH (S1 , S2 ) = 2
dH (S1 , S3 ) = 12
dH (S2 , S3 ) = 12
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Partie théorique
Alignement par paires
Opérations d’édition
Definition (Opération d’édition d’une séquence)
• l’appariement ou mouvement diagonal qui consiste à
placer en regard des caractères qui ne sont pas des gaps
de manière à faire appraı̂tre :
• soit des conservations pour lesquelles les caractères en
regard sont égaux (a, a),
• soit des substitutions pour lesquelles les caractères en
regard sont différents (a, b), a dans S est en regard de b
dans T . Il s’agit ici de faire apparaı̂tre une possible mutation
ou d’éviter d’introduire un nombre trop important de gaps,
• l’insertion d’un gap dans S : (−, b), nous qualifierons ce
mouvement de vertical,
• l’insertion d’un gap dans T : (a, −), mouvement horizontal
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Partie théorique
Alignement par paires
Opérations d’édition
Example
Séquences S = h CATGC i et T = h ACAGTC i :
-CA-TGC
ACAGT-C
S
C
A
T
G
C
T
A
C
A
G
T
C
-
Opération
(-,A)
(C,C)
(A,A)
(-,G)
(T,T)
(G,C)
(C,-)
Description
insertion de − dans S
appariement sur C
appariement sur A
insertion de − dans S
appariement sur T
substitution de G par C
insertion de − dans T
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Partie théorique
Alignement par paires
Distance d’édition
Definition (Distance d’édition)
A partir des opérations nécessaires pour obtenir un alignement,
on peut calculer une distance dite distance d’édition ou de
Levenshtein [5], définie par :
dL (S, T ) =
q
X
i=1
d (xi , yi ) =
0 sixi = yi
1 sinon
Example
Dans l’exemple précédent, la distance d’édition est de 4 et
correspond à trois insertions et une substitution.
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Partie théorique
Alignement par paires
Alignement
Definition (Alignement (1/2))
Soit S = {S1 , . . . , Sk } un ensemble de k séquences définies
u i. Un
sur un alphabet Σ : ∀u, 1 ≤ u ≤ k, Su = hx1u , . . . , x|S
u|
alignement A({S1 , . . . , Sk }) est une matrice :

 1
a1 . . . a1q

.. 
A =  ...
. 
ak1
qqk
avec ∀u ∈ {1, . . . , k}, ∀v ∈ {1, . . . , q},
auv ∈ Σ.
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Partie théorique
Alignement par paires
Alignement
Definition (Alignement (2/2))
La matrice A vérifie les propriétés suivantes :
1
cohérence sur la longueur :
∀u ∈ {1, . . . , k},
max(|Su |) ≤ q ≤
u=k
X
|Su |
u=1
2
3
absence de colonne de gaps :
6 ∃j ∈ {1, . . . , q} tel que ∀u ∈ {1, . . . , k},
auj = −
conservation des séquences initiales : pour tout
u ∈ {1, . . . , k}, il existe un isomorphisme d’ordre
fu : {1, . . . , |Su |} → {1, . . . , q} tel que
haufu (1) , aufu (2) , . . . , aufu (|Su |) i = Su
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Partie théorique
Alignement par paires
Matrice de substitution
Definition (Matrice de substitution)
Une Matrice de substitution permet d’attribuer un score aux
opérations d’appariement (conservation ou substitution). Une
Matrice de substitution est donc une application w définie sur
un alphabet Σ = {a0 , a1 , . . . , an } telle que w : Σ × Σ → R. Nous
imposons que w vérifie les propriétés suivantes :
w (a0 , a0 ) = 0
w (a0 , x) = w (x, a0 ) = 1, ∀x 6= a0 ∈ Σ
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Partie théorique
Alignement par paires
Matrice de substitution
Example
Scores Soit la matrice de substitution w (x, y) pour l’alphabet
Σ = {−, A, C, G, T } donnée par :




