home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ OS/2 Shareware BBS: Science / Science.zip / clustal.zip / clustalw.ms < prev    next >
Text File  |  1997-11-03  |  44KB  |  795 lines

  1. This is just an ASCII text version of the manuscript describing
  2. Clustal W, without the figures.  It was published:
  3.  
  4. Nucleic Acids Research, 22(22):4673-4680.
  5.  
  6.  
  7.  
  8. CLUSTAL W: improving the sensitivity of progressive multiple 
  9. sequence alignment through sequence weighting, position specific 
  10. gap penalties and weight matrix choice.
  11.  
  12.  
  13.  
  14. Julie D. Thompson, Desmond G. Higgins1 and Toby J. Gibson*
  15.  
  16. European Molecular Biology Laboratory
  17. Postfach 102209
  18. Meyerhofstrasse 1
  19. D-69012 Heidelberg
  20. Germany
  21.  
  22.  
  23. Phone:        +49-6221-387398
  24. Fax:        +49-6221-387306
  25. E-mail:        Gibson@EMBL-Heidelberg.DE
  26.         Des.Higgins@EBI.AC.UK
  27.         Thompson@EMBL-Heidelberg.DE
  28.  
  29.  
  30. Keywords:    Multiple alignment, phylogenetic tree, weight matrix, gap
  31.         penalty, dynamic programming, sequence weighting.
  32.  
  33.  
  34. 1 Current address: 
  35. European Bioinformatics Institute
  36. Hinxton Hall
  37. Hinxton
  38. Cambridge CB10 1RQ
  39. UK.
  40.  
  41. * To whom correspondence should be addressed
  42.  
  43.  
  44. ABSTRACT
  45.  
  46. The sensitivity of the commonly used progressive multiple sequence 
  47. alignment method has been greatly improved for the alignment of divergent 
  48. protein sequences.   Firstly, individual weights are assigned to each sequence 
  49. in a partial alignment in order to downweight near-duplicate sequences and 
  50. upweight the most divergent ones.   Secondly, amino acid substitution 
  51. matrices are varied at different alignment stages according to the divergence 
  52. of the sequences to be aligned.    Thirdly, residue specific gap penalties and 
  53. locally reduced gap penalties in hydrophilic regions encourage new gaps in 
  54. potential loop regions rather than regular secondary structure.   Fourthly, 
  55. positions in early alignments where gaps have been opened receive locally 
  56. reduced gap penalties to encourage the opening up of new gaps at these 
  57. positions.  These modifications are incorporated into a new program, 
  58. CLUSTAL W which is freely available.  
  59.  
  60.  
  61. INTRODUCTION
  62.  
  63. The simultaneous alignment of many nucleotide or amino acid sequences is 
  64. now an essential tool in molecular biology.  Multiple alignments are used to 
  65. find diagnostic patterns to characterise protein families; to detect or 
  66. demonstrate homology between new sequences and existing families of 
  67. sequences; to help predict the secondary and tertiary structures of new 
  68. sequences; to suggest oligonucleotide primers for PCR; as an essential prelude 
  69. to molecular evolutionary analysis.   The rate of appearance of new sequence 
  70. data is steadily increasing and the development of efficient and accurate 
  71. automatic methods for multiple alignment is, therefore, of major 
  72. importance.   The majority of automatic multiple alignments are now carried 
  73. out using the "progressive" approach of Feng and Doolittle (1).   In this paper, 
  74. we describe a number of improvements to the progressive multiple 
  75. alignment method which greatly improve the sensitivity without sacrificing 
  76. any of the speed and efficiency which makes this approach so practical.  The 
  77. new methods are made available in a program called CLUSTAL W which is 
  78. freely available and portable to a wide variety of computers and operating 
  79. systems.
  80.  
  81. In order to align just two sequences, it is standard practice to use dynamic 
  82. programming (2).  This guarantees a mathematically optimal alignment, 
  83. given a table of scores for matches and mismatches between all amino acids 
  84. or nucleotides (e.g. the PAM250 matrix (3) or BLOSUM62 matrix (4)) and 
  85. penalties for insertions or deletions of different lengths.   Attempts at 
  86. generalising dynamic programming to multiple alignments are limited to 
  87. small numbers of short sequences (5).  For much more than eight or so 
  88. proteins of average length, the problem is uncomputable given current 
  89. computer power.  Therefore, all of the methods capable of handling larger 
  90. problems in practical timescales, make use of heuristics.    Currently, the most 
  91. widely used approach is to exploit the fact that homologous sequences are 
  92. evolutionarily related.  One can build up a multiple alignment progressively 
  93. by a series of pairwise alignments, following the branching order in a 
  94. phylogenetic tree (1).  One first aligns the most closely related sequences, 
  95. gradually adding in the more distant ones.   This approach is sufficiently fast 
  96. to allow alignments of virtually any size.   Further, in simple cases, the 
  97. quality of the alignments is excellent, as judged by the ability to correctly align 
  98. corresponding domains from sequences of known secondary or tertiary 
  99. structure (6).  In more difficult cases, the alignments give good starting points 
  100. for further automatic or manual refinement.
  101.  
  102. This approach works well when the data set consists of sequences of different 
  103. degrees of divergence.   Pairwise alignment of very closely related sequences 
  104. can be carried out very accurately.   The correct answer may often be obtained 
  105. using a wide range of parameter values (gap penalties and weight matrix).  By 
  106. the time the most distantly related sequences are aligned, one already has a 
  107. sample of aligned sequences which gives important information about the 
  108. variability at each position.   The positions of the gaps that were introduced 
  109. during the early alignments of the closely related sequences are not changed 
  110. as new sequences are added.   This is justified because the placement of gaps 
  111. in alignments between closely related sequences is much more accurate than 
  112. between distantly related ones.   When all of the sequences are highly 
  113. divergent (e.g. less than approximately 25-30% identity between any pair of 
  114. sequences), this progressive approach becomes much less reliable.
