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一种新的迭代渐进多序列比对算法_图文

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种新 的迭代渐进 多序 列比对算法 
张 敏 ‘ 方伟武  张俊华  迟 忠先  ?  
( 大连 理 工 大 学 计 算 机 系 , 连 l6 2 ) 大 10 4  ( 中国科 学 院数 学与 系统科 学研 究 院应 用数 学研 究所, 北京 10 8 ) 00 0 

( 大连 大学信息工程 学院, 大连 l6 2 ) 16 2 
E- i: h n mi d t iac m  ma l z a g n u@sn .o
_

摘  要  该 文提 出一种 新 的迭代 渐进 多序 列 比对算 法 IMS P A。该 算 法先 用渐 进 方法进 行 多序 列 比对 ,然后 通 过 迭代 策 

略, 利用上 一轮 多序 列 比对结 果修 正指导 树 , 生新一 轮 比对 。 产 重复 这一过 程 , 直到 指导 树 不再发 生变化 或满足 事 先设 定  
的迭代 次数 为止 。 以比对 数据 库 B l A E 中多蛋 白质 家族 1d Ai S B iv为例 , IMS 算法 和 Cu t W 算 法进 行 的 比较 研 究  对 P A ls l a 表 明 , 算法 能更有 效地 比对 分歧较 大的序列 , 该 并改进 其 系统发 育树 。  
关 键词  多序 列 比对  渐进 比对 算 法 迭代 策略 

文章编 号 10 — 3 1 (0 5 0 — 0 2 0   文献 标识 码 A 0 2 83 -20 )2 07- 3   中图分 类号 T 3 1   P0 . 6

A  w  t r tv l   o r si e M u tp e S q e c   in e t Al o ih   Ne Ie a i ey Pr g e sv   li l  e u n e Al m n   g rt m g
Zh n   .‘ F n   ewu Z a g J n u   Ch  h n xa ‘ agMm ’ a gW i   h n n h a   iZ o g in 

( prme to  o ue , l n U ies y o  eh oo y D l n   0 4   De at n  fC mp trDai   nv ri   fT c n lg , ai  l 6 2 ) a t a 1
(nt ue o  pid Mah mais A a e y o  te t s a d S se S in e  Is tt  fAp l   te t , c d m   fMah mai   n   ytm  ce c , i e c c

C iee A ay y o  cecsB in  o 0 O) hn s  cd m  fS ine . e ig l0 8   j (colo nomain E gneig Dai   nvri , ai  16 2 ) Sho  fIfr t   n ier , l n U i s yD l n 16 2  o n a e t a
Ab ta t I h s p p r a n w i r t ey po rs ie mut l  e u n e ain n  g rt m  P A  s d v lp dT e a- sr c : n ti  a e ,  e   t ai l  rge sv   lp e sq e c   l me ta o i e v i g l h I MS i  e eo e .h     l g rtm  s a itgain o  rge sv   i me ta p a h a d i r t e srtg .is y,t rd c s n li me tb   r- oi h i    ne r t   fp r sie a g o o ln n  p r c   n   t ai   t e yF rt i o u e a  a g o e v a l  p n n  y p o 

ges e ai m n. e , e g ie t e i aj s d b  s g te rsl o h atmut l  i m n. x,  e   ut  rsi   g e t n t   ud  r   s dut   y ui  h  eut fte ls v ln h T h e   e n     lpe a g e t ta n w m l- i ln Ne i
pe e e c   i me t i  rd c d y sn  te n w  ud   reThs rc s  b v  i  p ae   ni he ud   re i  l sq n e a g u l n n  s p o u e  b  u ig h   e g ie te . i  p o e s a o e s re td u t t  g ie te   s e l h  s me wih t  l   n   r s me i aie n mb r i  uf e .e t te a   t  e a to e o   o  trtv   u e  s f lldT s es l s o   h t P A lg rtm i h s e i  r ut h ws ta I MS  a oi   h s  mo   c u a  e r a c r- c   a   u tl  n d sa c   e u n e .   d io t e p yo e ei r e c n e i r v d  y tn ClsaW i  it e s q e c sI a dt n,   h lg n t te   a  b   mpo e . h n n i h c K e wo d : mut l  e e c   i me tp g esv   i me tag rtm ,trt e sr tg   y rs l pe s q n e a g i u l n n , r r sie a g o ln n  o h i ai   tae l i e v y

