Ikhtisar

Penyelarasan urutan adalah operasi dasar bioinformatika, menempatkan dua atau lebih urutan biologis secara berdampingan untuk mengidentifikasi wilayah kesamaan yang mungkin mencerminkan hubungan fungsional, struktural, atau evolusi. Penyelarasan berpasangan membandingkan dua urutan dan membentuk dasar untuk pencarian database, desain primer, dan inferensi filogenetik. Masalah penyelarasan diselesaikan dengan algoritma pemrograman dinamis - Needleman-Wunsch untuk penyelarasan global dan Smith-Waterman untuk penyelarasan lokal - yang menemukan jalur penilaian optimal melalui matriks kecocokan, ketidakcocokan, dan penalti kesenjangan.

Konsep Utama

Penyelarasan diklasifikasikan sebagai global atau lokal. Penyelarasan global memaksa penyelarasan di seluruh panjang kedua rangkaian dan paling sesuai untuk rangkaian yang berkerabat dekat dengan panjang yang sama. Penyelarasan lokal mengidentifikasi wilayah pendek yang dilestarikan dan ideal untuk mendeteksi domain bersama di antara rangkaian yang berbeda. Matriks substitusi seperti BLOSUM62 dan PAM250 memberikan skor log-odds untuk setiap kemungkinan penggantian asam amino, sedangkan penyelarasan DNA biasanya menggunakan skor kecocokan/ketidakcocokan sederhana. Penalti celah – seringkali merupakan kombinasi dari penalti pembukaan celah dan perluasan celah – mencegah penyisipan atau penghapusan yang berlebihan. Alat heuristik seperti BLAST trade menjamin optimalitas kecepatan dengan menyemai penyelarasan dengan pencocokan kata yang tepat.

Aplikasi

Penyelarasan berpasangan digunakan setiap hari dalam biologi molekuler. Hal ini mendasari desain primer reaksi berantai polimerase dengan memeriksa komplementaritas primer-templat, memvalidasi hasil pengurutan DNA dengan menyelaraskan pembacaan dengan genom referensi, dan mengidentifikasi residu yang dilestarikan dalam prediksi struktur protein. Genomik komparatif mengandalkan penyelarasan untuk mendeteksi transfer gen horizontal dalam genetika bakteri, dan pemetaan situs restriksi menggunakan penyelarasan untuk memprediksi pola pencernaan enzim restriksi.

Protokol Praktis

Untuk penyelarasan global berpasangan menggunakan EMBOSS Needle, siapkan dua urutan dalam format FASTA: needle seq1.fasta seq2.fasta -gapopen 10 -gapextend 0.5 -outfile needle_output.txt. Penalti gap open (10 untuk protein, 10–15 untuk nukleotida) memberikan penalti terhadap munculnya celah baru, sedangkan penalti perluasan celah (0,5 untuk protein, 0,5–1,0 untuk nukleotida) memberikan penalti untuk memperluas celah yang sudah ada. Hukuman pembukaan kesenjangan yang lebih tinggi menghasilkan kesenjangan yang lebih sedikit dan lebih panjang; hukuman yang lebih rendah memungkinkan banyak kesenjangan yang pendek. Untuk penyelarasan lokal dengan EMBOSS Water: water seq1.fasta seq2.fasta -gapopen 10 -gapextend 0.5 -outfile water_output.txt. Air menemukan wilayah dengan kemiripan tertinggi antara dua rangkaian, ideal untuk mendeteksi domain yang dilestarikan dalam rangkaian yang berbeda. Outputnya meliputi penyelarasan dengan simbol kecocokan/ketidakcocokan (| untuk identik, : untuk konservatif, . untuk semi konservatif, spasi untuk non-konservatif), skor penyelarasan, dan identitas persen. Pilih matriks substitusi dengan bijak: BLOSUM62 adalah default untuk sebagian besar penyelarasan protein dan cocok untuk rangkaian yang berbagi identitas 30–70%. BLOSUM80 bekerja lebih baik untuk rangkaian yang berkerabat dekat (>80% identitas), sedangkan BLOSUM45 lebih sensitif untuk hubungan jauh (<30% identitas). Untuk penyelarasan DNA, gunakan matriks EDNAFULL dengan match=1, mismatch=0 untuk rangkaian yang berkerabat dekat, atau match=1, mismatch=-1 dengan penalti gap yang lebih tinggi untuk perbandingan lintas spesies. Sesuaikan parameter secara berulang: jika penyelarasan tidak bermakna secara biologis (misalnya, menyelaraskan wilayah yang tidak terkait), tingkatkan penalti kesenjangan. Gunakan JVM rumput laut atau platform web Galaxy untuk menjalankan alat EMBOSS tanpa akses baris perintah. Untuk penyelarasan berpasangan batch, gunakan varian needlem. atau waterm (beberapa) dengan file urutan urutan kueri terhadap satu target.