- Biopython 教程
- Biopython - 首页
- Biopython - 简介
- Biopython - 安装
- 创建简单应用程序
- Biopython - 序列
- 高级序列操作
- 序列 I/O 操作
- Biopython - 序列比对
- Biopython - BLAST概述
- Biopython - Entrez 数据库
- Biopython - PDB 模块
- Biopython - 基序对象
- Biopython - BioSQL 模块
- Biopython - 种群遗传学
- Biopython - 基因组分析
- Biopython - 表型微阵列
- Biopython - 绘图
- Biopython - 聚类分析
- Biopython - 机器学习
- Biopython - 测试技术
- Biopython 资源
- Biopython - 快速指南
- Biopython - 有用资源
- Biopython - 讨论
Biopython - BLAST概述
BLAST 代表 **基本局部比对搜索工具**。它查找生物序列之间相似区域。Biopython 提供 Bio.Blast 模块来处理 NCBI BLAST 操作。您可以在本地连接或通过互联网连接运行 BLAST。
让我们在下节中简要了解这两种连接 -
通过互联网运行
Biopython 提供 Bio.Blast.NCBIWWW 模块来调用 BLAST 的在线版本。为此，我们需要导入以下模块 -
>>> from Bio.Blast import NCBIWWW
NCBIWW 模块提供 qblast 函数来查询 BLAST 在线版本，https://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi。qblast 支持在线版本支持的所有参数。
要获取有关此模块的任何帮助，请使用以下命令并了解其功能 -
>>> help(NCBIWWW.qblast) Help on function qblast in module Bio.Blast.NCBIWWW: qblast( program, database, sequence, url_base = 'https://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi', auto_format = None, composition_based_statistics = None, db_genetic_code = None, endpoints = None, entrez_query = '(none)', expect = 10.0, filter = None, gapcosts = None, genetic_code = None, hitlist_size = 50, i_thresh = None, layout = None, lcase_mask = None, matrix_name = None, nucl_penalty = None, nucl_reward = None, other_advanced = None, perc_ident = None, phi_pattern = None, query_file = None, query_believe_defline = None, query_from = None, query_to = None, searchsp_eff = None, service = None, threshold = None, ungapped_alignment = None, word_size = None, alignments = 500, alignment_view = None, descriptions = 500, entrez_links_new_window = None, expect_low = None, expect_high = None, format_entrez_query = None, format_object = None, format_type = 'XML', ncbi_gi = None, results_file = None, show_overview = None, megablast = None, template_type = None, template_length = None ) BLAST search using NCBI's QBLAST server or a cloud service provider. Supports all parameters of the qblast API for Put and Get. Please note that BLAST on the cloud supports the NCBI-BLAST Common URL API (http://ncbi.github.io/blast-cloud/dev/api.html). To use this feature, please set url_base to 'http://host.my.cloud.service.provider.com/cgi-bin/blast.cgi' and format_object = 'Alignment'. For more details, please see 8. Biopython – Overview of BLAST https://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi?PAGE_TYPE = BlastDocs&DOC_TYPE = CloudBlast Some useful parameters: - program blastn, blastp, blastx, tblastn, or tblastx (lower case) - database Which database to search against (e.g. "nr"). - sequence The sequence to search. - ncbi_gi