  115.  
  116. There are two major problems with the progressive approach:  the local 
  117. minimum problem and the choice of alignment parameters.   The local 
  118. minimum problem stems from the "greedy" nature of the alignment strategy.  
  119. The algorithm greedily adds sequences together, following the initial tree.  
  120. There is no guarantee that the global optimal solution, as defined by some 
  121. overall measure of multiple alignment quality (7,8), or anything close to it, 
  122. will be found.   More specifically, any mistakes (misaligned regions) made 
  123. early in the alignment process cannot be corrected later as new information 
  124. from other sequences is added.   This problem is frequently thought of as 
  125. mainly resulting from an incorrect branching order in the initial tree.  The 
  126. initial trees are derived from a matrix of distances between separately aligned 
  127. pairs of sequences and are much less reliable than trees from complete 
  128. multiple alignments.   In our experience, however, the real problem is caused 
  129. simply by errors in the initial alignments.  Even if the topology of the guide 
  130. tree is correct, each alignment step in the multiple alignment process may 
  131. have some percentage of the residues misaligned.   This percentage will be 
  132. very low on average for very closely related sequences but will increase as 
  133. sequences diverge.   It is these misalignments which carry through from the 
  134. early alignment steps that cause the local minimum problem.   The only way 
  135. to correct this is to use an iterative or stochastic sampling procedure (e.g. 
  136. 7,9,10).   We do not directly address this problem in this paper.
  137.  
  138. The alignment parameter choice problem is, in our view, at least as serious as 
  139. the local minimum problem.   Stochastic or iterative algorithms will be just 
  140. as badly affected as progressive ones if the parameters are inappropriate: they 
  141. will arrive at a false global minimum.  Traditionally, one chooses one weight 
  142. matrix and two gap penalties (one for opening a new gap and one for 
  143. extending an existing gap) and hope that these will work well over all parts of 
  144. all the sequences in the data set.   When the sequences are all closely related, 
  145. this works.  The first reason is that virtually all residue weight matrices give 
  146. most weight to identities.   When identities dominate an alignment, almost 
  147. any weight matrix will find approximately the correct solution.   With very 
  148. divergent sequences, however, the scores given to non-identical residues will 
  149. become critically important; there will be more mismatches than identities.   
  150. Different weight matrices will be optimal at different evolutionary distances 
  151. or for different classes of proteins.  
  152.  
  153. The second reason is that the range of gap penalty values that will find the 
  154. correct or best possible solution can be very broad for highly similar sequences 
  155. (11).   As more and more divergent sequences are used, however, the exact 
  156. values of the gap penalties become important for success.   In each case, there 
  157. may be a very narrow range of values which will deliver the best alignment.  
  158. Further, in protein alignments, gaps do not occur randomly (i.e. with equal 
  159. probability at all positions).  They occur far more often between the major 
  160. secondary structural elements of alpha helices and beta strands than within 
  161. (12).
  162.  
  163. The major improvements described in this paper attempt to address the 
  164. alignment parameter choice problem.   We dynamically vary the gap 
  165. penalties in a position and residue specific manner. The observed relative 
  166. frequencies of gaps adjacent to each of the 20 amino acids (12) are used to 
  167. locally adjust the gap opening penalty after each residue.   Short stretches of 
  168. hydrophilic residues (e.g. 5 or more) usually indicate loop or random coil 
  169. regions and the gap opening penalties are locally reduced in these stretches.   
  170. In addition, the locations of the gaps found in the early alignments are also 
  171. given reduced gap opening penalties.  It has been observed in alignments 
  172. between sequences of known structure that gaps tend not to be closer than 
  173. roughly eight residues on average (12).   We increase the gap opening penalty 
  174. within eight residues of exising gaps.   The two main series of amino acid 
  175. weight matrices that are used today are the PAM series (3) and the BLOSUM 
  176. series (4).   In each case, there is a range of matrices to choose from.  Some 
  177. matrices are appropriate for aligning very closely related sequences where 
  178. most weight by far is given to identities, with only the most frequent 
  179. conservative substitutions receiving high scores.  Other matrices work better 
  180. at greater evolutionary distances where less importance is attached to 
  181. identities (13).  We choose different weight matrices, as the alignment 
  182. proceeds, depending on the estimated divergence of the sequences to be 
  183. aligned at each stage.  
  184.  
  185. Sequences are weighted to correct for unequal sampling across all 
  186. evolutionary distances in the data set (14).   This downweights sequences that 
  187. are very similar to other sequences in the data set and upweights the most 
  188. divergent ones.  The weights are calculated directly from the branch lengths 
  189. in the initial guide tree (15).   Sequence weighting has already been shown to 
  190. be effective in improving the sensitivity of profile searches (15,16).  In the 
  191. original CLUSTAL programs (17-19), the initial guide trees, used to guide the 
  192. multiple alignment, were calculated using the UPGMA method (20).  We 
  193. now use the Neighbour-Joining method (21) which is more robust against the 
  194. effects of unequal evolutionary rates in different lineages and which gives 
  195. better estimates of individual branch lengths.  This is useful because it is these 
  196. branch lengths which are used to derive the sequence weights.  We also allow 
  197. users to choose between fast approximate alignments (22) or full dynamic 
  198. programming for the distance calculations used to make the guide tree. 
  199.  
  200. The new improvements dramatically improve the sensitivity of the 
  201. progressive alignment method for difficult alignments involving highly 
  202. diverged sequences.  We show one very demanding test case of over 60 SH3 
  203. domains (23) which includes sequence pairs with as little as 12% identity and 
  204. where there is only one exactly conserved residue across all of the sequences.   
  205. Using default parameters, we can achieve an alignment that is almost exactly 
  206. correct, according to available structural information (24).   Using the program 
  207. in a wide variety of situations, we find that it will normally find the correct 
  208. alignment, in all but the most difficult and pathological of cases.  
