Ευθυγράμμιση Ακολουθιών. Προχωρημένα Θέματα Επιστήμης και Αναλυτικής Δεδομένων Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Γιώργος Αλεξανδρίδης

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "Ευθυγράμμιση Ακολουθιών. Προχωρημένα Θέματα Επιστήμης και Αναλυτικής Δεδομένων Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Γιώργος Αλεξανδρίδης"

Βηθεσδά Αλεξιάδης
2 χρόνια πριν
Προβολές:

1 Ευθυγράμμιση Ακολουθιών Προχωρημένα Θέματα Επιστήμης και Αναλυτικής Δεδομένων Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Γιώργος Αλεξανδρίδης

2 Εξελικτική ιολογία Viral evolution Κλάδος της εξελικτικής βιολογίας και της βιολογίας που ασχολείται με την εξέλιξη των ιών Στους ιούς, η κύρια εξελικτική διαδικασία είναι οι μεταλλάξεις (mutations) Ειδικά οι ιοι RNA όπως ο SARS-CoV-2 εμφανίζουν εν γένει υψηλούς ρυθμούς μετάλλαξης Ο υψηλός ρυθμός μετάλλαξης σε συνδυασμό με τη φυσική επιλογή επιτρέπουν στους ιούς να προσαρμόζονται ταχύτατα σε άλλαγες στο περιβάλλον τους

3 Εξελικτική ιολογία και επιδημιολογία Μελέτη της εξέλιξης των ιών μας βοηθά 1. Να κατανοήσουμε τον τρόπο που λειτουργούν τα γονίδια του 2. Να βγάλουμε συμπεράσματα για τον τρόπο και το ρυθμό εξάπλωσής του 3. Να σχεδιάσουμε αποτελεσματικές τεχνικές αντιμετώπισής του Φάρμακα Εμβόλια Συνεπώς, η μελέτη των μεταλλάξεων ενός ιού σχετίζεται με όλα τα παραπάνω σημεία

4 Τύποι μεταλλάξεων 1. Σημειακές μεταλλάξεις (point mutations) Μεταβολή ενός νουκλεοτιδίου σε μια ακολουθία DNA/RNA Συνέπειες μπορεί να κυμαίνονται από ασήμαντες ως πολύ σοβαρές όσον αφορά την παραγωγή, τη σύνθεση και τη λειτουργία των πρωτεϊνών 2. Indels Insertion or deletion of bases Συνήθως έχουν μέγεθος μέχρι 10 χιλιάδες νουκλεοτίδια το πολύ Αν συμβούν σε περιοχή του γονιδιόματος που κωδικοποιεί πρωτεϊνες και είναι πολλαπλάσιες του 3 οδηγούν σε μετάλλαξη μετατόπισης πλαισίου (frameshift mutation) Χρησιμοποιούνται ως γενετικά σημάδια (genetic markers) στις φυλογενετικές μελέτες

5 Σημειακές μεταλλάξεις

6 Ευθυγράμμιση Aκολουθιών Sequence Alignment Μεθοδολογίες διάταξης ακολουθιών DNA με σκοπό τον εντοπισμό περιοχών ομοιότητας μεταξύ τους Ξεκινώντας από το DNA, οι τεχνικές ταιριάσματος επεκτείνονται σε όλα τα βήματα του κεντρικού δόγματος της βιολογίας Το DNA μεταγράφεται σε RNA και το RNA συνδέει αμινοξέα για την κατασκευή πρωτεϊνών Βοηθά στην εξαγωγή συμπερασμάτων όσον αφορά λειτουργικές, δομικές ή εξελικτικές σχέσεις μεταξύ των περιοχών Εύρεση γονιδίων που κωδικοποιούν συγκεκριμένες πρωτεΐνες Στόχος είναι να πετύχουμε το καλύτερο δυνατό ταίριασμα

7 Παράδειγμα: Ιστονική Πρωτεϊνη στα Θηλαστικά Βασική πρωτεΐνη ευκαριωτικών κυττάρων που οργανώνει το DNA σε νουκλεοσώματα Μεταλλάξεις Συντηρητικές Αλλαγή σε αμινοξύ με παρόμοιες βιοχημικές ιδιότητες Ημί-συντηρητικές Μη-συντηρητικές