TRUE/FALSE whether to give 'gi' identifier. - descriptions Number of descriptions to show. Def 500. - alignments Number of alignments to show. Def 500. - expect An expect value cutoff. Def 10.0. - matrix_name Specify an alt. matrix (PAM30, PAM70, BLOSUM80, BLOSUM45). - filter "none" turns off filtering. Default no filtering - format_type "HTML", "Text", "ASN.1", or "XML". Def. "XML". - entrez_query Entrez query to limit Blast search - hitlist_size Number of hits to return. Default 50 - megablast TRUE/FALSE whether to use MEga BLAST algorithm (blastn only) - service plain, psi, phi, rpsblast, megablast (lower case) This function does no checking of the validity of the parameters and passes the values to the server as is. More help is available at: https://ncbi.github.io/blast-cloud/dev/api.html
通常，qblast 函数的参数基本上类似于您可以在 BLAST 网页上设置的不同参数。这使得 qblast 函数易于理解，并减少了使用它的学习曲线。
连接和搜索
为了理解连接和搜索 BLAST 在线版本的流程，让我们对在线 BLAST 服务器通过 Biopython 进行一次简单的序列搜索（在我们本地的序列文件中可用）。
**步骤 1** - 在 Biopython 目录中创建一个名为 **blast_example.fasta** 的文件，并将以下序列信息作为输入
Example of a single sequence in FASTA/Pearson format: >sequence A ggtaagtcctctagtacaaacacccccaatattgtgatataattaaaattatattcatat tctgttgccagaaaaaacacttttaggctatattagagccatcttctttgaagcgttgtc >sequence B ggtaagtcctctagtacaaacacccccaatattgtgatataattaaaattatattca tattctgttgccagaaaaaacacttttaggctatattagagccatcttctttgaagcgttgtc
**步骤 2** - 导入 NCBIWWW 模块。
>>> from Bio.Blast import NCBIWWW
**步骤 3** - 使用 python IO 模块打开序列文件 **blast_example.fasta**。
>>> sequence_data = open("blast_example.fasta").read()
>>> sequence_data
'Example of a single sequence in FASTA/Pearson format:\n\n\n> sequence
A\nggtaagtcctctagtacaaacacccccaatattgtgatataattaaaatt
atattcatat\ntctgttgccagaaaaaacacttttaggctatattagagccatcttctttg aagcgttgtc\n\n'
**步骤 4** - 现在，调用 qblast 函数，将序列数据作为主要参数传递。另一个参数表示数据库 (nt) 和内部程序 (blastn)。
>>> result_handle = NCBIWWW.qblast("blastn", "nt", sequence_data)
>>> result_handle
<_io.StringIO object at 0x000001EC9FAA4558>
**blast_results** 保存我们搜索的结果。它可以保存到文件中以供以后使用，也可以解析以获取详细信息。我们将在下一节中学习如何做到这一点。
**步骤 5** - 同样的功能也可以使用 Seq 对象来完成，而不是使用整个 fasta 文件，如下所示 -
>>> from Bio import SeqIO
>>> seq_record = next(SeqIO.parse(open('blast_example.fasta'),'fasta'))
>>> seq_record.id
'sequence'
>>> seq_record.seq
Seq('ggtaagtcctctagtacaaacacccccaatattgtgatataattaaaattatat...gtc',
SingleLetterAlphabet())
现在，调用 qblast 函数，将 Seq 对象 record.seq 作为主要参数传递。
>>> result_handle = NCBIWWW.qblast("blastn", "nt", seq_record.seq)
>>> print(result_handle)
<_io.StringIO object at 0x000001EC9FAA4558>
BLAST 会自动为您的序列分配一个标识符。
**步骤 6** - result_handle 对象将包含整个结果，并可以保存到文件中以供以后使用。
>>> with open('results.xml', 'w') as save_file:
>>> blast_results = result_handle.read()
>>> save_file.write(blast_results)
