生物學(xué)軟件在核酸序列比對(duì)與系統(tǒng)發(fā)育分析中的應(yīng)用

王小國(guó)

摘要 通過(guò)ClustalX2.1、Boxshade、DNAman和MEGA6等軟件的使用，介紹了生物學(xué)軟件在核酸序列比對(duì)、著色美化、序列分析和植物系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)構(gòu)建中的應(yīng)用。并結(jié)合具體實(shí)例，采用鄰接法對(duì)核基因組中的內(nèi)轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)序列進(jìn)行了構(gòu)樹(shù)，進(jìn)化枝的可信度較高，表明該方法適用于相似度較高、親緣關(guān)系較近序列的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)的構(gòu)建。

關(guān)鍵詞 序列比對(duì)；鄰接法；系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)；構(gòu)建

中圖分類號(hào) Q7；TP31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2015）12-0347-02

Application of Biology Software in the Nucleic Acid Sequence Alignment and Phylogenetic Analysis

WANG Xiao-guo

（Sanmenxia Polytechnic，Sanmenxia Henan 472000）

Abstract This paper introduced the application of biology software in the nucleic acid sequence alignment，beautification，sequence analysis and plant phylogenetic tree construction through the use of software such as ClustalX 2.1，Boxshade，DNAman and MEGA 6.Combined with the specific example，constructed neighbor-joined tree according to internal transcribed spacer of nuclear genome sequences，and the credibility of clade was higher，so the method was suitable for the close genetic relationship sequence in the construction of phylogenetic tree.

Key words sequence alignment；neighbor-joined method；phylogenetic tree；construct

核酸序列比對(duì)（Nucleic acid sequence alignment）又稱為核酸序列聯(lián)配，是通過(guò)2個(gè)或多個(gè)核酸序列的比對(duì)，顯示出其中相似結(jié)構(gòu)區(qū)域的過(guò)程[1]，是進(jìn)一步進(jìn)行相似性、序列間親緣關(guān)系和系統(tǒng)發(fā)育分析的基礎(chǔ)[2-3]。在系統(tǒng)發(fā)育分析中，最常用的可視化表示進(jìn)化關(guān)系的方法就是繪制系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)化樹(shù)（Phylogenetic trees）。系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)構(gòu)建有非加權(quán)分組平均法（Unweighted-pair-groop-method with arithmetic means，UPGMA）、鄰接法（Neighbor-joined，NJ）、最大簡(jiǎn)約法（Maximum parsimony，MP）和最大似然法（Maximum likelihood，ML）等多種方法[4]，由于鄰接法具有構(gòu)建的樹(shù)相對(duì)準(zhǔn)確、假設(shè)少且計(jì)算速度快的特點(diǎn)，因而是目前最常用的方法之一。但NJ法所分析序列的遺傳距離不能太大，適用于相似度較高、親緣關(guān)系較近的短序列[5]。

核基因組序列中的內(nèi)轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)（Internal transcribed spacer，ITS）主要編碼植物的核糖體RNA，屬于中度保守序列，因此可用于較低分類階元的系統(tǒng)發(fā)育研究[6-7]。本文以Ziziphus Mill.的部分ITS序列為對(duì)象，介紹了ClustalX2.1[8-9]、Boxshade、DNAman和MEGA6[10]等軟件在序列比對(duì)、著色美化、序列分析和植物系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)構(gòu)建中的應(yīng)用。

1 序列獲取

從NCBI網(wǎng)站（http：//www.ncbi.nlm.nih.gov/）下載Ziziphus Mill.的4條ITS核酸序列，以Fasta格式存儲(chǔ)于桌面文檔中，命名為four sequences.txt。

2 使用ClustalX進(jìn)行多序列比對(duì)

2.1 打開(kāi)ClustalX軟件

找開(kāi)ClustalX軟件（Version 2.1，2010年發(fā)布，http：//www.clustal.org/），在“Multiple alignment”模式下點(diǎn)擊“File”菜單→“Load sequece”，打開(kāi)存儲(chǔ)于桌面上的four sequences.txt文件（圖1）。

