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局所ゲノム再配置解析

IMC O07 A LGRM アルゴリズムとデータ構造

アルゴリズムとデータ構造

アルゴリズム

  • LGRMには、2つの近縁のゲノム配列を使用します。
  • 一方を基準ゲノム配列と呼び、もう一方を比較対照ゲノム配列と呼びます。
  • おおまかには、基準ゲノムに対して比較対象ゲノムを核酸配列の相同性によりマッピングを実行し、基準ゲノム上にその結果を貼り付け、それをLGRレーンとして表示します。
  • 解析の流れは以下の通りです。
    1. 2つのゲノム間のDotPlot解析を行い、主たる相同パスを決定します。
    2. 基準ゲノムに対して、比較対照ゲノムをクエリーとする相同性検索を行います。
      • この相同性検索には、NCBI BlastNを使用しています。
    3. 相同性検索から得られた相同パス上のセグメントとのペアワイズアラインメントを実行します。
    4. セグメント別に基準ゲノム塩基に対する比較対照ゲノム塩基配列の挿入および欠失の部位を記録します。
    5. それぞれのセグメントを基準ゲノム配列上の特殊なFeature Key (lgrm_segment)として登録します。
    6. 比較対照ゲノムの各セグメント領域上にある各Featureは、基準ゲノム上のLGRM Featureとして登録します。
      • 保存されたLGRM配列ファイル(GenBankフォーマット)の再読み込み
    7. Feature Layout StyleにLGRMの指定があるか否かを判定する。
    8. LGRM指定がある場合は、配列レーンをLGRM形式で表示し、lgrm_segment上の配列を比較参照塩基レーンに表示する。
    9. LGR Mapレーンがある場合には、lgrm FeatureをLGR Mapレーン上に表示する。

データ保持方法

  • LGRMの解析結果は、すべて基準ゲノム上のFeature部に記録されます。
  • 比較対照ゲノム上の基準ゲノムに相同な領域はそれぞれlgrm_segmentという特殊なFeature Keyに属するフィーチャーとして記録されます。
  • 比較対照ゲノム上に存在し、基準ゲノムに相同な塩基配列領域上にある各フィーチャーは基準ゲノム上のフィーチャーとして記録されます。これら比較対照ゲノムに属するフィーチャーには、/lgrm_orderという特殊Qualifierが付加されます。

IMC O07 局所ゲノム再配置マップの描画

局所ゲノム再配置マップとは?

局所ゲノム再配置マップ(Local Genome Rearrangement Map)は、2つの近縁種を比較する機能の1つです。2つゲノムの間の最大相同性パスに沿った相同性領域の比較を塩基配列やアミノ酸配列レベルでかつそれらゲノム上にある注釈を表示します。
IMC_5.0.9_BZ02_004.JPG

ローカルゲノムリアレンジメントマップの描画例

  • 図A:2つの近縁種ゲノムのゲノム全体マップ(Buchnera2種)
    • 中央の配列レーンから遠いフィーチャーレーンが参照ゲノムです。
    • 中央の配列レーンに近いフィーチャーレーンが比較対象のゲノムです。
    • IMC_5.0.6_BX15017.JPG
  • 図B:2つの近縁種ゲノムの部分拡大マップ(Buchnera2種)
    • 中央の配列レーンから遠いフィーチャーレーンが参照ゲノムです。
    • 中央の配列レーンに近いフィーチャーレーンが比較対象のゲノムです。
    • IMC_5.0.6_BX15018.JPG

機能と特徴

基準となるゲノム上に、異なる近縁種ゲノムとの相同領域を検出し、塩基配列およびそれぞれのゲノムのフィーチャーをアラインメントした局所的ゲノム再配置マップを描画します。この機能を、ローカルゲノムリアレンジメントマップと名付けています。
2種の近縁種間の全体にわたり、かつ局所的なゲノムリアレンジメントマップを作成・描画します。
基準ゲノムに対して、比較対象としての近縁種のゲノム全域を写像します。
2種のゲノム間のゲノム全域にわたり、塩基配列レベルでの相同領域を表示します。
コーディング領域においては、対応するアミノ酸残基をアラインメント表示します。
アミノ酸残基の不一致個所をリスト表示し、そのリストの各不一致個所をクリックすることにより、対応する位置にマップを移動できます。
  • 不一致部位と残基のリストをCSVファイル出力可能です。
  • リストは再ロード時に、再現表示されます。

相同領域においては双方のゲノムのフィーチャーとその位置をアラインメント表示します。

  • 基準ゲノムとの相同性がない領域については、比較対象ゲノムのフィーチャーは表示されません。
    • これは、LGRMが基準ゲノムに対して比較対象ゲノムを写像するという原理から、写像されない領域すなわち、比較対象ゲノムから欠失した領域として判断されます。
解析結果は基準ゲノムのGenBank形式ファイルとして保存および再参照可能です
LGRM表示設定をレイアウトスタイル(LGRMレーン)として登録可能です。
  • LGR Mapレーンはメインフィーチャーマップの任意に位置に配置設定できます。