我们将在后面的章节中看到如何解析结果文件。
运行独立 BLAST
本节说明如何在本地系统上运行 BLAST。如果您在本地系统上运行 BLAST，它可能会更快，并且允许您创建自己的数据库来搜索序列。
连接 BLAST
通常，不建议在本地运行 BLAST，因为它体积庞大，需要额外的运行软件的工作量，并且涉及成本。在线 BLAST 对于基本和高级用途来说已经足够了。当然，有时您可能需要在本地安装它。
假设您正在在线进行频繁搜索，这可能需要大量时间和高网络流量，并且如果您有专有序列数据或与 IP 相关的 issue，则建议在本地安装它。
为此，我们需要按照以下步骤操作 -
**步骤 1** - 使用给定的链接下载并安装最新的 blast 二进制文件 - ftp://ftp.ncbi.nlm.nih.gov/blast/executables/blast+/LATEST/
**步骤 2** - 使用以下链接下载并解压缩最新的必要数据库 - ftp://ftp.ncbi.nlm.nih.gov/blast/db/
BLAST 软件在其网站上提供了许多数据库。让我们从 blast 数据库站点下载 alu.n.gz 文件并将其解压缩到 alu 文件夹中。此文件为 FASTA 格式。要在我们的 blast 应用程序中使用此文件，我们需要首先将文件从 FASTA 格式转换为 blast 数据库格式。BLAST 提供 makeblastdb 应用程序来执行此转换。
使用以下代码片段 -
cd /path/to/alu makeblastdb -in alu.n -parse_seqids -dbtype nucl -out alun
运行上述代码将解析输入文件 alun 并创建 BLAST 数据库，例如多个文件 alun.nsq、alun.nsi 等。现在，我们可以查询此数据库以查找序列。
我们已在本地服务器上安装了 BLAST，并且还有一个示例 BLAST 数据库 **alun** 可以对其进行查询。
**步骤 3** - 让我们创建一个示例序列文件来查询数据库。创建一个文件 search.fsa 并将以下数据放入其中。
>gnl|alu|Z15030_HSAL001056 (Alu-J) AGGCTGGCACTGTGGCTCATGCTGAAATCCCAGCACGGCGGAGGACGGCGGAAGATTGCT TGAGCCTAGGAGTTTGCGACCAGCCTGGGTGACATAGGGAGATGCCTGTCTCTACGCAAA AGAAAAAAAAAATAGCTCTGCTGGTGGTGCATGCCTATAGTCTCAGCTATCAGGAGGCTG GGACAGGAGGATCACTTGGGCCCGGGAGTTGAGGCTGTGGTGAGCCACGATCACACCACT GCACTCCAGCCTGGGTGACAGAGCAAGACCCTGTCTCAAAACAAACAAATAA >gnl|alu|D00596_HSAL003180 (Alu-Sx) AGCCAGGTGTGGTGGCTCACGCCTGTAATCCCACCGCTTTGGGAGGCTGAGTCAGATCAC CTGAGGTTAGGAATTTGGGACCAGCCTGGCCAACATGGCGACACCCCAGTCTCTACTAAT AACACAAAAAATTAGCCAGGTGTGCTGGTGCATGTCTGTAATCCCAGCTACTCAGGAGGC TGAGGCATGAGAATTGCTCACGAGGCGGAGGTTGTAGTGAGCTGAGATCGTGGCACTGTA CTCCAGCCTGGCGACAGAGGGAGAACCCATGTCAAAAACAAAAAAAGACACCACCAAAGG TCAAAGCATA >gnl|alu|X55502_HSAL000745 (Alu-J) TGCCTTCCCCATCTGTAATTCTGGCACTTGGGGAGTCCAAGGCAGGATGATCACTTATGC CCAAGGAATTTGAGTACCAAGCCTGGGCAATATAACAAGGCCCTGTTTCTACAAAAACTT TAAACAATTAGCCAGGTGTGGTGGTGCGTGCCTGTGTCCAGCTACTCAGGAAGCTGAGGC AAGAGCTTGAGGCTACAGTGAGCTGTGTTCCACCATGGTGCTCCAGCCTGGGTGACAGGG CAAGACCCTGTCAAAAGAAAGGAAGAAAGAACGGAAGGAAAGAAGGAAAGAAACAAGGAG AG
序列数据是从 alun 文件中收集的；因此，它与我们的数据库匹配。
**步骤 4** - BLAST 软件提供了许多应用程序来搜索数据库，我们使用 blastn。**blastn 应用程序至少需要三个参数，db、query 和 out。db** 指的是要搜索的数据库；**query** 是要匹配的序列；**out** 是存储结果的文件。现在，运行以下命令执行此简单查询 -
blastn -db alun -query search.fsa -out results.xml -outfmt 5
运行上述命令将在 **results.xml** 文件中搜索并给出输出，如下所示（部分数据） -
<?xml version = "1.0"?>
<!DOCTYPE BlastOutput PUBLIC "-//NCBI//NCBI BlastOutput/EN"
"http://www.ncbi.nlm.nih.gov/dtd/NCBI_BlastOutput.dtd">
<BlastOutput>
<BlastOutput_program>blastn</BlastOutput_program>
<BlastOutput_version>BLASTN 2.7.1+</BlastOutput_version>
<BlastOutput_reference>Zheng Zhang, Scott Schwartz, Lukas Wagner, and Webb
Miller (2000), "A greedy algorithm for aligning DNA sequences", J
Comput Biol 2000; 7(1-2):203-14.