  209.  
  210.  
  211. MATERIAL AND METHODS
  212.  
  213.  
  214. The basic alignment method
  215.  
  216. The basic multiple alignment algorithm consists of three main stages: 1) all 
  217. pairs of sequences are aligned separately in order to calculate a distance matrix 
  218. giving the divergence of each pair of sequences; 2) a guide tree is calculated 
  219. from the distance matrix; 3) the sequences are progressively aligned according 
  220. to the branching order in the guide tree.   An example using 7 globin 
  221. sequences of known tertiary structure (25) is given in figure 1.
  222.  
  223.  
  224. 1) The distance matrix/pairwise alignments
  225.  
  226. In the original CLUSTAL programs, the pairwise distances were calculated 
  227. using a fast approximate method (22).   This allows very large numbers of 
  228. sequences to be aligned, even on a microcomputer.   The scores are calculated 
  229. as the number of k-tuple matches (runs of identical residues, typically 1 or 2 
  230. long for proteins or 2 to 4 long for nucleotide sequences) in the best alignment 
  231. between two sequences minus a fixed penalty for every gap.   We now offer a 
  232. choice between this method and the slower but more accurate scores from full 
  233. dynamic programming alignments using two gap penalties (for opening or 
  234. extending gaps) and a full amino acid weight matrix.   These scores are 
  235. calculated as the number of identities in the best alignment divided by the 
  236. number of residues compared (gap positions are excluded).   Both of these 
  237. scores are initially calculated as percent identity scores and are converted to 
  238. distances by dividing by 100 and subtracting from 1.0 to give number of 
  239. differences per site.   We do not correct for multiple substitutions in these 
  240. initial distances.   In figure 1 we give the 7x7 distance matrix between the 7 
  241. globin sequences calculated using the full dynamic programming method.
  242.  
  243.  
  244. 2) The guide tree
  245.  
  246. The trees used to guide the final multiple alignment process are calculated 
  247. from the distance matrix of step 1 using the Neighbour-Joining method (21).   
  248. This produces unrooted trees with branch lengths proportional to estimated 
  249. divergence along each branch.   The root is placed by a "mid-point" method 
  250. (15) at a position where the means of the branch lengths on either side of the 
  251. root are equal.   These trees are also used to derive a weight for each sequence 
  252. (15).   The weights are dependent upon the distance from the root of the tree 
  253. but sequences which have a common branch with other sequences share the 
  254. weight derived from the shared branch.   In the example in figure 1, the 
  255. leghaemoglobin (Lgb2_Luplu) gets a weight of 0.442 which is equal to the 
  256. length of the branch from the root to it.  The Human beta globin 
  257. (Hbb_Human) gets a weight consisting of the length of the branch leading to 
  258. it that is not shared with any other sequences (0.081) plus half the length of 
  259. the branch shared with the horse beta globin (0.226/2) plus one quarter the 
  260. length of the branch shared by all four haemoglobins (0.061/4) plus one fifth 
  261. the branch shared between the haemoglobins and the myoglobin (0.015/5) 
  262. plus one sixth the branch leading to all the vertebrate globins (0.062).  This 
  263. sums to a total of 0.221.  By contrast, in the normal progressive alignment 
  264. algorithm, all sequences would be equally weighted.  The rooted tree with 
  265. branch lengths and sequence weights for the 7 globins is given in figure 1.  
  266.  
  267.  
  268. 3) Progressive alignment
  269.  
  270. The basic procedure at this stage is to use a series of pairwise alignments to 
  271. align larger and larger groups of sequences, following the branching order in 
  272. the guide tree.   You proceed from the tips of the rooted tree towards the root.   
  273. In the globin example in figure 1 you align the sequences in the following 
  274. order: human vs. horse beta globin; human vs. horse alpha globin; the 2 
  275. alpha globins vs. the 2 beta globins; the myoglobin vs. the haemoglobins; the 
  276. cyanohaemoglobin vs the haemoglobins plus myoglobin; the leghaemoglobin 
  277. vs. all the rest.  At each stage a full dynamic programming (26,27) algorithm is 
  278. used with a residue weight matrix and penalties for opening and extending 
  279. gaps.   Each step consists of aligning two existing alignments or sequences.  
  280. Gaps that are present in older alignments remain fixed.  In the basic 
  281. algorithm, new gaps that are introduced at each stage get full gap opening and 
  282. extension penalties, even if they are introduced inside old gap positions (see 
  283. the section on gap penalties below for modifications to this rule).  In order to 
  284. calculate the score between a position from one sequence or alignment and 
  285. one from another, the average of all the pairwise weight matrix scores from 
  286. the amino acids in the two sets of sequences is used i.e. if you align 2 
  287. alignments with 2 and 4 sequences respectively, the score at each position is 
  288. the average of 8 (2x4) comparisons.   This is illustrated in figure 2.  If either set 
  289. of sequences contains one or more gaps in one of the positions being 
  290. considered, each gap versus a residue is scored as zero.   The default amino 
  291. acid weight matrices we use are rescored to have only positive values. 
  292. Therefore, this treatment of gaps treats the score of a residue versus a gap as 
  293. having the worst possible score.  When sequences are weighted (see 
  294. improvements to progressive alignment, below), each weight matrix value is 
  295. multiplied by the weights from the 2 sequences, as illustrated in figure 2.
  296.  
  297.  
  298. Improvements to progressive alignment
  299.  
  300. All of the remaining modifications apply only to the final progressive 
  301. alignment stage.   Sequence weighting is relatively straightforward and is 
  302. already widely used in profile searches (15,16).   The treatment of gap penalties 
  303. is more complicated.   Initial gap penalties are calculated depending on the 
  304. weight matrix, the similarity of the sequences, and the length of the 
  305. sequences. Then, an attempt is made to derive sensible local gap opening 
  306. penalties at every position in each pre-aligned group of sequences that will 
  307. vary as new sequences are added.   The use of different weight matrices as the 
  308. alignment progresses is novel and largely by-passes the problem of initial 
  309. choice of weight matrix.   The final modification allows us to delay the 
  310. addition of very divergent sequences until the end of the alignment process 
  311. when all of the more closely related sequences have already been aligned.
