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   1 #summary Tutorial for multiple sequence alignments and phylogenetic methods in BioRuby -- under development!
   2
   3
   4
   5 = Introduction =
   6
   7 Under development!
   8
   9 Tutorial for multiple sequence alignments and phylogenetic methods in [http://bioruby.open-bio.org/ BioRuby].
  10
  11 Eventually, this is expected to be placed on the official !BioRuby page.
  12
  13 Author: [http://www.cmzmasek.net/ Christian M Zmasek], Sanford-Burnham Medical Research Institute
  14
  15
  16 Copyright (C) 2011 Christian M Zmasek
  17
  18
  19 = Multiple Sequence Alignments =
  20
  21
  22 == Multiple Sequence Alignment Input and Output ==
  23
  24 === Reading in a Multiple Sequence Alignment from a File ===
  25
  26 The following example shows how to read in a *ClustalW*-formatted multiple sequence alignment.
  27
  28 {{{
  29 #!/usr/bin/env ruby
  30 require 'bio'
  31
  32 # Reads in a ClustalW-formatted multiple sequence alignment
  33 # from a file named "infile_clustalw.aln" and stores it in 'report'.
  34 report = Bio::ClustalW::Report.new(File.read('infile_clustalw.aln'))
  35
  36 # Accesses the actual alignment.
  37 msa = report.alignment
  38
  39 # Goes through all sequences in 'msa' and prints the
  40 # actual molecular sequence.
  41 msa.each do |entry|
  42   puts entry.seq
  43 end
  44 }}}
  45
  46
  47
  48 === Writing a Multiple Sequence Alignment to a File ===
  49
  50
  51 The following example shows how to write a multiple sequence alignment in *FASTA*-format. It first creates a file named "outfile.fasta" for writing ('w') and then writes the multiple sequence alignment referred to by variable 'msa' to it in FASTA-format (':fasta').
  52
  53 {{{
  54 #!/usr/bin/env ruby
  55 require 'bio'
  56
  57 # Creates a new file named "outfile.fasta" and writes
  58 # multiple sequence alignment 'msa' to it in fasta format.
  59 File.open('outfile.fasta', 'w') do |f|
  60   f.write(msa.output(:fasta))
  61 end
  62 }}}
  63
  64 ==== Setting the Output Format ====
  65
  66 The following constants determine the output format.
  67
  68   * ClustalW: `:clustal`
  69   * FASTA:    `:fasta`
  70   * PHYLIP interleaved (will truncate sequence names to no more than 10 characters): `:phylip`
  71   * PHYLIP non-interleaved (will truncate sequence names to no more than 10 characters): `:phylipnon`
  72   * MSF: `:msf`
  73   * Molphy: `:molphy`
  74
  75
  76 For example, the following writes PHYLIP's non-interleaved format:
  77
  78 {{{
  79 f.write(align.output(:phylipnon))
  80 }}}
  81
  82
  83 == Formats for individual sequences ==
  84
  85 _... to be done_
  86
  87 !BioRuby can format molecular sequences in a variety of formats.
  88 Individual sequences can be formatted to (e.g.) Genbank format as shown in the following examples.
  89
  90 For Sequence objects:
  91 {{{
  92 seq.to_seq.output(:genbank)
  93 }}}
  94
  95 For Bio::!FlatFile entries:
  96 {{{
  97 entry.to_biosequence.output(:genbank)
  98 }}}
  99
 100 Constants for available formats are:
 101   * Genbank :genbank
 102
 103
 104 == Calculating Multiple Sequence Alignments ==
 105
 106 !BioRuby can be used to execute a variety of multiple sequence alignment
 107 programs (such as [http://mafft.cbrc.jp/alignment/software/ MAFFT], [http://probcons.stanford.edu/ Probcons], [http://www.clustal.org/ ClustalW], [http://www.drive5.com/muscle/ Muscle], and [http://www.tcoffee.org/Projects_home_page/t_coffee_home_page.html T-Coffee]).
 108 In the following, examples for using the MAFFT and Muscle are shown.
 109
 110
 111 === MAFFT ===
 112
 113 The following example uses the MAFFT program to align four sequences
 114 and then prints the result to the screen.
 115 Please note that if the path to the MAFFT executable is properly set `mafft=Bio::MAFFT.new(options)` can be used instead of explicitly indicating the path as in the example.
 116
 117 {{{
 118 #!/usr/bin/env ruby
 119 require 'bio'
 120
 121 # 'seqs' is either an array of sequences or a multiple sequence
 122 # alignment. In general this is read in from a file as described in ?.
 123 # For the purpose of this tutorial, it is generated in code.
 124 seqs = ['MFQIPEFEPSEQEDSSSAER',
 125         'MGTPKQPSLAPAHALGLRKS',
 126         'PKQPSLAPAHALGLRKS',
 127         'MCSTSGCDLE']
 128
 129
 130 # Calculates the alignment using the MAFFT program on the local
 131 # machine with options '--maxiterate 1000 --localpair'
 132 # and stores the result in 'report'.
