BLAST-Algorithmus

BLAST (Abk. für engl. Basic Local Alignment Search Tool) ist der Überbegriff für eine Sammlung der weltweit am meisten genutzten Programme zur Analyse biologischer Sequenzdaten. BLAST wird dazu verwendet, experimentell ermittelte DNA- oder Protein-Sequenzen mit bereits in einer Datenbank vorhandenen Sequenzen zu vergleichen. Als Ergebnis liefert das Programm eine Reihe lokaler Alignments, d.h. Gegenüberstellungen von Stücken der gesuchten Sequenz mit ähnlichen Stücken aus der Datenbank. Darüber hinaus gibt BLAST an, wie signifikant die gefundenen Treffer sind. Die Suche in der Datenbank erfolgt entweder über ein Webschnittstelle oder mit Hilfe von verschiedenen Stand-Alone-Programmen, die lokal installiert werden können.

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Funktionsweise

Die Idee des Algorithmus basiert auf der Wahrscheinlichkeit, dass Alignments mit vielen Treffern kurze Stücke von großer Identität besitzen. Diese Teilstücke werden dann während der Suche nach besseren und längeren Alignments weiter vergrößert.

Indem diese Segmente kurz gehalten werden, ist es möglich, die Abfragesequenz vor einer Suche zu bearbeiten und eine Tabelle aller möglichen Teilstücke mit ihrem Ursprung in der Originalsequenz vorzuhalten.

Dabei stellt der Algorithmus eine Liste aller benachbarten Worte fester Länge auf, die einen Treffer auf der Abfragesequenz mit einem höheren Scoring als ein zu wählender Parameter erzeugen würden. Anschließend wird die Zieldatenbank nach Worten in dieser Liste abgefragt und die gefundenen Treffer erweitert, um mögliche maximale zusammenhängende Treffer in beiden Richtungen zu finden.

Die Hauptanwendung von BLAST ist die Suche nach paralogen und orthologen Genen und Proteinen innerhalb eines oder mehrerer Organismen.

siehe auch Hauptartikel Sequenzalignment

Methoden (Auswahl)


Methode	Beschreibung
blastp	Vergleicht eine Aminosäuresequenz gegen eine Proteinsequenzdatenbank
PSI-BLAST	Position-Specific Iterative BLAST: Benutzt man, um entfernte Verwandte eines Proteins zu bestimmen. Zuerst wird eine Liste aller sehr ähnlichen Proteine erstellt. Über diesen Proteinen wird ein Profil erstellt, eine Art gemittelte Sequenz. Daraufhin sendet man mit diesem Profil erneut eine Suchanfrage an die Proteindatenbank und erhält eine größere Gruppe ähnlicher Sequenzen. Mit dieser Gruppe kann man wieder ein neues Profil erstellen und den Prozess beliebig oft wiederholen. Dadurch, dass verwandte Proteine in die Suche miteinbezogen werden, ist PSI-BLAST viel empfindlicher bei der Ermittlung weit entfernter Verwandtschaften als das gewöhnliche Protein-Protein BLAST.
blastn	Vergleicht eine Nukleotidsequenz gegen eine Nukleotidsequenzdatenbank
blastx	Vergleicht eine Nukleotidsequenz (in allen Leserastern translatiert) gegen eine Proteindatenbank Man kann diese Möglichkeit nutzen, um eine mögliche Translation einer unbekannten Nukleotidsequenz zu finden.
tblastn	Vergleicht eine Proteinsequenz gegen eine Nukleotiddatenbank (dynamisch in allen Leserastern translatiert)
tblastx	Vergleicht die six-frame-Translation einer Nukleotidsequenz gegen die six-frame-Translationen einer Nukleotidsequenzdatenbank. tblastx kann nicht mit der Nukleotiddatenbank auf der BLAST Webseite verwendet werden, da sie technisch sehr aufwändig ist!
megablast	megablast wird empfohlen zur Suche von identischen Sequenzen zu einer eigenen Sequenz. megablast wurde speziell erstellt, um besonders lange Sequenzen mit vorhandenen Gegenstücken aus der Datenbank abzugleichen. discontigous megablast wird empfohlen zur Suche nach Übereinstimmungen zwischen Sequenzen, die verteilt vorliegen, z.B. von verschiedenen Organismen stammen, und eine niedrige Übereinstimmungsrate haben.
cdart	cdart sucht Sequenzen mit einer möglichst identischen Anordnung von Proteindomänen unter Zuhilfenahme der CDD (=conserved domain)-Datenbank (Import von Übereinstimmungen aus SMART und Pfam) und vergleicht sie mit dem gesuchten Protein und dessen Domänen.

Suchergebnisse

Die Homologie der bearbeiteten Suchsequenz wird Anhand von Score und E-Wert definiert.

Der Score ist eine quantitative Bewertung der Ähnlichkeit der Suchsequenz mit einer bekannten Sequenz (je höher, desto höher ist auch die Identität der Sequenzen).

Der E-Wert gibt an, mit welcher Wahrscheinlichkeit man Ergebnisse mit gleichem Score in einer Datenbank, in welcher sich zufällig generierte Sequenzen befinden, erzielen könnte (je kleiner, desto besser).

Die Abkürzungen vor und innerhalb der Suchergebnisse bedeuten (Auswahl):

 GenBank                           gi|gi-number|gb|accession|locus
 EMBL Data Library                 gi|gi-number|emb|accession|locus
 DDBJ, DNA Database of Japan       gi|gi-number|dbj|accession|locus
 NCBI Reference Sequence           gi|gi-number|ref|accession|locus
 SWISS-PROT                        gi|gi-number|sp|accession|name
 General database identifier       gnl|database|identifier
 Local Sequence identifier         lcl|identifier

Anm: Die gi-Nummer ist eine Abfolge von Ziffern, die einen Datenbankeintrag des NCBI markiert.

Literatur

Korf, I., Yandell, M., Bedell, J. BLAST. O'Reilly, Sebastopol, CA, 2003, ISBN 0-596-00299-8
McGinnis S., & Madden T.L., (2004) BLAST: at the core of a powerful and diverse set of sequence analysis tools. Nucleic Acids Res. 32:W20-W25, [1]
Altschul, Gish, Miller, et.al.(1990) Basic local alignment search tool. Journal of Molecular Biology 215. p. 403-410. PMID 2231712, DOI 10.1006/jmbi.1990.9999
Altschul, S.F., Madden, T.L., Schaffer, A.A., Zhang, J., Zhang, Z., Miller, W. & Lipman, D.J. (1997) Gapped BLAST and PSI-BLAST: a new generation of protein database search programs. Nucleic Acids Res. 25:3389-3402. Medline
Geer, L.Y., Domrachev, M., Lipman, D.J. & Bryant, S.H. (2002) CDART: Protein Homology by Domain Architecture Genome Res. 2002 12: 1619-1623. PMID 12368255

Sansom, C. (2000): Database searching with DNA and protein sequences: an introduction. In: Brief Bioinform. Bd. 1, S. 22-32. PMID: 11466971 PDF

Siehe auch

Kategorie: Bioinformatik

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