w (x, y) = 



x/y
A
C
G
T
0
1
1
1
1
A
1
6
2
2
2
C
1
2
6
2
2
G
1
2
2
6
2
T
1
2
2
2
6








Les scores w (x, y) des opérations d’alignement sont donnés
par :
• 6, s’il s’agit d’un appariement,
• 2, s’il s’agit d’une substitution,
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Partie théorique
Alignement par paires
Matrices de substitution
Matrices liées aux AA
• PAM (Point Accepted Mutation - Henikoff [1])
• BLOSUM (BLOck SUbstitution Matrices - Dayhoff [4])
• Gonnet [2]
Relations entre matrices
• séquences peu divergentes : BLOSUM80, PAM1
• séquences très divergentes : BLOSUM45, PAM250
• en général : BLOSUM62, PAM120
• séquences courtes PAM30 (< 35 AA), PAM70 (< 50 AA)
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Partie théorique
Alignement par paires
Modèle de gap
Definition (Modèle de gap)
Un modèle de gap est une application g de N → R qui attribue
un score, qualifié ici de pénalité, à un ensemble de gaps
consécutifs. Cette pénalité possède un score généralement
négatif.
Definition (Modèle de gap linéaire)
Dans ce modèle, le score d’un gap est proportionnel à la
longueur du gap et est donné par une formule de la forme :
0
si n = 0
g(n) =
n × go si n ≥ 1
ou go < 0 est la pénalité introduite par l’insertion d’un nouveau
gap et n est le nombre de caractères gap consécutifs.
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Partie théorique
Alignement par paires
Modèle de gap
Definition (Modèle de gap affine)
La fonction de score est donnée par :
0
si n = 0
g(n) =
go + (n − 1) × ge si n ≥ 1
ou go < 0 est la pénalité d’introduction (gap opening penalty)
d’un nouveau gap et ge < 0 est la pénalité d’extention d’un gap
existant (gap extension penalty).
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Partie théorique
Alignement par paires
Somme des paires d’un alignement
Definition (Somme des paires d’un alignement)
Soit A un alignement, la somme des paires (ou score de
l’alignement) est donnée par la formule :
sop(A) =
q
X
sop c (Ac )
c=1
ou sop c (Ac ) est le score de la colonne c de l’alignement, donné
par :
c
sop (Ac ) =
kX
−1
k
X
δr ,s × w (arc , asc )
r =1 s=r +1
où 0 < δr ,s ≤ 1 est un coefficient de pondération
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Partie théorique
Alignement par paires
Meilleur alignement par paires
Comment calculer le meilleur alignement ?
On utilise
• une matrice de substitution
• un modèle de gap
• une fonction de score (somme des paires)
Le meilleur alignement est l’alignement optimum pour la
somme des paires
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Partie théorique
Alignement par paires
Meilleur alignement par paires
Comment obtenir le meilleur alignement ?
P
k
• énumération exhaustive : nk =0 Cn+k
× Cnk
• méthode heuristique
• méthode exacte : programmation dynamique
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Partie théorique
Alignement par paires
Programmation Dynamique
Programmation dynamique (Bellman, 1940)
méthode appliquée à des problèmes d’optimisation pour
lesquels un choix doit être fait entre plusieurs solutions
possibles afin d’aboutir à une solution optimale. Le terme
Programmation fait ici référence à une méthode basée sur le
calcul de tableaux de valeurs (Needleman et Wunsch, 1970 [6])
Complexité
en O(n × p) si séquences de longueurs respectives n et p.
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Partie théorique
Alignement par paires
Programmation Dynamique
Principe - cas d’un gap linéaire
• soient 2 séquences S et T à aligner de longueurs N et P
• S = hx1 , . . . , xN i
• T = hy1 , . . . , yP i
• on calcule une matrice M de scores optimaux de
dimension (N + 1) × (P + 1)
• à partir de cette matrice on peut évaluer les alignements
optimaux
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Partie théorique
Alignement par paires
Programmation Dynamique
Initialisation la matrice M
• M[0, 0] = 0
• M[i, 0] = M[i − 1, 0] + go
∀i ∈ [1, N]
• M[0, j] = M[0, j − 1] + go
∀j ∈ [1, P]
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Partie théorique
Alignement par paires
Programmation Dynamique
Calcul de chaque case de la matrice
M[i − 1, j − 1]
M[i, j − 1]
տ
←
M[i − 1, j]
↑
M[i, j]
Formule de récurrence