  312.  
  313.  
  314. Sequence weighting
  315.  
  316. Sequence weights are calculated directly from the guide tree.    The weights 
  317. are normalised such that the biggest one is set to 1.0 and the rest are all less 
  318. than one.  Groups of closely related sequences receive lowered weights 
  319. because they contain much duplicated information.  Highly divergent 
  320. sequences without any close relatives receive high weights.  These weights 
  321. are used as simple multiplication factors for scoring positions from different 
  322. sequences or prealigned groups of sequences.  The method is illustrated in 
  323. figure 2.  In the globin example in figure 1, the two alpha globins get 
  324. downweighted because they are almost duplicate sequences (as do the two 
  325. beta globins); they receive a combined weight of only slightly more than if a 
  326. single alpha globin was used.   
  327.  
  328.  
  329. Initial gap penalties
  330.  
  331. Initially, two gap penalties are used: a gap opening penalty (GOP) which gives 
  332. the cost of opening a new gap of any length and a gap extension penalty (GEP) 
  333. which gives the cost of every item in a gap.  Initial values can be set by the 
  334. user from a menu.   The software then automatically attempts to choose 
  335. appropriate gap penalties for each sequence alignment, depending on the 
  336. following factors.
  337.  
  338. 1) Dependence on the weight matrix
  339.  
  340. It has been shown (16,28) that varying the gap penalties used with different 
  341. weight matrices can improve the accuracy of sequence alignments. Here, we 
  342. use the average score for two mismatched residues (ie. off-diagonal values in 
  343. the matrix) as a scaling factor for the GOP.
  344.  
  345. 2) Dependence on the similarity of the sequences
  346.  
  347. The percent identity of the two (groups of) sequences to be aligned is used to 
  348. increase the GOP for closely related sequences and decrease it for more 
  349. divergent sequences on a linear scale.
  350.  
  351. 3) Dependence on the lengths of the sequences   
  352.  
  353. The scores for both true and false sequence alignments grow with the length 
  354. of the sequences. We use the logarithm of the length of the shorter sequence 
  355. to increase the GOP with sequence length.
  356.  
  357. Using these three modifications, the initial GOP calculated by the program is:
  358.  
  359. GOP->(GOP+log(MIN(N,M))) * (average residue mismatch score) *
  360.                                                                (percent identity scaling factor)
  361. where N, M are the lengths of the two sequences.
  362.  
  363. 4) Dependence on the difference in the lengths of the sequences
  364.  
  365. The GEP is modified depending on the difference between the lengths of the 
  366. two sequences to be aligned. If one sequence is much shorter than the other, 
  367. the GEP is increased to inhibit too many long gaps in the shorter sequence.
  368. The initial GEP calculated by the program is:
  369.  
  370. GEP ->  GEP*(1.0+|log(N/M)|) 
  371. where N, M are the lengths of the two sequences.
  372.  
  373.  
  374. Position-specific gap penalties
  375.  
  376.  In most dynamic programming applications, the initial gap opening and 
  377. extension penalties are applied equally at every position in the sequence, 
  378. regardless of the location of a gap, except for terminal gaps which are usually 
  379. allowed at no cost.   In CLUSTAL W, before any pair of sequences or 
  380. prealigned groups of sequences are aligned, we generate a table of gap opening 
  381. penalties for every position in the two (sets of) sequences.  An example is 
  382. shown in figure 3.  We manipulate the initial gap opening penalty in a 
  383. position specific manner, in order to make gaps more or less likely at different 
  384. positions.   
  385.  
  386. The local gap penalty modification rules are applied in a hierarchical manner.   
  387. The exact details of each rule are given below.  Firstly, if there is a gap at a 
  388. position, the gap opening and gap extension penalties are lowered; the other 
  389. rules do not apply.   This makes gaps more likely at positions where there are 
  390. already gaps.  If there is no gap at a position, then the gap opening penalty is 
  391. increased if the position is within 8 residues of an existing gap.   This 
  392. discourages gaps that are too close together.  Finally, at any position within a 
  393. run of hydrophilic residues, the penalty is decreased.  These runs usually 
  394. indicate loop regions in protein structures.  If there is no run of hydrophilic 
  395. residues, the penalty is modified using a table of residue specific gap 
  396. propensities (12).   These propensities were derived by counting the frequency 
  397. of each residue at either end of gaps in alignments of proteins of known 
  398. structure.  An illustration of the application of these rules from one part of 
  399. the globin example, in figure 1, is given in figure 3.  
  400.  
  401. 1) Lowered gap penalties at existing gaps
  402.  
  403. If there are already gaps at a position, then the GOP is reduced in proportion 
  404. to the number of sequences with a gap at this position and the GEP is lowered 
  405. by a half.  The new gap opening penalty is calculated as:
  406.  
  407. GOP ->  GOP*0.3*(no. of sequences without a gap/no. of sequences).
  408.  
  409. 2) Increased gap penalties near existing gaps
  410.  
  411. If a position does not have any gaps but is within 8 residues of an existing gap, 
  412. the GOP is increased by:
  413.  
  414. GOP ->  GOP*(2+((8-distance from gap)*2)/8)
  415.  
  416. 3) Reduced gap penalties in hydrophilic stretches
  417.  
  418. Any run of 5 hydrophilic residues is considered to be a hydrophilic stretch.  
  419. The residues that are to be considered hydrophilic may be set by the user but 
  420. are conservatively set to D, E, G, K, N, Q, P, R or S by default.   If, at any 
  421. position, there are no gaps and any of the sequences has such a stretch, the 
  422. GOP is reduced by one third.
  423.  
