3I019 : Travaux Pratiques

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1 3I019 : Travaux Pratiques Alignement par paire Responsables. Hugues Richard (hugues.richard@upmc.fr) et Juliana Silva-Bernardes (juliana.silva_bernardes@upmc.fr). Enseignants TP. Yasaman Karami (yasamankarami@gmail.com) 1

2 Dot plot Dot plot est un outil graphique pour éétudier la similaritéé entre deux séquences. L'idée de base est simplement de prendre deux séquences (ou deux copies de la même séquence) en abscisse et en ordonnées d'une grille et da marquer d'un point toutes les positions identiques. Les régions similaires entre les deux séquences apparaissent alors visuellement comme des petites diagonales. 1) Ecrire une fonction dotplot(sequence1, sequence2) qui renvoie une matrice NxM (ou N est la taille de la sequence1 et M la taille de la sequence2). Chaque case de la matrix aura la valeur 0 ou 1 comme dans l exemple ci-dessous où la matrice est représentée par les cases grises: C C T G C C T G C ) Ecrire une fonction dotplotwindow(sequence1, sequence2, w), où w est la taille de la fenêtre à considérer, par exemple si w = 3 seulement les diagonales qu ont au moins 3 valeurs 1 seront montrés. C C T G C C T G C ) Nous allons utiliser le programme dotpath qui permet de dessiner un dotplot avec une taille de mot fixée ( pour comparer les gènes LacZ de Escherichia coli et Enterobacter cloacae. 2

3 Recouperez les séquences des gènes lacz au site - Escherichia coli Sélectionnez gene dans la boite de sélection ou c est écrit all databases, tapez lacz[all Fields] AND ("Escherichia coli"[organism]) dans le champ et cliquez dans le button search. Cliquez sur le gène de Escherichia coli str. K-12, puis plus en bas dans Go to nucleotide clique en FASTA. Sauvegardez le fichier en cliquant sur Send to, puis file, puis create File. - Enterobacter cloacae Sélectionnez gene dans la boite de selection ou c est écrit all databases, tapez lacz[all Fields] AND (" Enterobacter cloacae"[organism]) dans le champ et cliquez dans le button search. Cliquez sur le gène de Enterobacter cloacae subsp. cloacae ATCC 13047, puis plus en bas dans Go to nucleotide cliquez en FASTA. Sauvegardez le fichier en cliquant sur Send to, puis file, puis create File. -Dotplot Allez au site pour faire le upload de deux fichiers téléchargés avant. D abord le fichier de Escherichia coli et puis Enterobacter cloacae. Dans Display the overlapping matches? sélectionnez yes. Dans le champ X axis title tapez Escherichia coli et dans Y axis title tapez Enterobacter cloacae, cliquez en Run dotpath. Qu observez vous? Changez la taille de la fenêtre (Champ Word size), essayer 8, 10 et 20. Qu observez vous? 4) Comparez les gènes et EST (region codant) rhodopsin de Xenopus laevis. Xenopus Laevis est une grenouille originaire de l'afrique du Sud où elle vive dans les étangs, mares et cours d eau. Rhodopsin est un gène lié à la perception visuelle du animal. -Recouperez le gene Rhodopsin Xenopus laevis au site Sélectionnez gene dans la boite de sélection ou c est écrit all databases, tapez Rhodopsin[All Fields] AND "Xenopus laevis [Organism], cliquez sur le gene rho.l ID: , puis plus en bas dans Go to nucleotide cliquez en FASTA et sauvegardez le fichier. -Recouperez le EST ou RNAm de Rhodopsin Xenopus laevis au site de NCBI Sélectionnez Nucleotides dans la boite de sélection ou c est écrit all databases, tapez Rhodopsin[All Fields] AND cds[all Fields] AND "Xenopus laevis [Organism], choissisez le Accession: L , cliquez en FASTA et sauvegardez le fichier. -Dotplot Allez au site pour faire le upload de deux fichiers téléchargés avant et générer le dotplot de ces séquences. Que constatez-vous? En fait la première séquence correspond à celle du gène de la rhodopsine chez Xenopus laevis et la seconde à celle de son ARNm. Combien le gène compte-t-il d'exons? 3