8 Ευθυγράμμιση ακολουθιών σε ιους RNA Οι τεχνικές ευθυγράμμισης ακολουθιών δεν μπορούν να εφαρμοστούς σε ιούς RNA Σε αυτές τις περιπτώσεις, εφαρμόζεται η τεχνική της αντίστροφης μεταγραφής (complementary transcription) από RNA σε συμπληρωματικό DNA (complementary DNA ή cdna) Οι τεχνικές ευθυγράμμισης ακολουθιών εφαρμόζονται στο cdna

9 Βασικές παραδοχές Στις ευθυγραμμίσεις πρωτεϊνικών ακολουθών, ο βαθμός ομοιότητας μεταξύ των αμινοξέων μιας περιοχής της πρωτεΐνης αποτελεί ένδειξη του βαθμού που η συγκεκριμένη περιοχή διατηρείται στη γενεαλογία του ιού Η ανυπαρξία μεταλλάξεων ή η ύπαρξη συντηρητικών μεταλλάξεων σε μια περιοχή μιας ακολουθίας αποτελεί επίσης ένδειξη ότι η συγκεκριμένη περιοχή έχει λειτουργική ή δομική σημασία Ωστόσο Η ομοιότητα μεταξύ δύο ακολουθιών δεν συνεπάγεται απαραίτητα και κοινή λειτουργικότητα Παρόμοια λειτουργικότητα δε συνεπάγεται απαραίτητα ομοιότητα στην ακολουθία

10 Τεχνικές ευθυγράμμισης Μια ακολουθία μπορεί να είναι πολύ μεγάλη σε μήκος Αποτελείται από χιλιάδες νουκλεοτίδια ακόμα και στους ιούς Χρήση υπολογιστικών μεθόδων Κατηγοριοποίηση 1. Πληρότητα Ολικό ταίριασμα (global alignment) Τοπικό ταίριασμα (local alignment) Υβριδικές μέθοδοι 2. Πλήθος ακολουθιών Κατά ζεύγη Πολλαπλές

11 Ολικό ταίριασμα Ταίριασμα των ακολουθιών σε όλο τους το μήκος Πρόβλημα εύρεσης ολικού βέλτιστου (global optimization) Χρήσιμο όταν οι ακολουθίες έχουν παρόμοιο μήκος Αλγόριθμος Needleman-Wunsch Βασίζεται στο δυναμικό προγραμματισμό

12 Τοπικό ταίριασμα Εύρεση μικρότερων περιοχών ομοιότητας, οι οποίες μπορούν να απέχουν αρκετά μεταξύ τους Εν γένει πιο δύσκολο πρόβλημα από το ολικό ταίριασμα Κατάλληλο για περιπτώσεις διαφορετικών ακολουθών, για τις οποίες υπάρχει ένδειξη ότι μπορεί να έχουν περιοχές που μοιάζουν Αλγόριθμος Smith-Waterman Βασίζεται στο δυναμικό προγραμματισμό Επί της ουσίας επέκταση του Needleman-Wunsch με προσθήκη της δυνατότητα εκκίνησης και τερματισμού σε οποιοδήποτε σημείο της ακολουθίας

13 Υβριδικές μέθοδοι Ψάχνουν για το καλύτερο δυνατό μερικό ταίριασμα των δύο ακολουθιών Χρησιμότητα Όταν η αρχή της μιας ακολουθίας ταυτίζεται με το τέλος της άλλης Οπότε οι δύο προηγούμενες περιπτώσεις δεν δίνουν ικανοποιητικά αποτελέσματα Όταν οι δύο ακολουθίες έχουν πολύ διαφορετικό μήκος πχ θέλουμε να βρούμε αν ένα γονίδιο υπάρχει σε ένα χρωμόσωμα

Πίνακας Ακίδων Τα στοιχεία των δύο ακολουθιών αναπτύσσονται στις γραμμές και τις στήλες ενός πίνακα Όπου υπάρχει ομοιότητα σημειώνεται με τελεία Περιοχές με