2.2 進(jìn)行序列比對(duì)

打開(kāi)“Alignment”菜單→“Do complete alignment”，系統(tǒng)提示“Do complete alignment”結(jié)果的輸出文件類型及保存位置（圖2）。其中，dnd格式為輸出向?qū)?shù)文件，可以用Treeview軟件打開(kāi)，aln為輸出比對(duì)文件格式，打開(kāi)后對(duì)序列進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整。

2.3 aln文件的著色美化

利用Boxshade在線工具（http：//www.ch.embnet.org/software/BOX_form.htmL）或Espript在線工具（http：//espript.ibcp.fr/ESPript/cgi-bin/ESPript.cgi）對(duì)aln文件進(jìn)行著色美化。將aln文件序列粘貼到Boxshade序列框中，點(diǎn)擊“Run boxshade”，結(jié)果以.ps格式存儲(chǔ)，用Ghostview和Ghostspript軟件打開(kāi)，如圖3所示。

3 DNAman多序列比對(duì)和序列一致性endprint

DNAman軟件除了可對(duì)序列進(jìn)行比對(duì)之外，還可進(jìn)行引物的設(shè)計(jì)、限制性內(nèi)切酶和質(zhì)粒圖譜的繪制，功能較為強(qiáng)大。雙擊DNAman圖標(biāo)，打開(kāi)“File”菜單→“Open”，選擇four sequences.aln文件，再打開(kāi)“Sequence”菜單→“Alignment”→“Multiple sequence alignment”，從顯示結(jié)果可看出，這4條ITS序列的序列一致性為90.10%（圖4），結(jié)果可以以Phylip、Clustal和GCG等多種格式輸出。

4 MEGA進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育分析

4.1 打開(kāi)分子進(jìn)化遺傳分析（Molecular evolution genetic analysis，MEGA）軟件

由于MEGA只能識(shí)別.meg文件格式，故需要對(duì).aln格式的文件進(jìn)行轉(zhuǎn)化。點(diǎn)擊“File”→“Convert file format to MEGA”，將.aln格式文件轉(zhuǎn)化為.meg格式，存儲(chǔ)于桌面上，命名為four sequences.meg。或進(jìn)行在線文件格式轉(zhuǎn)換（http：//sing.ei.uvigo.es/ALTER/）。

4.2 主窗口中打開(kāi)“Phylogeny”菜單

可以看到，MEGA提供了UPGMA法、NJ法、MP法和ML法等多種算法，如前所述，NJ法在處理相似度較高、親緣關(guān)系較近的序列時(shí)是最可靠的一種算法。選擇“Construct/Test neighbor-joined tree”，在彈出的對(duì)話框“Options summary”→“Test phylogeny”中，選擇“Bootstrap method”，重復(fù)次數(shù)為1000次，模式框中選擇Kimura-2-parameter model對(duì)進(jìn)化樹(shù)進(jìn)行評(píng)估（圖5），本次所構(gòu)建的系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)如圖6所示。

從構(gòu)建的NJ樹(shù)可知，基因登錄號(hào)為EU075099和EU07 5097的序列聚為一類，bootstrap支持率為97%，表明該進(jìn)化枝的可信度較高。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以Ziziphus Mill.的部分ITS序列為對(duì)象，介紹了ClustalX、Boxshade、DNAman和MEGA等軟件在序列比對(duì)、著色美化、序列分析和植物系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)的構(gòu)建中的應(yīng)用。在此需要特別指出，在基于序列構(gòu)建進(jìn)化樹(shù)的過(guò)程中，由于不同的算法，不同的重復(fù)次數(shù)，選用不同的模型所構(gòu)建的樹(shù)是不完全相同的[11]，因此，這種單純的依靠某段核酸序列建立的進(jìn)化樹(shù)只能提供物種進(jìn)化的部分信息，而不能完全代表該物種進(jìn)化的全過(guò)程。

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