4 Alignement par paires 5) Faire à la main l alignement de deux séquences S1=ACTGT et S2=TCQGT, en utilisant le système de score match=1, mismatch= 0 et gap= -1, pour bien comprendre l algorithme de Needleman & Wunsch. 6) Ecrivez la fonction score(r1, r2, gap, match, mismatch) qui comparer les residues r1 et r2 et renvoie le cout de match, si r1=r2, le cout de mismatch si r1!=r2 et le cout d un gap si r1= - ou r2= - 7) Pour implémenter l algorithme de Needleman & Wunsch nous allons utiliser une matrice NxM (N est la taille de la sequence1 et M la taille de la sequence2). Chaque cellule de la matrice sera une tuple de deux valeur (s,p), où s est le score et p est une de 3 possible lettre : d, si on vient de la diagonale, g si on vient de la gauche, h si on vient du haut. Ecrivez la fonction initmatrice(n, M, gap) qui renvoie une matrice de taille NxM avec la première ligne et première colonne initialisé. Par exemple, si le cout de gap est - 2, N=5 et M= 4 la fonction doit retourner : 0,d -2,g -4,g -6,g -8,g -10,g -2,h -4,h -6,h -8,h 8) Ecrivez une fonction pour trouver l alignement optimal global de deux sequences. Cette fonction prendra en argument les deux séquences, un cout de gap, un cout match et mismatch. Elle retournera un tuple (score, chemin). Le chemin est une suite de lettres décrivant le parcours effectue dans la matrice pour arriver a la case présente. Comme il y a 3 directions possibles, il y a 3 lettres possibles : d, si on vient de la diagonale, g si on vient de la gauche, h si on vient du haut. Ce chemin nous servira ensuite à écrire l alignement des deux séquences et on peut l'afficher a l'aide de la fonction afficheralign (voir question 10). Vous devez initialiser la matrice à l aide de la fonction initmatrice(n, M, gap) et remplir chaque case en utilisant l' algorithme NWS, utiliser la fonction score(r1, r2, gap, match, mismatch) pour obtenir le score de chaque paire de résidus. Pour comprendre l algorithme à implémenter, il vous est fortement conseille de remplir vous même une matrice d alignement avec un petit exemple et d en déduire l alignement optimal (question 1). 9) Lorsque la matrice d alignement a été calculée, il faut alors trouver le meilleur chemin en parcourant la matrice a reculons en partant du coin inférieur droit. Ecrivez la fonc- 4

5 tion backtack(matrice) qui parcours la matrice et renvoie le meilleur «chemin», avec les 3 lettre possibles (d, g, h). 10) Ecrivez la fonction afficheralign(sequence1, sequence2, chemin) pour affcher l alignement de deux séquences en représentant les gaps par des tirets comme dans l exemple LAFLA-MEE ---LALM-E Cette fonction va prendre en argument le chemin et les 2 séquences, le chemin est décrit par les lettre d, g et h. Par exemple, sequence1=laflalmee,sequence2=lame, et chemin=hhhddgdhd,pour la première séquence, on affiche un gap ( - ) si l on trouve un g dans le chemin, sinon, on affiche résidu (nucléotide ou acide amine). Pour la deuxième séquence on affiche un gap ( - ) si l on trouve un h dans le chemin, sinon, on affiche le résidu. 11) Ecrivez une fonction pour trouver l alignement local (l algorithme de Smith & Waterman) de deux séquences. Réutiliser les fonctions que vous avez déjà développé. Rappelle dans l alignement local la matrice est initialiser à zéro et nous cherchons la case avec la valeur plus grand pour faire le backtrack. 12) Toutes les substituions d un acide amine par un autre n ont pas le même effet sur la protéine. Certaines substitutions sont donc plus favorables que d autres. De plus, tous les acides amines ne sont pas aussi fréquents dans les protéines. C est pour prendre en compte ces facteurs qu ont été construites des matrices de substitution. La matrice de substitution BLOSUM62 est téléchargeable a l adresse : Ecrire une fonction permettant de lire cette matrice et la stockant dans un dictionnaire dont les clés sont des tuples représentant les paires d acides amines. Ecrire une nouvelle version de la fonction score(r1, r2, gap, match, mismatch, matsub = {}) prenant aussi en argument une matrice de substitution matsub et prenant en compte ces valeurs dans le calcul de la matrice d alignement. 13) Comparez les séquences : >WP_ transposase [Enterobacter cloacae] MASVSISCPSCSATDGVVRNGKSTVGHQRYLCSHCRKTWQLQFTYTASQPG THQKIIDMAMNGVGCRATARIMGVGLNTILRHLKNSGRSR >OCC transposase [Shigella sonnei] MAVSISCPSATDGVVRNGKSTAGHQRYLCSRKTWQLQFTYTASQPGTHQKDMA MNGVGCRPAPIMGVGLNTLLLNNQGSR En utilisant les algorithmes : - Needleman & Wunsch, système de score match=1, mismatch= 0 et gap= -1 - Needleman & Wunsch, système de score match=2, mismatch= -1 et gap= -2 - Smith & Waterman, système de score match=1, mismatch= 0 et gap= -1 - Smith & Waterman, système de score match=2, mismatch= -1 et gap= -2 - Needleman & Wunsch, système de score matrices de substitution BLOSUM62 5

6 - Smith & Waterman, système de score matrices de substitution BLOSUM62 Que remarquez vous? 6

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