14 Πίνακας Ακίδων Τα στοιχεία των δύο ακολουθιών αναπτύσσονται στις γραμμές και τις στήλες ενός πίνακα Όπου υπάρχει ομοιότητα σημειώνεται με τελεία Περιοχές με "πυκνές" τελείες υποδεικνύον ομοιότητα "Ποιοτική" τεχνική Καλή στο να οπτικοποιεί indels Δύσκολη για αναλύσεις μεγάλων ακολουθιών Δύσκολη ερμηνεία των αποτελεσμάτων

15 Αλγόριθμος Needleman-Wunsch Προτάθηκε από τους Saul Needleman και Christian Wunch το 1970 Γνωστός και ως ο αλγόριθμος του βέλτιστου ταιριάσματος (optimal matching) ή η τεχνική της ολικής ευθυγράμμισης (global alignment) Διαιρεί ένα μεγάλο πρόβλημα σε μια σειρά μικρότερα υποπροβλήματα Μεγάλο πρόβλημα: ταίριασμα πλήρους αλυσίδας Χρήση λύσεων υποπροβλημάτων για την προσέγγιση της βέλτιστης λύσης στο μεγάλο πρόβλημα

16 Αλγόριθμος Needleman-Wunsch - Παράδειγμα

17 Αλγόριθμος Smith-Waterman Προτάθηκε από τους Temple Smith και Michael Waterman το 1981 Όπως και ο αλγόριθμος των Needleman-Wunsch είναι αλγόριθμος δυναμικού προγραμματισμού Μπορεί να εγγυηθεί την εύρεση του καλύτερου ταιριάσματος για ένα δοσμένο σύστημα βαθμολόγησης Διαφορά με αλγόριθμο Needleman-Wunsch Δεν χρησιμοποιεί αρνητικές τιμές Τις θέτει στο μηδέν Έτσι κάνει πιο εμφανή τα τοπικά ταιριάσματα Ξεκινάει από το κελί με το μεγαλύτερο σκορ και κινείται προς τα πάνω και αριστερά μέχρι να "συναντήσει" κελί με αρνητικό σκορ Έτσι επιστρέφει το τοπικό ταίριασμα με το υψηλότερο σκορ Ψευδοπολυωνυμικός ως προς χώρο και χρόνο Όχι κατάλληλος για μεγάλα προβλήματα

18 Αλγόριθμος Smith-Waterman - Παράδειγμα

19 Ταίριασμα Πολλαπλών Ακολουθιών Δυναμικός προγραμματισμός όχι κατάλληλος Προοδευτικές μέθοδοι (Progressive methods) Πρώτα ταίριασμα των πιο όμοιων ακολουθιών και στη συνέχεια προσθήκη των λιγότερο όμοιων Χρήση ευριστικών για τον υπολογισμό της αρχικής ομοιότητας Clustal, T-Coffee Επαναληπτικές μέθοδοι (Iterative methods) Χρήση αντικειμενικής συνάρτησης Πραγματοποίηση αρχικού ταιριάσματος Κατόπιν επαναληπτικά "επαναταιριάσματα" μέχρι να βελτιωθεί η αντικειμενική Εύρεση μοτίφ (Motif finding) Τεχνικές βελτιστοποίησης Κρυφά μαρκοβιανά μοντέλα, Γενετικοί αλγόριθμοι, Simulated annealing

20 Βάσεις δεδομένων για ιούς 1. GISAID Μη-κερδοσκοπικός οργανισμός που δημιουργήθηκε το 2008 Βάση δεδομένων γενετικών ακολουθιών ιών (κυρίως γρίπης) Υποβολή δειγμάτων από όλο τον κόσμο Βοηθά στη μελέτη της εξέλιξης των ιών Nextstrain Open source project που αποθηκεύει και οπτικοποιεί γενετικές πληροφορίες για ιούς

Σχετικά έγγραφα

Στοίχιση κατά ζεύγη. Στοίχιση ακολουθιών κατά ζεύγη (Pairwise alignment)

Στοίχιση κατά ζεύγη. Στοίχιση ακολουθιών κατά ζεύγη (Pairwise alignment) Στοίχιση ακολουθιών κατά ζεύγη (Pairwise alignment) Στοίχιση κατά ζεύγη: Τι είναι Αντιστοίχιση των νουκλεοτιδίων/αµινοξέων δυο ακολουθιών, ώστε να εντοπιστούν οι οµοιότητες και οι διαφορές τους. Χρησιµοποιείται