Substitutionsmatrix

In der Bioinformatik gibt eine Substitutionsmatrix die Wahrscheinlichkeit an, mit der eine Sequenz nach einer gewissen Zeit sich in eine andere Sequenz umwandelt. Gewöhnlicherweise geht es bei den Sequenzen um Aminosäuren oder DNA. Die Ähnlichkeit einer Sequenz hängt von den Mutationsraten in der Matrix ab.

Formen der Substitutionsmatrix sind die BLOSUM (BLOcks SUbstitution)-Matrix oder die PAM (Percent accepted Mutations)-Matrix

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BLOSUM - Matrix

Diese Matrizen wurden von Henikoff und Henikoff 1992 berechnet. Es gibt verschiedene Matrizen, die sich nur in den folgenden Zahlen unterscheiden. Die am häufigsten verwendete BLOSUM Matrix ist BLOSUM62. Für eine BLOSUM62-Matrix werden 62% homologe identische Sequenzen verglichen. Aus diesem Vergleich geht eine Back-up-Tabelle hervor, die die Übergangswahrscheinlichkeit der Aminosäuren in andere Aminosäuren (zum Beispiel Alanin zu Tyrosin) dieser Sequenzen darstellt.

Diese Tabelle liegt der Bewertung aller BLOSUM62-Matrizen zugrunde und wird einmal erstellt. Sie muss vor dem Ausfüllen der eigentlichen BLOSUM-Matrix bekannt sein. In der BLOSUM-Matrix können verschiedene Proteine verglichen werden. Hierbei werden die Übergangswahrscheinlichkeiten der Back-up-Tabelle verwendet, um die Matrix zu füllen. Anhand des Score, den die Matrix ausgibt, kann die evolutionäre Entfernung der eingesetzten Sequenzen abgeschätzt werden.

PAM - Matrix

Die PAM-Matrix war eine der ersten Aminosäure-Substitutionsmatrizen. Sie wurde in den 70ern von Margaret Dayhoff entwickelt.

Die Matrix errechnet sich durch die Beobachtung des Unterschieds in nah verwandten Proteinen.

Die PAM1-Matrix gibt an, mit welcher Rate eine Substitution zu erwarten wäre, wenn sich 1% der Aminosäuren verändert hätte, entspricht also einer Ähnlichkeit von 99%. Die höchste Stufe ist PAM250, die einer Sequenzähnlichkeit von ca 20% entspricht, mit höheren Stufen arbeitet man in der Praxis nicht, da man bei einer Wahrscheinlichkeit von unter 20% nicht mehr von Ähnlichkeit sprechen kann.

Die Wahrscheinlichkeiten in einer PAM-Matrix sind der Übersicht halber mit 10000 multipliziert, d.h. in der PAM1 - Matrix unten ist die Wahrscheinlichkeit dafür, dass Glutaminsäure (E) durch Alanin (A) ersetzt wird, gleich 0,0017 oder 0,17%.

Nicht ganz korrekt, aber gut zu merken, ist PAM als Prozentzahl zugelassener Mutationen.