 M[i − 1, j − 1] +w (xi , yj )
M[i, j] = max
M[i − 1, j]
+go

M[i, j − 1]
+go
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Partie théorique
Alignement par paires
Programmation Dynamique
Example
Exemple 1
• S = ACAGTC
• T = CATTGC
• w (a, a) = 1
• w (a, b) = 0
• go = 0
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Partie théorique
Alignement par paires
Programmation Dynamique
Exemple 1 - initialisation
S/T
C
A
T
T
G
C
j
0
0
0
0
0
0
0
0
A
0
C
0
A
0
G
0
T
0
C
0
1
2
3
4
5
6
i
0
1
2
3
4
5
6
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Partie théorique
Alignement par paires
Programmation Dynamique
Exemple 1 - calcul de M
S/T
C
A
T
T
G
C
j
0
0
0
0
0
0
0
0
A
0
0
1
1
1
1
1
1
C
0
1
1
1
1
1
2
2
A
0
1
2
2
2
2
2
3
G
0
1
2
2
2
3
3
4
T
0
1
2
2
3
3
3
5
C
0
1
2
2
3
3
4
6
i
0
1
2
3
4
5
6
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Partie théorique
Alignement par paires
Programmation Dynamique
Obtention de l’alignement
A partir de la matrice des scores optimaux M on obtient les
alignements comme suit :
• on part de la case M[N, P]
• on prend une direction qui correspond au calcul optimal
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Partie théorique
Alignement par paires
Programmation Dynamique
Exemple 1 - directions en fonction de M
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Partie théorique
Alignement par paires
Programmation Dynamique
Exemple 1 - Alignements
On obtient 5 alignements optimaux :
-CATTG-C -CAT-TGC -CATTGC
ACA--GTC ACA-GT-C ACAGT-C
-CA-TTGC
ACAGT--C
-CA-TTGC
ACAG-T-C
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Partie théorique
Alignement par paires
Programmation Dynamique
Autres types d’alignement
le même principe peut être appliqué :
• à l’alignement global avec gap affine (Gotoh 82 [3])
• à l’alignement local (Smith et Waterman 81 [7])
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Partie théorique
Alignement par paires
Autres méthodes - BLAST, FASTA
Recherche dans les bases de données
Lorsque l’on doit réaliser de très nombreux alignements,
l’algorithme de programmation dynamique est trop coûteux.
Deux algorithmes heuristiques ont été développés :
• BLAST
• FASTA
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Partie théorique
Alignement multiple
Méthodes d’alignement multiple
Programmation dynamique à k-dimensions
• on peut étendre l’algorithme de programmation dynamique
pour trouver l’alignement optimal de k séquences.
Cependant, cet algorithme est trop coûteux en espace
mémoire et en temps pour être efficace
• il est donc nécessaire de développer des algorithmes
sous-optimaux mais efficaces
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Partie théorique
Alignement multiple
Méthodes d’alignement multiple
Progressif ou itératif
On distingue 2 grand types de méthodes :
• progressives (Clustal) : on commence par aligner les
deux séquences les plus proches, puis on ajoute les
séquences de plus en plus distantes au fur et à mesure
• itératives (Saga) : on aligne l’ensemble des séquences et
on améliore l’alignement par une série d’étapes
Remarque
Les algorithmes progressifs sont plus rapides que les
algorithmes itératifs.
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Partie théorique
Alignement multiple
Les programmes d’alignement multiple
• clustalw : progressif
• multalin : variante de clustal
• T-coffee : variante de clustal
• muscle : fonction de création de profile
• probcons : modèle de Markov
• mafft : transformée de Fourier
• dialign : recherche de chemins
• saga : algorithme génétique
• hmmer : modèle de Markov
• ...
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Partie théorique
Alignement multiple
Utilitaires pour l’alignement
• readseq : conversion entre différents format de
séquences
• cinema : visualisation d’alignement multiple
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Partie théorique
Alignement multiple
Efficacité et précision
BaliBase (Thompson, Plewniak, Poch 99 [8])
• ensemble d’alignements de référence (considérés
corrects)
