Выравнивание молекулярных последовательностей

Позиционная гомология устанавливается при помощи процедуры выравнивания последовательностей. Выравнивание - процедура попарного сопоставления остатков в последовательностях друг с другом, направленная на поиск соответствия между последовательностями. Выравнивание позволяет: а) сопоставить и сравнить последовательности; б) определить меру схожести последовательностей; в) выявить вариабельные и консервативные области.

Предположим, у нас две последовательности [7] одинаковой длины в 10 нуклеотидных оснований (Табл. 1).

Можем ли мы считать их выровненными относительно друг друга, то есть считать, что каждая позиция первой, верхней последовательности (обозначены цифрами верхнего ряда) гомологична таковой нижнего ряда? Если это так, то можно предположить, что в ходе эволюции этих последовательностей от неизвестного общего предкапроизошло, как минимум, 5 нуклеотидных замен (обозначены звездочками) и ни одной делеции или вставки. Однако можно также допустить, что вставки или делеции имели место, и тогда те же последовательности можно выровнять другими способами. В Табл. 2 – разница между двумя последовательностями уже в 2-х заменах и в 2-х вставках/делециях в позициях № 4 второй последовательности и в 11 позиции первой последовательности.

В третьем варианте (Табл. 3) уже не остается ни одной замены, нуклеотиды обеих последовательностей идентичны, но уже три вставки/делеции, одна из которых длиной в два нуклеотида.

Этот очень упрощенный пример, тем не менее, показывает, что чем больше пробелов вводится при выравнивании, тем меньше различий (замен) между последовательностями можно зафиксировать.

Следует подчеркнуть, что: 1) выравнивание – алгоритмизированный вычислительный процесс, полностью не зависящий от биологической реальности; 2) всегда остается вопрос, насколько математически оптимальное выравнивание является оптимальным биологически; 3) выравнивание остается одной из наиболее трудоемких и спорных задач (инверсии, вставки чужеродного материала) в ходе молекулярно-филогенетического анализа; 4) к полученному при использовании любой компьютерной программы выравниванию необходимо подходить осторожно, критически – обязательна редакция «вручную», необходимо выделять надежные и ненадежные участки, использовать для филогенетической реконструкции только те позиции, гипотеза о гомологии которых не вызывает сомнения.

После того, как проведено выравнивание, наступает следующий этап – выбор моделей и реконструкция филогении по различным алгоритмам.

Построение филогенетических деревьев: структура и методы