</BlastOutput_reference>
<BlastOutput_db>alun</BlastOutput_db>
<BlastOutput_query-ID>Query_1</BlastOutput_query-ID>
<BlastOutput_query-def>gnl|alu|Z15030_HSAL001056 (Alu-J)</BlastOutput_query-def>
<BlastOutput_query-len>292</BlastOutput_query-len>
<BlastOutput_param>
<Parameters>
<Parameters_expect>10</Parameters_expect>
<Parameters_sc-match>1</Parameters_sc-match>
<Parameters_sc-mismatch>-2</Parameters_sc-mismatch>
<Parameters_gap-open>0</Parameters_gap-open>
<Parameters_gap-extend>0</Parameters_gap-extend>
<Parameters_filter>L;m;</Parameters_filter>
</Parameters>
</BlastOutput_param>
<BlastOutput_iterations>
<Iteration>
<Iteration_iter-num>1</Iteration_iter-num><Iteration_query-ID>Query_1</Iteration_query-ID>
<Iteration_query-def>gnl|alu|Z15030_HSAL001056 (Alu-J)</Iteration_query-def>
<Iteration_query-len>292</Iteration_query-len>
<Iteration_hits>
<Hit>
<Hit_num>1</Hit_num>
<Hit_id>gnl|alu|Z15030_HSAL001056</Hit_id>
<Hit_def>(Alu-J)</Hit_def>
<Hit_accession>Z15030_HSAL001056</Hit_accession>
<Hit_len>292</Hit_len>
<Hit_hsps>
<Hsp>
<Hsp_num>1</Hsp_num>
<Hsp_bit-score>540.342</Hsp_bit-score>
<Hsp_score>292</Hsp_score>
<Hsp_evalue>4.55414e-156</Hsp_evalue>
<Hsp_query-from>1</Hsp_query-from>
<Hsp_query-to>292</Hsp_query-to>
<Hsp_hit-from>1</Hsp_hit-from>
<Hsp_hit-to>292</Hsp_hit-to>
<Hsp_query-frame>1</Hsp_query-frame>
<Hsp_hit-frame>1</Hsp_hit-frame>
<Hsp_identity>292</Hsp_identity>
<Hsp_positive>292</Hsp_positive>
<Hsp_gaps>0</Hsp_gaps>
<Hsp_align-len>292</Hsp_align-len>
<Hsp_qseq>
AGGCTGGCACTGTGGCTCATGCTGAAATCCCAGCACGGCGGAGGACGGCGGAAGATTGCTTGAGCCTAGGAGTTTG
CGACCAGCCTGGGTGACATAGGGAGATGCCTGTCTCTACGCAAAAGAAAAAAAAAATAGCTCTGCTGGTGGTGCATG
CCTATAGTCTCAGCTATCAGGAGGCTGGGACAGGAGGATCACTTGGGCCCGGGAGTTGAGGCTGTGGTGAGCC
ACGATCACACCACTGCACTCCAGCCTGGGTGACAGAGCAAGACCCTGTCTCAAAACAAACAAATAA
</Hsp_qseq>
<Hsp_hseq>
AGGCTGGCACTGTGGCTCATGCTGAAATCCCAGCACGGCGGAGGACGGCGGAAGATTGCTTGAGCCTAGGA
GTTTGCGACCAGCCTGGGTGACATAGGGAGATGCCTGTCTCTACGCAAAAGAAAAAAAAAATAGCTCTGCT
GGTGGTGCATGCCTATAGTCTCAGCTATCAGGAGGCTGGGACAGGAGGATCACTTGGGCCCGGGAGTTGAGG
CTGTGGTGAGCCACGATCACACCACTGCACTCCAGCCTGGGTGACAGAGCAAGACCCTGTCTCAAAACAAAC
AAATAA
</Hsp_hseq>
<Hsp_midline>
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|||||||||||||||||||||||||||
</Hsp_midline>
</Hsp>
</Hit_hsps>
</Hit>
.........................