  424.  
  425. 4) Residue specific penalties
  426.  
  427. If there is no hydrophilic stretch and the position does not contain any gaps, 
  428. then the GOP is multiplied by one of the 20 numbers in table 1, depending on 
  429. the residue.  If there is a mixture of residues at a position, the multiplication 
  430. factor is the average of all the contributions from each sequence.  
  431.  
  432.  
  433. Weight matrices
  434.  
  435. Two main series of weight matrices are offered to the user: the Dayhoff PAM 
  436. series (3) and the BLOSUM series (4).   The default is the BLOSUM series.  In 
  437. each case, there is a choice of matrix ranging from strict ones, useful for 
  438. comparing very closely related sequences to very "soft" ones that are useful 
  439. for comparing very distantly related sequences.   Depending on the distance 
  440. between the two sequences or groups of sequences to be compared, we switch 
  441. between 4 different matrices.  The distances are measured directly from the 
  442. guide tree.  The ranges of distances and tables used with the PAM series of 
  443. matrices is: 80-100%:PAM20, 60-80%:PAM60, 40-60%:PAM120, 0-40%:PAM350. 
  444. The range used with the BLOSUM series is:80-100%:BLOSUM80,
  445. 60-80%:BLOSUM62, 30-60%:BLOSUM45, 0-30%:BLOSUM30.
  446.  
  447.  
  448. Divergent sequences
  449.  
  450. The most divergent sequences (most different, on average from all of the 
  451. other sequences) are usually the most difficult to align correctly.  It is 
  452. sometimes better to delay the incorporation of these sequences until all of the 
  453. more easily aligned sequences are merged first.  This may give a better chance 
  454. of correctly placing the gaps and matching weakly conserved positions against 
  455. the rest of the sequences.   A choice is offered to set a cut off (default is 40% 
  456. identity or less with any other sequence) that will delay the alignment of the 
  457. divergent sequences until all of the rest have been aligned.  
  458.  
  459.  
  460. Software and Algorithms
  461.  
  462.  
  463. Dynamic Programming
  464.  
  465. The most demanding part of the multiple alignment strategy, in terms of 
  466. computer processing and memory usage, is the alignment of two (groups of) 
  467. sequences at each step in the final progressive alignment.   To make it 
  468. possible to align very long sequences (e.g. dynein heavy chains at ~ 5,000 
  469. residues) in a reasonable amount of memory, we use the memory efficient 
  470. dynamic programming algorithm of Myers and Miller (26).   This sacrifices 
  471. some processing time but makes very large alignments practical in very little 
  472. memory.   One disadvantage of this algorithm is that it does not allow 
  473. different gap opening and extension penalties at each position.  We have 
  474. modified the algorithm so as to allow this and the details are described in a 
  475. separate paper (27).   
  476.  
  477.  
  478.  
  479. Menus/file formats
  480.  
  481. Six different sequence input formats are detected automatically and read by 
  482. the program:  EMBL/Swiss Prot, NBRF/PIR, Pearson/FASTA (29), GCG/MSF 
  483. (30), GDE (Steven Smith, Harvard University Genome Center) and CLUSTAL 
  484. format alignments.   The last three formats allow users to read in complete 
  485. alignments (e.g. for calculating phylogenetic trees or for addition of new 
  486. sequences to an existing alignment).   Alignment output may be requested in 
  487. standard CLUSTAL format (self-explanatory blocked alignments) or in 
  488. formats compatible with the GDE, PHYLIP (31) or GCG (30) packages.   The 
  489. program offers the user the ability to calculate Neighbour-Joining 
  490. phylogenetic trees from existing alignments with options to correct for 
  491. multiple hits (32,33) and to estimate confidence levels using a bootstrap 
  492. resampling procedure (34).   The trees may be output in the "New 
  493. Hampshire" format that is compatible with the PHYLIP package (31).
  494.  
  495. Alignment to an alignment
  496.  
  497. Profile alignment is used to align two existing alignments (either of which 
  498. may consist of just one sequence) or to add a series of new sequences to an 
  499. existing alignment.   This is useful because one may wish to build up a 
  500. multiple alignment gradually, choosing different parameters manually, or 
  501. correcting intermediate errors as the alignment proceeds.   Often, just a few 
  502. sequences cause misalignments in the progressive algorithm and these can be 
  503. removed from the process and then added at the end by profile alignment.  A 
  504. second use is where one has a high quality reference alignment and wishes to 
  505. keep it fixed while adding new sequences automatically.  
  506.  
  507.  
  508. Portability/Availability
  509.  
  510. The full source code of the package is provided free to academic users.   The 
  511. program will run on any machine with a full ANSI conforming C compiler.  
  512. It has been tested on the following hardware/software combinations:  
  513. Decstation/Ultrix, Vax or ALPHA/VMS, Silicon Graphics/IRIX.   The source 
  514. code and documentation are available by E-mail from the EMBL file server 
  515. (send the words HELP and HELP SOFTWARE on two lines to the internet 
  516. address: 
  517. Netserv@EMBL-Heidelberg.DE) or by anonymous FTP from 
  518. FTP.EMBL-Heidelberg.DE.  Queries may be addressed by E-mail to 
  519. Des.Higgins@EBI.AC.UK or Gibson@EMBL-Heidelberg.DE.
  520.  
  521.  
  522. RESULTS AND DISCUSSION
  523.  
  524.  
  525. Alignment of SH3 Domains
  526.  
  527. The ~60 residue SH3 domain was chosen to illustrate the performance of 
  528. CLUSTAL W, as there is a reference manual alignment (23) and the fold is 
  529. known (24).  SH3 domains, with a minimum similarity below 12% identity, 
  530. are poorly aligned by progressive alignment programs such as CLUSTAL V 
  531. and PILEUP: neither program can generate the correct blocks corresponding to 
  532. the secondary structure elements. 