l 引言   
比较 多个 生物 序 列相 似性 的多 序 列 比对 ( ut l  i - m lpe a g   i ln

序列个 数不 敏感等 特性 , 不能 保证获 得优 化 的 比对结 果 。 但   该 文提 出 了一 种新 的基 于迭代 渐进 多序 列 比对 算法 IM. P  
S I rt ey Porsie Mut l Sq e c  l me t。通 过  A(t ai l  rges   lpe e u n e A i e v v i   n g n)

me t是 生 物信 息 学 的一 个 基本 方法 , 进 行 系统 发 育 分 析 的  n) 是 重要前 提 。 通过 多序 列 比对 , 以提供 蛋 白质 家族 的保 守 区域 , 可  
预测 蛋 白质 的二 级结 构等 。  

对 B l A E中蛋 白质家 族序 列 1 y的测试 , Ai S B i d 验证 了该 算法 的  有效性 以及 改进 系统 发育树 的特性 。  

N elm & Wu shl 出的 两 序 列 动态 规 划 比对 算法  ede a n nc t 1 提 为多 序列 比对 提 供 了坚 实的理 论基 础 。Mua  ̄ 该算 法 推广  rt 1 a将 到三 序列 比对 , 但是 作 为 n维 动态 规划 ( 即将 动态 规划 算 法推 
广 到 n序列 ) 比对算 法 , 其时 间 复杂 度 和空 间 复 杂度 分 别 为 D   (   ) O(   ( 和 L )三是 序列 的 长 度 , n是 序 列 的个 数 ) 这 是 一 个  , N P问题 。为 此研 究人 员提 出了一 系列启 发式 算法 。如 : 过对  通

2 IMS   P A算 法 
渐 进 比对算法 是基 于要 比对 的多条 序列 是 同源 的 ( 即进 化  相关 的 ) 这一前 提假设 。 由于 序列之 间进 化距 离越 近 , 序列 就越 

相似 。而序 列越 相似 , 们 的比对结 果就 越可靠 。因此 , 以根  它 可 据序 列间 的进化 关 系构建 一棵 指导树 ( 系统发 育树 )通 过 指导  , 树 的分 枝顺 序 , 比对关 系 最近 的两 条 序列 , 先 然后 逐 渐 添加 关  系较远 的序 列 , 直到所 有 序列 都加入 为止 。 渐进 比对过 程 中 , 在  
每次 只有两 条序列 进 行 比对 , 比对过 的若 干序 列被 视 为一 条序  列, 并与随后添加 的序列进行 比对 。序 列内部插入 的空位保持不  变, 即遵 守 “ 旦空 位 , 一 永远 空 位 (ne a gp, w y    a )1 o c    a a a sa gp 1   l 7 ” 的基 本原则 。渐 进 比对算法 的主 要优 点是 : 简单 , 快速 。但 是 由  

计算边 界条 件做 某种 限制 , 两序 列动 态规划 比对算 法扩 展 为  将
多序 列动 态规 划 比对 的 MS t A  1 方法 只能处 理数 量较 少且 长  。该 度较 短的序 列 。渐进 比对 ( rges eai met算法 是最 常用  p rsi   l o v n g n) 的启发 式算 法  其 中 Cutl 4 应用最 广 的一 个实现 。 一, ls Wt a j 是 这类 

算法 的 缺点 是 比对 前 期 产生 的错 误 比对 无法 在 比对 后 期 进行 
修正 。迭代 比对(trt eai m n) i ai   g e t算法 是基 于迭 代策 略逐 步  e v ln 改进 多 序列 比对 的启 发式 算法 [ 具 有较 好 的鲁 棒性 和对 比对  6 1 ,
基金项 目: 国家 自然科学 基 金资助 项 目( 编号 :0 0 0 3  9 13 3 )

