Alinhamento multiplo atualizado

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Alinhamento global

Prof. Dr. Rodrigo Matheus Pereira

[email protected]

Faculdade de Ciências Biológicas e Ambientais FCBA - UFGD

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Alinhamento Múltiplo

Qual é a vantagem de se realizar um alinhamento Qual é a vantagem de se realizar um alinhamento

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Alinhamento Múltiplo

A grande vantagem do alinhamento múltiplo é que ele revela muito mais informação biológica e de uma só vez;

Identificar domínios conservados, incluindo resíduos críticos para a função da proteína;

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Alinhamento Múltiplo

Além disso é uma etapa prévia e essencial na análise filogenética;

Também pode ser utilizado para auxiliar no desenho Também pode ser utilizado para auxiliar no desenho

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Alinhamento Múltiplo

É possível utilizar programação dinâmica para realizar alinhamento múltiplo ótimo, porém há um limite;

A quantidade de tempo computacional e memória A quantidade de tempo computacional e memória

requeridos aumenta exponencialmente a medida que o número de sequências aumenta;

Ex.: O número de comparações a serem feitas será o número de bases (nt ou aa) elevado ao número de seqüências alinhadas;

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Alinhamento Múltiplo

O que é programação dinâmica?

Um algoritmo de programação dinâmica resolve cada Um algoritmo de programação dinâmica resolve cada

subproblema apenas uma vez e armazena o resultado em uma tabela, evitando o trabalho de recalcular a resposta toda vez que o subproblema é encontrado.

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Alinhamento Múltiplo

O alinhamento múltiplo pode ser realizado através de algoritmos heurísticos ou algoritmos exaustivos;

Algoritmos exaustivos: Algoritmos exaustivos:

Poucos programas utilizam esse tipo de análise baseado em “força bruta”devido ao “custo”

computacional;

Ex.: http://bibiserv.techfak.uni-bielefeld.de/dca

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Alinhamento Múltiplo

Algoritmos exaustivos:

Examina todas as possíveis posições alinhadas de cada sequência simultaneamente, similar a programação dinâmica.

dinâmica.

O algoritmo DCA trabalha quebrando as sequências em pequenas partes;

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Alinhamento Múltiplo

Algoritmos exaustivos - algoritmo DCA;

Os pontos de quebra são baseados na similaridade das sequências;

sequências;

Quando o comprimento da sequência chega a um tamanho predefinido a programação dinâmica é aplicada a cada conjunto de subsequências;

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Alinhamento Múltiplo

Algoritmos exaustivos - algoritmo DCA;

Posteriomente as sequências unidas no passo anterior passam por alinhamento múltiplo realizado com o

passam por alinhamento múltiplo realizado com o comprimento inteiro de todas as sequências;

Como os algoritmos exaustivos não são viáveis para uso rotineiro, os algoritmos heurísticos foram criados;

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Alinhamento Múltiplo

Algoritmos heurísticos; 3 categorias: Alinhamento progressivo; Alinhamento iterativo; Alinhamento iterativo;

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Alinhamento Múltiplo

Algoritmos heurísticos – Alinhamento progressivo;

Envolve vários passos de alinhamento;

Primeiro ele conduz um alinhamento par a par para cada possível par de sequências usando o método de cada possível par de sequências usando o método de alinhamento global Needleman–Wunsch;

Em seguida grava a pontuação das similaridades encontradas na comparação par a par;

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Alinhamento Múltiplo

A pontuação pode ser baseada em porcentagem de

identidade ou pontuação de similaridade escolhendo-se uma matriz de substituição particular;

uma matriz de substituição particular;

Ambas pontuações correlacionam-se com distâncias evolutivas entre as sequências;

A pontuação é então convertida em distância

evolucionaria gerando uma matriz de distância para todas as sequências envolvidas;

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Alinhamento Múltiplo

Uma simples análise filogenética é então realizada

baseada na matriz de distância do grupo de sequência baseada na matriz de distância do grupo de sequência levando-se em consideração a pontuação da distância obtida no alinhamento par a par;

A árvore evolucionária obtida, reflete a distância evolucionária entre todas as sequências;

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Alinhamento Múltiplo

Cuidado!!! A árvore resultante é apenas um resultado aproximado, não tem o rigor de uma árvore

filogenética formalmente construída. filogenética formalmente construída.

Ela é utilizada como guia para direcionar o

realinhamento, por isso é chamada de árvore guia; Cada duas sequências alinhadas geram um consenso

que será alinhado a próxima sequência e assim por diante;

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Alinhamento Múltiplo

Clustal

ClustalW on-line: www.ebi.ac.uk/clustalw/

ClustalX desktop: http://www.softpedia.com/get/Science- ClustalX desktop:

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Alinhamento Múltiplo

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Alinhamento Múltiplo

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Alinhamento Múltiplo

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Alinhamento Múltiplo

Baseado nela é feito um alinhamento par a par separadamente;

Sequencias consenso são geradas e realinhadas entre elas;

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Alinhamento Múltiplo

Uma nova sequência consenso será criada e irá ser alinhada a próxima sequência;

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Alinhamento Múltiplo

Cuidados ao usar o clustal;

Como realiza um alinhamento global o clustal tentará realizar o alinhamento de toda a proteína não “jogando fora pedaços” como ocorre no caso de alinhamento por fora pedaços” como ocorre no caso de alinhamento por blast.