  533.  
  534. Figure 4 shows an alignment generated by CLUSTAL W of the example set of 
  535. SH3 domains. The alignment was generated in two steps. After progressive 
  536. alignment, five blocks were produced, corresponding to structural elements, 
  537. with gaps inserted exclusively in the known loop regions. The beta strands in 
  538. blocks 1, 4 and 5 were all correctly superposed. However, four sequences in 
  539. block 2 and one sequence in block 3 were misaligned by 1-2 residues 
  540. (underlined in figure 4). A second progressive alignment of the aligned 
  541. sequences, including the gaps, improved this alignment: A single misaligned 
  542. sequence, H_P55, remains in block 2 (boxed in figure 4), while block 3 is now 
  543. completely aligned.  This alignment corrects several errors (eg. P85A, P85B 
  544. and FUS1) in the manual alignment (23).
  545.  
  546. The SH3 alignment illustrates several features of CLUSTAL W usage. Firstly, 
  547. in a practical application involving divergent sequences, the initial 
  548. progressive alignment is likely to be a good but not perfect approximation to 
  549. the correct alignment. The alignment quality can be improved in a number of 
  550. ways. If the block structure of the alignment appears to be correct, realignment 
  551. of the alignment will usually improve most of the misaligned blocks: the 
  552. existing gaps allow the blocks to "float" cheaply to a locally optimal position 
  553. without disturbing the rest of the alignment. Remaining sequences which are 
  554. doubtfully aligned can then be individually tested by profile alignment to the 
  555. remainder: the misaligned H_P55 SH3 domain can be correctly aligned by 
  556. profile (with GOP <= 8). The indel regions in the final alignment can then be 
  557. manually cleaned up: Usually the exact alignment in the loop regions is not 
  558. determinable, and may have no meaning in structural terms. It is then 
  559. desirable to have a single gap per structural loop. CLUSTAL W achieved this 
  560. for two of the four SH3 loop regions (figure 4).
  561.  
  562. If the block structure of the alignment appears suspect, greater intervention by 
  563. the user may be required. The most divergent sequences, especially if they 
  564. have large insertions (which can be discerned with the aid of dot matrix 
  565. plots), should be left out of the progressive alignment. If there are sets of 
  566. closely related sequences that are deeply diverged from other sets, these can be 
  567. separately aligned and then merged by profile alignment. Incorrectly 
  568. determined sequences, containing frameshifts, can also confound regions of 
  569. an alignment: these can be hard to detect but sometimes they have been 
  570. grouped within the excluded divergent sequences: then they may be revealed 
  571. when they are individually compared to the alignment as having apparently 
  572. nonsense segments with respect to the other sequences. 
  573.  
  574.  
  575.  
  576. Finding the best alignment
  577.  
  578. In cases where all of the sequences in a data set are very similar (e.g. no pair 
  579. less than 35% identical), CLUSTAL W will find an alignment which is 
  580. difficult to improve by eye.  In this sense, the alignment is optimal with 
  581. regard to the alternative of manual alignment.  Mathematically, this is vague 
  582. and can only be put on a more systematic footing by finding an objective 
  583. function (a measure of multiple alignment quality) that exactly mirrors the 
  584. information used by an "expert" to evaluate an alignment.  Nonetheless, if an 
  585. alignment is impossible to improve by eye, then the program has achieved a 
  586. very useful result.   
  587.  
  588. In more difficult cases, as more divergent sequences are included, it becomes 
  589. increasingly difficult to find good alignments and to evaluate them.    What 
  590. we find with CLUSTAL W is that the basic block-like structure of the 
  591. alignment (corresponding to the major secondary structure elements) is 
  592. usually recovered, with some of the most divergent sequences misaligned in 
  593. small regions.  This is a very useful starting point for manual refinement as it 
  594. helps define the major blocks of similarity.   The problem sequences can be 
  595. removed from the analysis and realigned to the rest of the sequences 
  596. automatically or with different parameter settings.   An examination of the 
  597. tree used to guide the alignment will usually show which sequences will be 
  598. most unreliably placed (those that branch off closest to the root and/or those 
  599. that align to other single sequences at a very low level of sequence identity 
  600. rather than align to a group of pre-aligned sequences).  Finally, one can 
  601. simply iterate the multiple alignment process by feeding an output alignment 
  602. back into CLUSTAL W and repeating the multiple alignment process (using 
  603. the same or different parameters).   The SH3 domain alignment in figure 4 
  604. was derived in this way by 2 passes using default parameters.  In the second 
  605. pass, the local gap penalties are dominated by the placement of the initial 
  606. major gap positions.  The alignment will either remain unchanged or will 
  607. converge rapidly (after 1 or 2 extra passes) on a better solution.  If the 
  608. placement of the initial gaps is approximately correct but some of the 
  609. sequences are locally misaligned, this works well.  
  610.  
  611.  
  612. Comparison with other methods
  613.  
  614. Recently, several papers have addressed the problem of position specific 
  615. parameters for multiple alignment.  In one case (35), local gap penalties are 
  616. increased in alpha helical and beta strand regions, when the 3-D structures of 
  617. one or more of the sequences are known.  In a second case (36), a hidden 
  618. Markov model was used to estimate position specific gap penalties and 
  619. residue substitution weight matrices when large numbers of examples of a 
  620. protein domain were known.  With CLUSTAL W, we attempt to derive the 
  621. same information purely from the set of sequences to be aligned.  Therefore, 
  622. we can apply the method to any set of sequences.  The success of this approach 
  623. will depend on the number of available sequences and their evolutionary 
  624. relationships.  It will also depend on the decision making process during 
  625. multiple alignment (e.g. when to change weight matrix) and the accuracy and 
  626. appropriateness of our parameterisation.  In the long term, this can only be 
  627. evaluated by exhaustive testing of sets of sequences where the correct 
  628. alignment (or parts of it) are known from structural information.   What is 
  629. clear, however, is that the modifications described here significantly improve 
  630. the sensitivity of the progressive multiple alignment approach.  This is 
  631. achieved with almost no sacrifice in speed and efficiency.  