Beispiel einer PAM1 - Matrix

      A     R    N    D    C    Q    E    G    H    I    L    K    M    F    P    S    T    W    Y    V
A  9867     2    9   10    3    8   17   21    2    6    4    2    6    2   22   35   32    0    2   18
R     1  9913    1    0    1   10    0    0   10    3    1   19    4    1    4    6    1    8    0    1
N     4     1 9822   36    0    4    6    6   21    3    1   13    0    1    2   20    9    1    4    1
D     6     0   42 9859    0    6   53    6    4    1    0    3    0    0    1    5    3    0    0    1
C     1     1    0    0 9973    0    0    0    1    1    0    0    0    0    1    5    1    0    3    2
Q     3     9    4    5    0 9876   27    1   23    1    3    6    4    0    6    2    2    0    0    1
E    10     0    7   56    0   35 9865    4    2    3    1    4    1    0    3    4    2    0    1    2
G    21     1   12   11    1    3    7 9935    1    0    1    2    1    1    3   21    3    0    0    5
H     1     8   18    3    1   20    1    0 9912    0    1    1    0    2    3    1    1    1    4    1
I     2     2    3    1    2    1    2    0    0 9872    9    2   12    7    0    1    7    0    1   33
L     3     1    3    0    0    6    1    1    4   22 9947    2   45   13    3    1    3    4    2   15
K     2    37   25    6    0   12    7    2    2    4    1 9926   20    0    3    8   11    0    1    1
M     1     1    0    0    0    2    0    0    0    5    8    4 9874    1    0    1    2    0    0    4
F     1     1    1    0    0    0    0    1    2    8    6    0    4 9946    0    2    1    3   28    0
P    13     5    2    1    1    8    3    2    5    1    2    2    1    1 9926   12    4    0    0    2
S    28    11   34    7   11    4    6   16    2    2    1    7    4    3   17 9840   38    5    2    2
T    22     2   13    4    1    3    2    2    1   11    2    8    6    1    5   32 9871    0    2    9
W     0     2    0    0    0    0    0    0    0    0    0    0    0    1    0    1    0 9976    1    0
Y     1     0    3    0    3    0    1    0    4    1    1    0    0   21    0    1    1    2 9945    1
V    13     2    1    1    3    2    2    3    3   57   11    1   17    1    3    2   10    0    2 9901

horizontal: ursprüngliche Aminosäure
vertikal: mutierte Aminosäure

Beispiel einer PAM250 - Matrix

      A    R    N    D    C    Q    E    G    H    I    L    K    M    F    P    S    T    W    Y    V
A    13    6    9    9    5    8    9   12    6    8    6    7    7    4   11   11   11    2    4    9
R     3   17    4    3    2    5    3    2    6    3    2    9    4    1    4    4    3    7    2    2
N     4    4    6    7    2    5    6    4    6    3    2    5    3    2    4    5    4    2    3    3
D     5    4    8   11    1    7   10    5    6    3    2    5    3    1    4    5    5    1    2    3
C     2    1    1    1   52    1    1    2    2    2    1    1    1    1    2    3    2    1    4    2
Q     3    5    5    6    1   10    7    3    7    2    3    5    3    1    4    3    3    1    2    3
E     5    4    7   11    1    9   12    5    6    3    2    5    3    1    4    5    5    1    2    3
G    12    5   10   10    4    7    9   27    5    5    4    6    5    3    8   11    9    2    3    7
H     2    5    5    4    2    7    4    2   15    2    2    3    2    2    3    3    2    2    3    2
I     3    2    2    2    2    2    2    2    2   10    6    2    6    5    2    3    4    1    3    9
L     6    4    4    3    2    6    4    3    5   15   34    4   20   13    5    4    6    6    7   13
K     6   18   10    8    2   10    8    5    8    5    4   24    9    2    6    8    8    4    3    5
M     1    1    1    1    0    1    1    1    1    2    3    2    6    2    1    1    1    1    1    2
F     2    1    2    1    1    1    1    1    3    5    6    1    4   32    1    2    2    4   20    3
P     7    5    5    4    3    5    4    5    5    3    3    4    3    2   20    6    5    1    2    4
S     9    6    8    7    7    6    7    9    6    5    4    7    5    3    9   10    9    4    4    6
T     8    5    6    6    4    5    5    6    4    6    4    6    5    3    6    8   11    2    3    6
W     0    2    0    0    0    0    0    0    1    0    1    0    0    1    0    1    0   55    1    0
Y     1    1    2    1    3    1    1    1    3    2    2    1    2   15    1    2    2    3   31    2
V     7    4    4    4    4    4    4    4    5    4   15   10    4   10    5    5    5   72    4   17

horizontal: ursprüngliche Aminosäure
vertikal: mutierte Aminosäure