É muito importante que haja uma seleção criteriosa de que seqüências e quais regiões destas seqüência serão alinhadas ;

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Alinhamento Múltiplo

Muitas vezes ao invés de selecionarmos proteínas inteiras, que podem conter um mosaico de regiões com inteiras, que podem conter um mosaico de regiões com diversas origens evolutivas, é preferível alinhar somente regiões de domínios em comum;

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Alinhamento Múltiplo

Alinhamento de múltiplas seqüências são bastante influenciados pelas penalizações de abertura e

extensão de gaps e ao fazer alinhamentos o usuário extensão de gaps e ao fazer alinhamentos o usuário

normalmente deve ajustar estes parâmetros de modo a obter um bom alinhamento;

Para o alinhamento de seqüências mais divergentes é necessário a utilização de penalizações menores para a abertura de gaps;

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Alinhamento Múltiplo

Devido aos problemas do algoritmo de alinhamento progressivo quando alinhamos seqüências distantes é sempre recomendável inserir no alinhamento múltiplo seqüências adicionais que sejam mais próximas das

seqüências adicionais que sejam mais próximas das seqüências analisadas;

De modo geral , ter um número razoável de seqüências ajuda o programa de alinhamento múltiplo e facilita a interpretação dos dados;

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Alinhamento Múltiplo

Um problema do clustal é ser altamente dependente da qualidade dos alinhamentos iniciais, visto que ao longo do processo eles não serão mais alterados;

Dificuldade é maior quando mesmo as seqüências mais próximas são distantemente relacionadas;

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Alinhamento Múltiplo

Para tentar superar alguns dos problemas citados outros programas foram criados;

T-Coffee

T-Coffee (Tree-based Consistency Objective Function for T-Coffee (Tree-based Consistency Objective Function for

alignment Evaluation);

http://tcoffee.vital-it.ch/cgi-bin/Tcoffee/tcoffee_cgi/index.cgi Usa alinhamento global e local para criar uma biblioteca

com as melhores pontuações de alinhamento;

A partir daí o alinhamento das demais sequências é realizada;

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Alinhamento Múltiplo

Algoritmos heurísticos – Alinhamento progressivo Muscle

Ideal para proteínas;

http://www.ebi.ac.uk/Tools/msa/muscle/ http://www.ebi.ac.uk/Tools/msa/muscle/

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Alinhamento Múltiplo

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Alinhamento Múltiplo

Algoritmos heurísticos – Alinhamento iterativo;

O método iterativo é baseado na idéia de que uma solução ótima pode ser encontrada através da modificação

ótima pode ser encontrada através da modificação repetitiva de soluções sub-ótimas;

Devido a ocorrência de limitações do alinhamento progressivo foi

implementado nas ultimas versões do clustal um algoritmo

utilizando aproximação sucessiva (iterativo)para minimizar este tipo de problema;

Iterativo significa passar pelo mesmo lugar várias vezes, alterando

várias vezes uma mesma parte, refatorando e adicionando funcionalidades.

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Alinhamento Múltiplo

Algoritmos heurísticos – Alinhamento iterativo;

O algoritmo realiza após cada alinhamento um

procedimento no qual ele seleciona uma seqüência e realinha esta com o resto do alinhamento;

realinha esta com o resto do alinhamento;

Caso o escore resultante for melhor que o inicial o novo alinhamento é mantido;

Isto é realizado sucessivamente com todas as seqüências do alinhamento.

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Alinhamento Múltiplo

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Alinhamento Múltiplo

Algoritmos heurísticos – Alinhamento baseado em blocos;

As estratégias de alinhamento progressivo e iterativo são em grande parte baseadas no alinhamento global são em grande parte baseadas no alinhamento global Podem devido a isso falharem em reconhecer alguns

domínios conservados entre sequências altamente divergentes de comprimentos variáveis;

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Alinhamento Múltiplo

Para cada sequência divergente que exibe apenas uma Para cada sequência divergente que exibe apenas uma

similaridade regional, uma aproximação local pode ser usada;

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Alinhamento Múltiplo

Essa estratégia identifica um bloco de alinhamento Essa estratégia identifica um bloco de alinhamento

sem lacunas (gaps) para todas as sequências, uma vez que essa estratégia é baseada em blocos;

Um programa que usa essa estratégia é o:

DIALIGN2

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Alinhamento Múltiplo

Outros programas de alinhamento: Clustal-Omega

Usa árvores guias e HMM;

http://www.ebi.ac.uk/Tools/msa/clustalo/

MAFFT MAFFT

Muito rápido, usa transformada de Fourier http://www.ebi.ac.uk/Tools/msa/mafft/

Kalign

Muito rápido, concentra em regiões locais; http://www.ebi.ac.uk/Tools/msa/kalign/

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Alinhamento Múltiplo

Bibliografia

XIONG, Jin. Essential Bioinformatics. New York: Cambridge University Press, 2006. 362 p. Capítulos 10 e 11

10 e 11

ZVELEBIL, Marketa; BAUM, Jeremy O. Understanding bioinformatics. New York: Garland Science, 2008.