  632.  
  633. There are several areas where further improvements in sensitivity and 
  634. accuracy can be made.  Firstly, the residue weight matrices and gap settings 
  635. can be made more accurate as more and more data accumulate, while 
  636. matrices for specific sequence types can be derived (e.g. for transmembrane 
  637. regions (37)).  Secondly, stochastic or iterative optimisation methods can be 
  638. used to refine initial alignments (7,9,10).   CLUSTAL W could be run with 
  639. several sets of starting parameters and in each case, the alignments refined 
  640. according to an objective function.   The search for a good objective function, 
  641. that takes into account the sequence and position specific information used in 
  642. CLUSTAL W is a key area of research.   Finally, the average number of 
  643. examples of each protein domain or family is growing steadily.  It is not only 
  644. important that programs can cope with the large volumes of data that are 
  645. being generated, they should be able to exploit the new information to make 
  646. the alignments more and more accurate.   Globally optimal alignments 
  647. (according to an objective function) may not always be possible but the 
  648. problem may be avoided if sufficiently large volumes of data become 
  649. available.  CLUSTAL W is a step in this direction.
  650.  
  651. ACKNOWLEDGEMENTS
  652.  
  653. Numerous people have offered advice and suggestions for improvements to 
  654. earlier versions of the CLUSTAL programs.  D.H. wishes to apologise to all of 
  655. the irate CLUSTAL V users who had to live with the bugs and lack of facilities 
  656. for getting trees in the New Hampshire format.  We wish to specifically thank 
  657. Jeroen Coppieters who suggested using a series of weight matrices and Steven 
  658. Henikoff for advice on using the BLOSUM matrices.  We are grateful to Rein 
  659. Aasland, Peer Bork, Ariel Blocker and BÄrtrand Seraphin for providing 
  660. challenging alignment problems.   T.G. and J.T. thank Kevin Leonard for 
  661. support and encouragement.  Finally, we thank all of the people who were 
  662. involved with various CLUSTAL programs over the years, namely: Paul 
  663. Sharp, Rainer Fuchs and Alan Bleasby.
  664.  
  665.  
  666. REFERENCES
  667.  
  668.  1.Feng, D.-F. and Doolittle, R.F. (1987). J. Mol. Evol. 25, 351-360.
  669.  2.Needleman, S.B. and Wunsch, C.D. (1970). J. Mol. Biol. 48, 443-453.
  670.  3.Dayhoff, M.O., Schwartz, R.M. and Orcutt, B.C. (1978)  in Atlas of Protein 
  671. Sequence and Structure, vol. 5, suppl. 3 (Dayhoff, M.O., ed.), pp 345-352, 
  672. NBRF, Washington.
  673.  4.Henikoff, S. and Henikoff, J.G. (1992). Proc. Natl. Acad. Sci. USA 89, 10915-
  674. 10919.
  675.  5.Lipman, D.J., Altschul, S.F. and Kececioglu, J.D. (1989). Proc. Natl. Acad. Sci. 
  676. USA 86, 4412-4415.
  677.  6.Barton, G.J. and Sternberg, M.J.E. (1987). J. Mol. Biol. 198, 327-337.
  678.  7.Gotoh, O. (1993). CABIOS 9, 361-370.
  679.  8.Altschul, S.F. (1989). J. Theor. Biol. 138, 297-309.
  680.  9.Lukashin, A.V., Engelbrecht, J. and Brunak, S. (1992). Nucl. Acids Res. 20, 
  681. 2511-2516.
  682. 10.Lawrence, C.E., Altschul, S.F., Boguski, M.S., Liu, J.S., Neuwald, A.F. and 
  683. Wooton, J.C. (1993). Science, 262, 208-214.
  684. 11.Vingron, M. and Waterman, M.S. (1993). J. Mol. Biol. 234, 1-12.
  685. 12.Pascarella, S. and Argos, P. (1992). J. Mol. Biol. 224, 461-471.
  686. 13.Collins, J.F. and Coulson, A.F.W. (1987). In Nucleic acid and protein 
  687. sequence analysis a practical approach, Bishop, M.J. and Rawlings, C.J. ed., 
  688. chapter 13, pp. 323-358.
  689. 14.Vingron, M. and Sibbald, P.R. (1993). Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 90, 8777-
  690. 8781.
  691. 15.Thompson, J.D., Higgins, D.G. and Gibson, T.J. (1994). CABIOS, 10, 19-29.
  692. 16.Lƒthy, R., Xenarios, I. and Bucher, P. (1994). Protein Science, 3, 139-146.
  693. 17.Higgins, D.G. and Sharp, P.M. (1988). Gene, 73, 237-244.
  694. 18.Higgins, D.G. and Sharp, P.M. (1989). CABIOS, 5, 151-153.
  695. 19.Higgins, D.G., Bleasby, A.J. and Fuchs, R. (1992). CABIOS, 8, 189-191.
  696. 20.Sneath, P.H.A. and Sokal, R.R. (1973). Numerical Taxonomy, W.H. 
  697. Freeman, San Francisco.
  698. 21.Saitou, N. and Nei, M. (1987). Mol. Biol. Evol. 4, 406-425.
  699. 22.Wilbur, W.J. and Lipman, D.J. (1983). Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 80, 726-
  700. 730.
  701. 23.Musacchio, A., Gibson, T., Lehto, V.-P. and Saraste, M. (1992). FEBS Lett. 
  702. 307, 55-61.
  703. 24.Musacchio, A., Noble, M., Pauptit, R., Wierenga, R. and Saraste, M. (1992). 
