用Python实现生信分析——序列进化分析详解

1. 什么是序列进化分析?

序列进化分析 是生物信息学中的一项核心任务,通过比较不同物种或个体的DNA、RNA或蛋白质序列,研究它们之间的进化关系。序列进化分析可以揭示物种之间的亲缘关系、基因的进化过程、功能保守性等。

2. 序列进化分析的主要方法

(1)多序列比对(Multiple Sequence Alignment, MSA)

  • 通过将多条序列进行比对,找出保守区域,并为进化分析提供基础数据。常用工具包括ClustalW、MUSCLE、MAFFT等。

(2)进化树构建

  • 基于序列的相似性或进化距离,构建反映物种或基因进化关系的进化树。常用算法包括邻接法(Neighbor-Joining, NJ)、最大似然法(Maximum Likelihood, ML)、贝叶斯法(Bayesian Inference)。

(3)序列距离计算

  • 计算序列之间的进化距离,常用模型包括Jukes-Cantor模型、Kimura两参数模型等。
3. 案例:使用Biopython进行序列进化分析

在这个案例中,我们将通过以下步骤进行序列进化分析:

  1. 多序列比对:使用ClustalW进行多序列比对。
  2. 进化树构建:使用进化距离矩阵构建邻接法(NJ)进化树。
  3. 结果分析:解释进化树并分析物种之间的进化关系。
(1) 安装必要的软件和库

首先,确保你已经安装了Biopython库和ClustalW软件。如果没有,可以使用以下命令安装:

# 安装Biopython
pip install biopython

# 安装ClustalW(需要系统支持)
sudo apt-get install clustalw
(2) 使用ClustalW进行多序列比对

假设你有一组蛋白质序列文件(如 sequences.fasta),我们将使用ClustalW进行多序列比对。

# 使用ClustalW进行多序列比对
clustalw -INFILE=sequences.fasta -OUTFILE=aligned.aln -OUTPUT=FASTA

这将生成一个比对后的序列文件 aligned.aln,该文件将用于后续的进化树构建。

(3)使用Biopython构建进化树

接下来,我们将使用Biopython解析比对结果,并构建进化树。

from Bio import AlignIO, Phylo
from Bio.Phylo.TreeConstruction import DistanceCalculator, DistanceTreeConstructor

# 读取多序列比对文件
alignment = AlignIO.read("aligned.aln", "clustal")

# 计算序列间的距离矩阵
calculator = DistanceCalculator('identity')
distance_matrix = calculator.get_distance(alignment)

# 使用邻接法(NJ)构建进化树
constructor = DistanceTreeConstructor(calculator, 'nj')
tree = constructor.build_tree(alignment)

# 绘制进化树
Phylo.draw(tree)

# 输出进化树的Newick格式
Phylo.write(tree, "phylogenetic_tree.newick", "newick")

4. 运行结果和分析

运行结果

通过运行以上代码,你将生成一个显示序列进化关系的进化树,结果可能如下:

  • 进化树图:一棵以邻接法(NJ)构建的进化树,显示了不同序列之间的进化关系。
  • Newick格式文件:进化树的Newick格式表示,可以用于其他进化分析工具中。

结果分析

(1)多序列比对结果

  • 多序列比对的结果显示了序列之间的保守区域,这些区域通常在进化过程中保留了功能性。

(2)进化距离矩阵

  • 计算出的距离矩阵反映了不同序列之间的相似度。相似度越高的序列在进化树上越接近。

(3)进化树解释

  • 通过观察进化树,可以推测出不同物种或基因之间的亲缘关系。树上的分支点表示共同祖先,分支越近,表示进化关系越密切。

如果上述程序构建存在困难,可使用以下程序,得到运行结果:

from Bio import Phylo
from Bio.Phylo.TreeConstruction import DistanceCalculator, DistanceTreeConstructor
from Bio.Align import MultipleSeqAlignment
from Bio.SeqRecord import SeqRecord
from Bio.Seq import Seq
from io import StringIO

# 手动对齐的序列,确保长度一致
seq1 = "MKTIIALSYIFCLVFAD"
seq2 = "MKTIIALSYIFCLVFAA"
seq3 = "MKVIVLSYIFFLVFADA"  # 修正后的序列,使其长度为 17
seq4 = "MKTIIALSYIFCLVFAA"
seq5 = "MKAIILLQYIFFLVFAD"