.........................
.........................
</Iteration_hits>
<Iteration_stat>
<Statistics>
<Statistics_db-num>327</Statistics_db-num>
<Statistics_db-len>80506</Statistics_db-len>
<Statistics_hsp-lenv16</Statistics_hsp-len>
<Statistics_eff-space>21528364</Statistics_eff-space>
<Statistics_kappa>0.46</Statistics_kappa>
<Statistics_lambda>1.28</Statistics_lambda>
<Statistics_entropy>0.85</Statistics_entropy>
</Statistics>
</Iteration_stat>
</Iteration>
</BlastOutput_iterations>
</BlastOutput>
上述命令可以在 python 内部使用以下代码运行 -
>>> from Bio.Blast.Applications import NcbiblastnCommandline >>> blastn_cline = NcbiblastnCommandline(query = "search.fasta", db = "alun", outfmt = 5, out = "results.xml") >>> stdout, stderr = blastn_cline()
这里，第一个是 blast 输出的句柄，第二个是 blast 命令生成的可能的错误输出。
由于我们已将输出文件作为命令行参数提供 (out = “results.xml”) 并将输出格式设置为 XML (outfmt = 5)，因此输出文件将保存在当前工作目录中。
解析 BLAST 结果
通常，BLAST 输出使用 NCBIXML 模块解析为 XML 格式。为此，我们需要导入以下模块 -
>>> from Bio.Blast import NCBIXML
现在，**使用 python open 方法直接打开文件** 并 **使用 NCBIXML parse 方法**，如下所示 -
>>> E_VALUE_THRESH = 1e-20
>>> for record in NCBIXML.parse(open("results.xml")):
>>> if record.alignments:
>>> print("\n")
>>> print("query: %s" % record.query[:100])
>>> for align in record.alignments:
>>> for hsp in align.hsps:
>>> if hsp.expect < E_VALUE_THRESH:
>>> print("match: %s " % align.title[:100])
这将产生如下输出 -
query: gnl|alu|Z15030_HSAL001056 (Alu-J) match: gnl|alu|Z15030_HSAL001056 (Alu-J) match: gnl|alu|L12964_HSAL003860 (Alu-J) match: gnl|alu|L13042_HSAL003863 (Alu-FLA?) match: gnl|alu|M86249_HSAL001462 (Alu-FLA?) match: gnl|alu|M29484_HSAL002265 (Alu-J) query: gnl|alu|D00596_HSAL003180 (Alu-Sx) match: gnl|alu|D00596_HSAL003180 (Alu-Sx) match: gnl|alu|J03071_HSAL001860 (Alu-J) match: gnl|alu|X72409_HSAL005025 (Alu-Sx) query: gnl|alu|X55502_HSAL000745 (Alu-J) match: gnl|alu|X55502_HSAL000745 (Alu-J)
广告