基因家族分析：从数据准备到结果可视化
基因家族分析：从数据准备到结果可视化
基因家族分析是生物信息学领域的重要研究内容之一，通过对基因家族的筛选和分析，可以揭示物种间的进化关系，发现与物种特异性相关的基因。本文将详细介绍基因家族分析的基本概念、研究意义以及具体的操作流程，包括数据下载、可变剪切去除、HMM筛选、BLAST筛选等关键步骤，并介绍如何使用相关工具进行结果可视化。
基因家族成员筛选与分析
基因家族
基因家族是来源于同一个祖先，由一个基因通过基因重复而产生两个或更多的拷贝而构成的一组基因，它们在结构和功能上具有明显的相似性，编码相似的蛋白质产物。
研究基因家族的意义
- 基因家族的基因在物种之间都是比较保守的，通过基因家族分析可以得到某物种特有的家族基因，而这些基因则有可能与该物种的特异性有关。（筛选）
- 通过对多物种构建系统发育树，从而得到物种起源进化或亲缘关系方面的信息，并为后续遗传操作提供参考。（进化树）
- 通过分析家族基因在进化过程受到的正向选择，确定与该物种环境适应性相关的基因。（Ka/Ks）
主要工具：TBtools
TBtools 是一个功能强大的生物信息学工具集，广泛应用于基因组学和转录组学数据分析。具体下载链接如下：
https://tbtools.cowtransfer.com/s/0a9cbf41b47b4a
1. 数据库下载
1.1 EnsemblPlants
EnsemblPlants 是一个专门针对植物基因组数据的数据库，提供了丰富的植物基因组信息。访问地址如下：
http://plants.ensembl.org/info/data/ftp/index.html
1.2 Phytozome 13
Phytozome 是一个综合性的植物基因组数据库，提供了多个植物物种的基因组和转录组数据。访问地址如下：
https://phytozome-next.jgi.doe.gov/
2. 去除可变剪切
在基因家族分析中，去除可变剪切是重要的预处理步骤，以确保后续分析的准确性。
3. 隐马尔可夫模型 (HMM: Hidden Markov Model)
HMM（隐马尔可夫模型）是一种统计模型，从可观察的参数中确定该过程的隐含参数，然后利用这些参数来作进一步的分析。
相关资源链接：
https://www.ebi.ac.uk/interpro/entry/pfam/#table
4. 基因家族成员筛选
4.1 利用HMM进行筛选
在这一阶段，需要从数据库中提取fasta序列，用于后续的HMM筛选。
4.2 本地blast筛选
本地BLAST筛选是基因家族分析中的重要步骤，用于识别相似的蛋白质序列。
4.2.1 下载：
https://ftp.ncbi.nlm.nih.gov/blast/executables/blast+/LATEST/
4.2.2 安装
4.2.3 用户环境变量设置
在Windows系统中，可以通过以下步骤设置环境变量：
此电脑-属性-高级系统设置-环境变量
在用户变量下方：新建-变量名：balstdb，变量值为电脑安装好新建的db文件夹的路径
在系统变量下方：Path-添加变量值为电脑上bin文件夹位置
4.2.4 本地blast筛选
将整理好的蛋白组数据（fasta）放入到db文件夹中，在Windows PowerShell中运行以下代码：
#第一步，格式化数据库
makeblastdb.exe -in Gmax_275_Wm82.a2.v1.protein.Repre.fa -parse_seqids -hash_index -dbtype prot
在db文件夹下创建target.txt的文本文件，将用来blast的fasta序列放入
在db 文件夹下创建out.txt的文本文件，用于记录blast结果
blastp.exe -task blastp -query target.txt -db Gmax_275_Wm82.a2.v1.protein.Repre.fa -out out.txt -evalue 1e-10 -outfmt 6 -num_threads 2
合并HMM结果和blast结果，提取fasta序列，用于后续分析。
5. 结构与预测
5.1 SMART
SMART 是一个用于蛋白质结构域和功能预测的在线工具。访问地址如下：
http://smart.embl-heidelberg.de/smart/set_mode.cgi?NORMAL=1
5.2 CDD
CDD（Conserved Domain Database）是NCBI维护的一个蛋白质保守域数据库。访问地址如下：
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/Structure/cdd/wrpsb.cgi
6. 结构域可视化
6. 系统发育进化树
6.1 工具：MEGA
MEGA 是一个功能强大的生物信息学软件，用于构建和分析系统发育树。访问地址如下：
6.1.1 构建进化树
6.1.2 进化树可视化