• utilisé pour attester de la qualité des logiciels d’alignement
multiple
• décomposé en 5 sous-ensembles caractéristiques :
•
•
•
•
•
set 1 : séquences équidistantes
set 2 : une séquence orpheline
set 3 : familles divergentes
set 4 : longues insertions de gap aux extrémités
set 5 : longues insertions de gap au milieu
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Partie théorique
Alignement multiple
Efficacité et précision
BaliBase (bali score)
Le programme bali score permet de calculer 2 valeurs :
• SPS (sum-of-pairs score) : rapport entre le nombre de
paires de résidus bien alignés dans l’alignement obtenu et
ceux de l’alignement de référence
• CS (column score) : nombre de colonnes bien alignées par
rapport au nombre de colonnes de l’alignement
de manière générale
0 ≤ CS ≤ SPS ≤ 1
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Partie théorique
Alignement multiple
Efficacité et précision
Résultats du score SPS avec quelques logiciels :
Softwares
CLUSTAL
MAFFT
MUSCLE
PROBCONS
TCOFFEE
MALINBA
Set 1
0.809
0.829
0.821
0.849
0.814
0.811
Set 2
0.932
0.931
0.935
0.943
0.928
0.911
Set 3
0.723
0.812
0.784
0.817
0.739
0.752
Set 4
0.834
0.947
0.841
0.939
0.852
0.899
Set 5
0.858
0.978
0.972
0.974
0.943
0.942
Time (s)
120
98
75
711
1653
343
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Bioinformatique BTVAlignement de Séquences
Partie pratique
Partie pratique
Partie pratique
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Bioinformatique BTVAlignement de Séquences
Partie pratique
Installer Clustalw
Mode d’emploi
• télécharger clustalw 1.83
• désarchiver le fichier : tar -xvzf *.tgz
• compiler : make -f makefile.linux
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Bioinformatique BTVAlignement de Séquences
Partie pratique
Utiliser Clustalw
Mode interactif ou non
On peut utiliser Clustal de deux manières différentes :
• soit de manière interactive (l’utilisateur saisit au clavier les
différents paramètres) : clustalw
• soit de manière non-interactive (on fournit les paramètres
en ligne de commande)
pour connaı̂tre les paramètres en ligne de commande :
clustalw -help
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Bioinformatique BTVAlignement de Séquences
Partie pratique
Utiliser Clustalw
Alignement de séquences
Avec clustalw, aligner les séquences des fichiers :
• 1aab ref1.fasta
• 1aho ref1.fasta
• 1csy ref1.fasta
• 1dox ref1.fasta
puis calculez le SPS et le CS de des alignements obtenus
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Bioinformatique BTVAlignement de Séquences
Partie pratique
M. O. Dayhoff, R. M. Schwartz, and B. C. Orcutt.
A model of evolutionary change in proteins.
In M. O. Dayhoff, editor, Atlas of Protein Sequence and
Structure, volume 5, chapter 22, pages 345–352. National
Biomedical Research Foundation, 1978.
G.H. Gonnet, M.A. Cohen, and S.A. Benner.
Exhaustive matching of the entire protein sequence
database.
Science, 256 :1443–1445, 1992.
O. Gotoh.
An improved algorithm for matching biological sequences.
Journal of Molecular Biology, Vol. 162 :705–708, 1982.
S. Henikoff and J. G. Henikoff.
Amino acid substitution matrices from protein blocks.
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Partie pratique
In Proceedings of the National Academy of Science,
volume Vol. 89, pages 10915–10919, 1992.
V. I. Levenshtein.
Binary codes capable of correcting deletions, insertions,
and reversals.
Soviet Physics - Doklady, 10(8) :707–710, February 1966.
Wunsch C.D. Needleman S.B.
A general method applicable to the search for similarities in
the amino acid sequence of two proteins.
JMB, 3(48) :443–453, 1970.
T. F. Smith and M. S. Waterman.
Identification of common molecular sequences.
JMB, 147 :195–197, 1981.
J.D. Thompson, F. Plewniak, and O. Poch.
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Bioinformatique BTVAlignement de Séquences
Partie pratique
Balibase : A benchmark alignments database for the
evaluation of multiple sequence alignment programs.
Bioinformatics, Vol. 15 :87–88, 1999.
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