# 检查每个序列的长度
print(f"seq1 length: {len(seq1)}")
print(f"seq2 length: {len(seq2)}")
print(f"seq3 length: {len(seq3)}")
print(f"seq4 length: {len(seq4)}")
print(f"seq5 length: {len(seq5)}")

# 确保所有序列长度相同
assert len(seq1) == len(seq2) == len(seq3) == len(seq4) == len(seq5), "序列长度不一致!"

# 构建对齐对象
alignment = MultipleSeqAlignment([
    SeqRecord(Seq(seq1), id="seq1"),
    SeqRecord(Seq(seq2), id="seq2"),
    SeqRecord(Seq(seq3), id="seq3"),
    SeqRecord(Seq(seq4), id="seq4"),
    SeqRecord(Seq(seq5), id="seq5")
])

# 计算距离矩阵
calculator = DistanceCalculator('identity')
distance_matrix = calculator.get_distance(alignment)

# 使用邻接法构建进化树
constructor = DistanceTreeConstructor(calculator, 'nj')
tree = constructor.build_tree(alignment)

# 输出进化树到Newick格式
newick_output = StringIO()
Phylo.write(tree, newick_output, "newick")
newick_tree = newick_output.getvalue()

# 绘制进化树
Phylo.draw_ascii(tree)

# 输出Newick格式和距离矩阵
print("Newick Format Tree:")
print(newick_tree)

print("\nDistance Matrix:")
print(distance_matrix)

输出: 

seq1 length: 17
seq2 length: 17
seq3 length: 17
seq4 length: 17
seq5 length: 17
                ____________ seq5
    ___________|
  _|           |_________________________________________________________ seq3
 | |
 | |__ seq1
_|
 | seq2
 |
 | seq4

Newick Format Tree:
(((seq5:0.12745,seq3:0.57843)Inner1:0.11765,seq1:0.02941)Inner2:0.02941,seq2:0.00000,seq4:0.00000)Inner3:0.00000;


Distance Matrix:
seq1    0.000000
seq2    0.058824    0.000000
seq3    0.764706    0.705882    0.000000
seq4    0.058824    0.000000    0.705882    0.000000
seq5    0.235294    0.294118    0.705882    0.294118    0.000000
    seq1    seq2    seq3    seq4    seq5
  • 代码解释

(1)手动创建对齐后的序列

        直接使用 MultipleSeqAlignment 对象来存储手动对齐的序列,确保所有序列的长度相同,避免之前的问题。

(2)距离矩阵计算和进化树构建

        使用 DistanceCalculator 计算序列间的距离,并使用 DistanceTreeConstructor 构建进化树。

(3)Newick格式和进化树图

        生成的进化树会被输出为 Newick 格式,同时也会显示 ASCII 图形式的进化树,便于查看进化关系。

  • 运行和结果分析

        通过在本地运行上述代码,您应该能够成功生成进化树,并看到其 Newick 格式表示和 ASCII 图表示。 

5.  其他进化分析方法

(1)最大似然法(ML)

  • 使用最大似然法可以构建更精确的进化树,尤其是在处理较长序列或复杂进化模型时。

(2)贝叶斯法(Bayesian Inference)

  • 基于贝叶斯统计的进化树构建方法,可以提供分支支持度,并通过MCMC采样进行精确推断。

(3)进化模型选择

  • 根据数据选择合适的进化模型(如Jukes-Cantor, Kimura等)是确保进化分析准确性的关键。

6  实际应用场景

(1)物种进化分析

  • 通过构建物种的进化树,可以研究不同物种之间的进化关系,揭示物种分化的历史。

(2)基因家族进化

  • 进化分析可以帮助理解基因家族的起源和扩展,通过比较不同物种中的同源基因,研究基因的进化机制。

(3)传染病溯源

  • 通过分析病原体的基因组序列,构建其进化树,可以追踪传染病的来源和传播路径。

7. 总结

序列进化分析是理解生物进化和功能保守性的重要工具。通过使用多序列比对和进化树构建,我们可以揭示物种或基因之间的进化关系。在本次讲解中,我们详细介绍了如何使用Biopython和ClustalW进行序列进化分析,并分析了运行结果。

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