作者 简介 : 张敏 (96 )女 , 16 一 , 副教授 , 博士 生 。研究方 向 : 生物信 息学 , 数据挖 掘等 。  

7   2 o . 计 算机 工程 与应用  2 05 2

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图 l I MS   P A的 比对 结果 

注 : 个 比对属 于 B I A E中的第 三类 。下划 线标 明的 残基是 B l A E中标 注的 核心块 。 这 Ai S B Ai S B  

于 比对策 略 的贪婪性 , 得 这个算 法贪 婪地 沿指 导树将 序 列添  使 加在 一起 , 不能 保证得 到 一个全 局优 化 的 比对 结果 。该 文提  并 出 的算 法 I MS 在渐 进 比对 的基础上 , P A, 采用 迭代 策略 , 过不  通
断修 正指 导树 , 而提 高 比对的 准确性 。 进  

my p ma z my 3 maz g  aah、 b -1ru、 b 一 hp   b   ie、 b ie、l rt my 3Joc my 2 p y a; l
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Fmi a l y2:1 sA 、 d sr u 、 b s p 、 h t h1 t p h1 t u h1 t c h1 m yt   r i a、 l g t r、
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lo 、 a y ARGR S RC G 2 3 3 AHRC BACS ARGR B T L、 3 7 71 、   U、 ACS   T
_ _

I MS P A算 法具 体如 下 : 1 对 所有 序列分 别进 行两 两 比对 , ()  
根据 两个序 列 比对计 算它 们之 间 的距 离 。 由此生 成一 个 n n的  X 距离 矩 阵 ( n是要 比对 的序列 个数 ) ( ) 用这 个 距离 矩 阵及  。 2利

ARGR
_

S R N、 G . C U;a l4 l g 耵 R H I   T P AR R MY T F mi :j A、 y h . AE N、

G 3 8 7 ;a l l 3 与 Cu t W 比对 结果进 行 的 比较 分  3 2 5 2 F mi 5:t C。 y c ls l a

析 表 明 : MS 能 正 确 比 对 所 有 保 守 模 体 中 的 1 I A P 5个 ; 而 
Cu t W 能正 确 比对 8个 。比对准 确率 的提高 也可 以通 过 比较  ls l a

ni br o i  ̄ e ho- i n J 方 法 , 建指 导 树 ( g j n g 建树 构 系统 发育 树 ) 3 依  。( ) 据指 导 树逐 步进 行 比对 :① 由距 离最 近 的序 列 对开 始 进行 比  

两个 程序 的 比对结 果 在 保守 模 体的 每一 列上 与 参考 比对 相 应  列 的残 基对 相 同 的百 分 比 S S度 量 ( u o- a s S oe 来证  P S m- fP i   cr ) r

对; ②按指导树的顺序, 由近至远逐步添加 , 直到所有序列全部 
加入 为止 ; 在 每 一 次 比对 中 , 是利 用 两序 列 动态 规 划 比对  ⑧ 都
算 法 对两 个 序列 , 是两 个 现存 比对 , 是一 个 序列 与一 个 现  或 或 存 比对 进行 比对 ;4 ( )这 个 已获得 的多序 列 比对用 于下 一轮 迭  代过程 。利用 蕴涵 在多 序列 比对 中 的两序列 比对 , 构建 一个 新 
的距离 矩阵 ;5 返 回步骤 ( ) 这个 过程重 复进 行 , 到距离 矩  () 2。 直

实 。 其 中 ,ls l 的 S S为 4 - , 而 IM A 的 S S为 CutW a P 6% 4 P S P  
6 .%。 42 对迭 代过程 中的指导 树进 行分 析发现 : 第 一棵指 导树  在