塩基配列とアミノ酸配列の比較表示をカスタマイズできます

  • LGRMでは通常の配列レーンをLGRM用に読み替えて使用されます。
  • IMC_5.0.6_BX15036.JPG
  • アミノ酸表示用Forward Strand第1フレーム|
    • 比較対象ゲノムのアミノ酸残基表示領域。一致塩基を非表示に設定可能です。また、一致塩基を指定した文字・記号、指定したカラーで表示するように切り替えることができます。
  • アミノ酸表示用Forward Strand第2フレーム|
    • アミノ酸一致・不一致文字表示領域。一致した場合および不一致の場合に表示する文字・記号およびその表示色を設定できます。
  • :アミノ酸表示用Forward Strand第3フレーム|比較対象ゲノムのアミノ酸残基表示領域
  • :スペース|基準ゲノムの塩基表示領域(一致時の非表示選択可能)
  • :Forward Strand塩基|基準ゲノムのForward Strand塩基表示領域
  • :中央線|
  • :Reverse Strand塩基|基準ゲノムのForward Strand塩基表示領域
  • :スペース|比較対象ゲノムの塩基表示領域(一致時の非表示選択可能)
  • :アミノ酸表示用Reverse Strand第1フレーム|基準ゲノムのアミノ酸残基表示領域
  • :アミノ酸表示用Reverse Strand第2フレーム|アミノ酸一致・不一致文字表示領域。一致した場合および不一致の場合に表示する文字・記号およびその表示色を設定できます。
  • :アミノ酸表示用Reverse Strand第3フレーム|比較対象ゲノムのアミノ酸残基表示領域。一致塩基を非表示に設定可能です。また、一致塩基を指定した文字・記号、指定したカラーで表示するように切り替えることができます。

Feature Mapとして印刷およぶ画像ファイル出力が可能です
配列レーン部分をファイル出力可能です

制限事項

この機能はIMC Genomics/Array Editionに実装されています。
  • 塩基配列の比較となるため、この解析は近縁でないゲノム間の解析ではほとんどアラインメントされない場合があります。

 

Tips

  • マップは、基準ゲノム上に、対応する近縁種参照ゲノムの相同領域をアラインメントしたものとなります。
  • LGRM解析される基準ゲノムファイル上には、比較対照ゲノム情報が書き込まれます。あらかじめ、別名で複製したファイルを基準ゲノムとして使用することが推奨されます。

バグ情報

未修正のバグ

  • IMC Ver. 5.2.4リリース時点現在、バグは報告されていません。

修正済のバグ

  • DotPlot単独の解析結果と一致しない問題は修正されました。
  • IMC Version 4.3.11で、アミノ酸表示にずれが生じる不具合が報告されました。

最新追加・変更機能

IMC Ver. 5.0.8 (2011/11/4)における改良

  1. LGRMマップの印刷が可能となりました。
  2. LGRMの塩基配列、アミノ酸配列レーンのカラー表示オプションが変更されました。
  3. LGRMの配列レーンを範囲指定でファイル保存できるようになりました。

IMC Ver. 5.0.6 (2011/10/14)における改良

  1. DotPlotの結果との不一致の問題が解決されました。
  2. LGRMのミスマッチ塩基のリストが表示され、かつそのゲノム位置へのジャンプ機能が付加されました。
  3. LGRMでスライディングバーが止まる場合がある不具合が修正されました。

IMC Ver. 7.12 リリース

  1. Bug #2188: N,1をまたぐフィーチャーの位置情報表示の際、Nより大きい値が表示されるバグが解決されました。
  2. Bug #2189: 指定範囲の右クリックで表示されるメニューが異なる場合がある問題が解決されました。
  3. Spec #2187: 指定範囲を増幅する最適プライマーをすでに登録されたプライマー中から検索する機能が追加されました。
  4. Spec #2190: CDSを特定の制限酵素で切断されないように配列置換する機能が追加されました。
    • 置換するコドンは指定されたコドン頻度表に基づき、使用頻度の高いものを選択する。
    • 置換されたコドンはQualifier /modified_base=に保存する。
  5. Spec #2186: LGRMにて、Multiple CSVファイル出力を自動的に保存するように変更されました。
    • 従来は、解析の最後にダイアログが表示され、保存するかどうかを尋ねられました。
    • 今回修正後は、実行前に保存するかどうかを尋ね、実行時にはその指定に基づき自動的に保存を行い、終了するように変更されました。

IMC Ver. 7.11 リリース

  1. Bug #2178: カレント配列指定を解除しても、LGR Mapのミスマッチリストが開いたままになるバグが修正されました。
  2. Bug #2180: 同一階層に類似したディレクトリ名を作成すると配列のコピーやカレントフォルダーの移動ができないバグが修正されました。
    • 例えばc:\seqをルートディレクトリしてその下にE.coliとE.coli.O157というディレクトリを作るとE.coliからE.coli.O157にドラッグ&ドロップで配列をコピーできない。
    • またE.coliをカレントディレクトリとした後にE.coli.O157をカレントディレクトリにできない。
  3. Spec #2174: LGRMのMultiple CSVファイル出力でMainの基準ゲノムとの一致塩基を表示する機能が追加されました。

IMC Ver. 7.09 リリース

  1. LGRM実行時にエラーとなるバグが修正されました。
    • (N,1)の位置にCDSが存在する場合にエラーとなっていました。
  2. Main Current FolderからReference Current Folderへのコピー時に、すでに同一の配列が存在する場合のメッセージが変更されました。

IMC Ver. 7.08 リリース

  1. LGRMの連続実行と実行結果の結合ができるようになりました。
  2. LGRMのアミノ酸配列表示がずれるバグが修正されました。

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