  704. Nature, 359, 851-855.
  705. 25.Bashford, D., Chothia, C. and Lesk, A.M. (1987). J. Mol. Biol. 196, 199-216.
  706. 26.Myers, E.W. and Miller, W. (1988). CABIOS, 4, 11-17.
  707. 27.Thompson, J.D. (1994). CABIOS, (Submitted).
  708. 28.Smith, T.F., Waterman, M.S. and Fitch, W.M. (1981). J. Mol. Evol. 18, 38-46.
  709. 29.Pearson, W.R. and Lipman, D.J. (1988). Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 85, 2444-
  710. 2448.
  711. 30.Devereux, J., Haeberli, P. and Smithies, O. (1984). Nucleic Acids Res. 12, 
  712. 387-395.
  713. 31.Felsenstein, J. (1989). Cladistics 5, 164-166.
  714. 32.Kimura, M. (1980). J. Mol. Evol. 16, 111-120.
  715. 33.Kimura, M. (1983). The Neutral Theory of Molecular Evolution.  
  716. Cambridge University Press, Cambridge.
  717. 34.Felsenstein, J. (1985). Evolution 39, 783-791.
  718. 35.Smith, R.F. and Smith, T.F. (1992) Protein Engineering 5, 35-41.
  719. 36.Krogh, A., Brown, M., Mian, S., SjÜlander, K. and Haussler, D. (1994) J. Mol. 
  720. Biol. 235-1501-1531.
  721. 37.Jones, D.T., Taylor, W.R. and Thornton, J.M.  (1994). FEBS Lett. 339, 269-275.
  722. 38.Bairoch, A. and BÜckmann, B. (1992) Nucleic Acids Res., 20, 2019-2022.
  723. 39.Noble, M.E.M., Musacchio, A., Saraste, M., Courtneidge, S.A. and 
  724. Wierenga, R.K. (1993) EMBO J. 12, 2617-2624.
  725. 40.Kabsch, W. and Sander, C. (1983) Biopolymers, 22, 2577-2637.
  726.  
  727. FIGURE LEGENDS
  728.  
  729. Figure 1.  The basic progressive alignment procedure, illustrated using a set of 
  730. 7 globins of known tertiary structure.  The sequence names are from Swiss 
  731. Prot (38):  Hba_Horse: horse alpha globin; Hba_Human: human alpha globin; 
  732. Hbb_Horse: horse beta globin; Hbb_Human: human beta globin; Myg_Phyca: 
  733. sperm whale myoglobin; Glb5_Petma: lamprey cyanohaemoglobin; 
  734. Lgb2_Luplu: lupin leghaemoglobin.   In the distance matrix, the mean 
  735. number of differences per residue is given.  The unrooted tree shows all 
  736. branch lengths drawn to scale.  In the rooted tree, all branch lengths (mean 
  737. number of differences per residue along each branch) are given as well as 
  738. weights for each sequence.  In the multiple alignment, the approximate 
  739. positions of the 7 alpha helices, common to all 7 proteins are shown.  This 
  740. alignment was derived using CLUSTAL W with default parameters and the 
  741. PAM (3) series of weight matrices.  
  742.  
  743. Figure 2.  The scoring scheme for comparing two positions from two 
  744. alignments.   Two sections of alignment with 4 and 2 sequences respectively 
  745. are shown.   The score of the position with amino acids T,L,K,K versus the 
  746. position with amino acids V and I is given with and without sequence 
  747. weights.  M(X,Y) is the weight matrix entry for amino acid X versus amino 
  748. acid Y.  Wn is the weight for sequence n.
  749.  
  750. Figure 3.  The variation in local gap opening penalty is plotted for a section of 
  751. alignment.  The inital gap opening penalty is indicated by a dotted line. Two 
  752. hydrophilic stretches are underlined.  The lowest penalties correspond to the 
  753. ends of the alignment, the hydrophilic stretches and the two positions with 
  754. gaps.   The highest values are within 8 residues of the two gap positions.  The 
  755. rest of the variation is caused by the residue specific gap penalties (12).
  756.  
  757. Figure 4.  CLUSTAL W Alignment of a set of SH3 domains taken from (23). 
  758. Secondary structure assignments for the solved Spectrin (24) and Fyn (39) 
  759. domains are according to DSSP (40). The alignment was generated in two 
  760. steps using default parameters. After full multiple alignment, the aligned 
  761. sequences were realigned. Segments which were correctly aligned in the 
  762. second pass are underlined. The single misaligned segment in H_P55 and the 
  763. misaligned residue in H_NCK/2 are boxed.
  764.  
  765. The sequences are coloured to illustrate significant features. All G (orange) 
  766. and P (yellow) are coloured. Other residues matching a frequent occurrence of 
  767. a property in a column are coloured: hydrophobic = blue; hydrophobic 
  768. tendency = light blue; basic = red; acidic = purple; hydrophilic = green; White 
  769. = unconserved. The alignment figure was prepared with the GDE sequence 
  770. editor (S. Smith, Harvard University) and COLORMASK (J. Thompson, 
  771. EMBL).
  772.  
  773.  
  774.  
  775.  
  776. Table 1.  Pascarella and Argos residue specific gap modification factors.   
  777. -----------------------------------------------------------------------------------
  778. A    1.13        M    1.29
  779. C    1.13        N    0.63
  780. D    0.96        P    0.74
  781. E    1.31        Q    1.07
  782. F    1.20        R    0.72
  783. G    0.61        S    0.76
  784. H    1.00        T    0.89
  785. I    1.32        V    1.25
  786. K    0.96        Y    1.00
  787. L    1.21        W    1.23
  788. -----------------------------------------------------------------------------------
  789. The values are normalised around a mean value of 1.0 for H.  The lower the 
  790. value, the greater the chance of having an adjacent gap.  These are derived 
  791. from the original table of relative frequencies of gaps adjacent to each residue 
  792. (12) by subtraction from 2.0.
  793.  
  794.  
  795.