阵保持 不变或 是满 足事 先设定 的迭 代次数 为 止 。   IMS P A算法 有两 个显著 特点 : 1 ( )该 算法 是优 化 的多序列  比对算 法 , 合 了渐 进 比对 方 法 和迭 代策 略 , 适 于 比对 分歧  综 更 较大 的多 个序 列。 2 由于迭 代 过程 中指导树 被 不断地 修正 , () 因 
此 该算 法还 具 有构建 更为 合理 的系统 发育 树 的功 能 。  

3 实验 结 果 
鉴 别保 守模体 是多 序列 比对算 法 的主要 应用 。 1显 示了  图 算 法 I MS P A用 于 鉴别 保 守模 体 的一个 示例 。该 测试 用 例取 自   于 B iAS 中 rf Al E B e3的 ld 其 中包 含 2 iy, 7条 蛋 白质 序 列 . 共享  3个保 守模 体 ( 下划线 标 明 的残基 区域 , B l AS 是 A i E中标 注 的  B 核 心 块 ) 分 别 来 自 于 5 个 不 同 家 族 :a l1 ld 、 , Fmi :iy   y
图 2 第一棵 指导 树 

注: 其中 Fm l a i3中的 lo 序 列并未 出现 在它相 应 的家族 子树上 。 y ay  

计算 机工 程与 应用 2 0 . 0 52 7     3

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( 收稿 日期 :0 4年 8月 ) 20  

参考文献 
1 N ̄ lma  S Wu s h D.  G n rl . e n B. n c  C A e ea  meh d p l a l t t e t o  a pi be o h   c

sa h f  ii ri  n t  m n  c  euneo  opo is 】 er  o s lie i h a ioai sq ec ft  rt n[. c r m a ts   e d w e J 
J Mo  i l 1 7 ; 8: 4 - 5     lBo,9 0 4 4 3 4 3 2 Mu aa . rt M . ih r s n S. u ¥ al 儿 . i l n o s o aio  o  R c ad o  J S ¥ 1 / n Smu t e u c mp rs n f a
tr e p t n s q e c   h   r e  e u n e o o i c N i A a  c ,S 1 8 ;23 7 - 0 7   a   e d S iU A。 9 5 8 :0 3- 7   l 3

3 Lp a   J A t h l S K c co l   D.   o l fr mu t l  e u n e .i m n D , l c u  F, e e igu J A t     l p e sq e c   s o o i

a gm n J P e N t A a  c U A,9 9 8 :4 2 l  l n e t ] r   a   e d S i S l 8 ;6 4 l  5 i [. o l  
4 T o o s n J G b o  T Hign  D. L T L . h mp o   D. i s n J, g i s C US A  W :mp vn  te i r ig h   o

e s i  f r r s em lp   q ec  i n t u.s ec  snivyo p g s v  ut l s uneag ethog eune h t  o e i i ee l mn   r 1 q
图 3 经过 两轮迭 代之 后 的指导树  注 : 中 Fml 其 a i 3中 的 Io 序 列位 于它 相应 的家族 子树上 。 y ay  

w i r gpsi -pc cgppnle n  e h  a i co e . e h n oio sei  a ea sadw i t tx hi [   gi tn f i t S m r  c J ]
Nu li A i s R s 1 9 2 : 6 3- 6 0 cec cd   e , 9 4; 2 4 7 - 8     , 4

5 o ea aC, i isD H r g  . C F E a nvl to  r . tdm   Hg n  G, e naJ - O F E: oe m hd f   N r g i T     e o

中 ,序 列 1o ay并 没有 出现 在它 的家族 F mi 3所在 的子 树上 , a l y   而 是错 放 到家 族之外 ( 2 ,经 两次 迭代 重构 指 导树后 序 列  图 ) 1o a y回归到家 族子树 中( 3 。 图 ) 

f tad ac re m lpesq ec  l m n[]  o Bo,0 0  a     cua   ut l eu ne a g et . M l i 20 ; s n t i   i n JJ   l
3 225 27 0 :0 - 1  6 G h t . i i c t mp o e n i  a c r c  o mu t l p ti   . o o O Sg f a  i rv me t n c u a y f l i e r e n n i n p   o s q e c   i me t b   tr t e e n me t a   s s d b   f rn e eune ag ln n  y i ai  rf e n  s a , s   y r e c   e v i  ̄ e e e

4 结 束 语 
综 上 所述 ,该文 提 出 一个 新 的迭 代渐 进 多序 列 比对 算 法 
IMS P A。以比对数 据库 B I A E中多蛋 白质家 族 l y作 为测  Ai S B i d 试用 例 , 与 Cu tl 算 法 进 行 了 比较研 究 。结 果表 明 , 算  并 ls W a 该

t s u t a a gm n JJ Mo Bo 。9 6 2 4 8 3 8 8 o t c r   i et _   r u ll n [   l i 19 ;6 :2 - 3   ]   l
7 F n   F. o l t     . rg e s e s q e c   in n  s a p r — .e g D D i l R F P o rs i   e u n e a g me t a    re   te v l e

q ii    o etpyoeeet e[d M l vl18 ; :5 -6   ust t cr c hl nf r s l  o E o。972 3 l30 te o r g i e J   5 8Siu N.e M.h  e h o-o ig m t :  e   to f  .ao  N i T e ni br j n   h t   g i n e o a nw m hd o d e r
rc n t cig p yon t £ s Mo B o E o,9 7 4 4)4 6 2  eo s u t   h lg ei    . l il vl 18 ; ( :0   h r n e     5

法 能 更有效 地 比对分歧 较 大的序 列 , 改进其 系统 发育树 。 并  

( 接3 上 9页 )  

参考文献 
1S K C a g A  u I g   no m t n s se : h r  o w   o f m  .    h n . Hs . ma e i fr a o   y tms w e d   e g  r i e o

第 二次 反馈 后 也 出现类 似 情况 。 出现这 种情 况 的根 本 原 因是 
WA 0和 CI 是基 于累加 求 和算 子 , 馈后 对相 似特 征所 加 的  都 反

hr[1E E Tas o K o l g  n   a   ni ei ,92;  e J. E   r   n nwe e ad D t E g er g 19 5 e I n d a n n
( :3 — 4   5) 4 I 4 2
2Y  iT S Hu g M  tg   t a. ee a c   e d a k:  w r t l . Ru ,     a , Or a e  R lv e fe b c a p e  o   n e 1 n o o

权重在 累加和平 均过 程 中被弱 化 , 无法 在下 一次 检索 中得 到更  好 的体 现 , 至会 造 成 系统 判 断 上 的混乱 , 甚 尤其 特 征集 维 数较  高 的时候 。而 S 过程 是求 大求 小过程 , I 因此 可 以从 根本上 克 服  平均 权 累加产 生的 问题 。 外 , 表 1中还可 以看 出基 于 S 模  此 从 I 糊 相似 度 量 的相关 反 馈在 检 索 到 的相似 图像 的个 数上 比基 于  WA 和 C 的相 似度 量 略好 。并 且实 验 中发 现基 于 S O I I的模 糊  相 似度 量 在检 索 到 的图像 内容 和相 似性 的排序 上 有时 也要 略 
胜 一筹 。  

o i e c v  o t tb s i a   t ea JI E T a n C r i   f   tr t ec n n— ae m e r r vl . E   r o   i ut rn a i e d g e i [ E ] m  c s
n   y ts f   d a d S s m   r Vie   e h oo y 1 9   e o o T c n lg , 9 8

3刘忠 伟 , . 章毓 晋. 用局 部 累加直方 图进 行彩 色 图象 检索【. 利 J中国 图象  ]
图形 学报 ,9 8 3 7 :3  ̄ 3   l 9 ; ( )5 3 5 7

4李 向 阳 , . 庄越 挺 , 潘云 鹤. 基于 内容 的 图像检 索技 术 与系统 【. 算机  J计 ]
研究 与发展 , 0 ;8 3   2 l3 () O 5洪 安 祥 , . 陈刚 , 华龙 等 . 于 图像直 方 图混 合 度量 匹配 的 图像 检 索  焦 基

表 2给 出了检索 表 1中 1 O幅 图像的平 均 耗时 。可 以看 出  WA 和 S 的反 馈检 索用 时相 差 无几 。 度 很快 , C 0 I 速 而 I的用 时  要 比它们 多 1 有余 。 O倍  
表 2 几 种相 似性 度■ 的反馈 速度 比较 
相 似度 量方法  WA   C   S  O I I
平 均耗 时( ) 秒   l  l . l   _ l 35 _   3

f. 学报 ,0 22 ()17 J通信 ] 2 0 ;38 :- 
6朱兴 全 , . 张宏江 , 刘文 印等. j : j n 一个结 合语 义和 视觉特 征的 图像相  Fd 关性 反馈 检索 系统【 . J 计算 机 学报 ,0 2 2 ( ) 1 8 】 2 0 ;5 7 :-  

7H F gi dpi  m e rr v  uig te f z  n g [ 1n: .  r u. ate ia   tea s    u y it r e .   i A v g ei l n h z ea l I
F zy I om a o   P o e sn   S c e , AF P   1 t   I tra in   u z   n r t n rc si g o it N I S f i y 8 h n en t a ol C ne n e o h   o t  me c , 9 9: 7 - 7   o r c   f te N r A r a 1 9 5 5 5 9 f e h i n 8Y S C o .   i .   r h a u a . e e a c   e d a k fr c n e t  .     h i D K m R K i n p rm R l v e fe b c     o tn - s n o

bs  m g  tea ui   e C ou tit r [1n IE  n r- ae i ae rr v   s g t   hq e ne a e. : E It n  d ei l n h   g l I E e

7 结 论 
该 文 给出 了一 种基 于非 线性 S g n 糊 积分 的模 糊相 似  u eo模 度量。 实验 表明 , 高维特 征集 上 的相关 反馈 图像检 索 中 , 糊  在 模
相似 度量 的表 现要好 于 加权平 均 WA O和 基于 C o u t 分 的  hq e 积

ain   o e n e o   l me i  d E p ,o  , 0 0 1 0  ̄ 2 0 t a C n r c   n Mu t d a a   x v l 2 2 0 : 2 7 1 1   ol f e i n o

9   ueo uz m au sad f z n g sA sr y ]n M M . Sgn . z   esr    u yit r -  uv [ . :     M F y e n z ea l eC I
Gu t G  S r i ,    G ie   s F zy u o t  d D cso   pa,  N a i s B R an s e . u z  A tmaa a   e i n d d n i P o e s s A tr a N rh Hol d 1 7 : 9 1 2 r c se , m e d m: o t — l s n a ,9 7 8 ~ 0  

l . i J n i C e   n g C i Z e A fz y ma e m t c w t   p - 0 L  u l . h n Ga . h   h m.   u z i g   e r   i ap   i h

相 似度量 。接 下来 的工 作将进 一 步完善 模糊 集合 的成 员 函数 ,   改进 模 糊测度 的构造 方 法 , 并在 更大 规模 的图像 数据 库里 检 验  该方 法 。 此外 。 可 以考 虑 结合 图像 的纹理 , 状等 特征进 行相  也 形 关 反馈 的 图像 检索 。 ( 收稿 日期 :0 4年 1 20 O月)   7   2 0 . 计 算机 工程 与应 用  4 0 52

la o of c   oi [ . E   r scoso  口g  r es g  i tn t r t e n J I E Ta at n  n haePo si , ci  a a d g 1E l n i I c n
2 0 l ( :3 ~ 4   0 2; l6)6 6 6 3

l Jni hnG gC i hr t Lm g oigQ a t Assm n l ulC e  a .h Zeue aI aeC n  u i  s s t   . n     d ly e e  
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T a sc o so   uz  y tm ,0 4 1 1 :9 1 6 rnat n  n F zy Sse s 2 0 ;2( )9 - 0   i


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