 133 options = ['--maxiterate', '1000', '--localpair']
 134 mafft = Bio::MAFFT.new('path/to/mafft', options)
 135 report = mafft.query_align(seqs)
 136
 137 # Accesses the actual alignment.
 138 align = report.alignment
 139
 140 # Prints each sequence to the console.
 141 align.each { |s| puts s.to_s }
 142
 143 }}}
 144
 145 References:
 146
 147  * Katoh, Toh (2008) "Recent developments in the MAFFT multiple sequence alignment program" Briefings in Bioinformatics 9:286-298
 148
 149  * Katoh, Toh 2010 (2010) "Parallelization of the MAFFT multiple sequence alignment program" Bioinformatics 26:1899-1900
 150
 151
 152
 153 === Muscle ===
 154
 155 {{{
 156 #!/usr/bin/env ruby
 157 require 'bio'
 158
 159 # 'seqs' is either an array of sequences or a multiple sequence
 160 # alignment. In general this is read in from a file as described in ?.
 161 # For the purpose of this tutorial, it is generated in code.
 162 seqs = ['MFQIPEFEPSEQEDSSSAER',
 163         'MGTPKQPSLAPAHALGLRKS',
 164         'PKQPSLAPAHALGLRKS',
 165         'MCSTSGCDLE']
 166
 167 # Calculates the alignment using the Muscle program on the local
 168 # machine with options '-quiet -maxiters 64'
 169 # and stores the result in 'report'.
 170 options = ['-quiet', '-maxiters', '64']
 171 muscle = Bio::Muscle.new('path/to/muscle', options)
 172 report = muscle.query_align(seqs)
 173
 174 # Accesses the actual alignment.
 175 align = report.alignment
 176
 177 # Prints each sequence to the console.
 178 align.each { |s| puts s.to_s }
 179
 180 }}}
 181
 182 References:
 183
 184  * Edgar, R.C. (2004) "MUSCLE: multiple sequence alignment with high accuracy and high throughput" Nucleic Acids Res 32(5):1792-1797
 185
 186 === Other Programs ===
 187
 188 _need more detail here..._
 189
 190 [http://probcons.stanford.edu/ Probcons], [http://www.clustal.org/ ClustalW], and [http://www.tcoffee.org/Projects_home_page/t_coffee_home_page.html T-Coffee] can be used in the same manner as the programs above.
 191
 192
 193
 194 == Manipulating Multiple Sequence Alignments ==
 195
 196 Oftentimes, multiple sequence to be used for phylogenetic inference are 'cleaned up' in some manner. For instance, some researchers prefer to delete columns with more than 50% gaps. The following code is an example of how to do that in !BioRuby.
 197
 198
 199 _... to be done_
 200
 201 {{{
 202 #!/usr/bin/env ruby
 203 require 'bio'
 204
 205 }}}
 206
 207
 208 ----
 209
 210 = Phylogenetic Trees =
 211
 212
 213 == Phylogenetic Tree Input and Output ==
 214
 215
 216 === Reading in of Phylogenetic Trees ===
 217
 218
 219
 220 ====Newick or New Hampshire Format====
 221
 222 _... to be done_
 223
 224 {{{
 225 #!/usr/bin/env ruby
 226 require 'bio'
 227
 228 }}}
 229
 230 ====phyloXML Format====
 231
 232 Partially copied from [https://www.nescent.org/wg_phyloinformatics/BioRuby_PhyloXML_HowTo_documentation Diana Jaunzeikare's documentation].
 233
 234 In addition to !BioRuby, a libxml Ruby binding is also required. This can be installed with the following command:
 235
 236 {{{
 237 % gem install -r libxml-ruby
 238 }}}
 239
 240 This example reads file "example.xml" and stores its [http://www.phyloxml.org/ phyloXML]-formatted trees in variable 'trees'.
 241
 242 {{{
 243 #!/usr/bin/env ruby
 244 require 'bio'
 245
 246 # This creates new phyloXML parser.
 247 trees = Bio::PhyloXML::Parser.new('example.xml')
 248
 249 # This prints the names of all trees in the file.
 250 trees.each do |tree|
 251   puts tree.name
 252 end
 253
 254 # If there are several trees in the file, you can access the one you wish via index.
 255 tree = trees[3]
 256
 257 }}}
 258
 259
 260
 261 === Writing of Phylogenetic Trees ===
 262
 263 ====Newick or New Hampshire Format====
 264
 265 _... to be done_
 266
 267 {{{
 268 #!/usr/bin/env ruby
 269 require 'bio'
 270
 271 }}}
 272
 273 ====phyloXML Format====
 274
 275 Partially copied from [https://www.nescent.org/wg_phyloinformatics/BioRuby_PhyloXML_HowTo_documentation Diana Jaunzeikare's documentation].
 276
 277 In addition to !BioRuby, a libxml Ruby binding is also required. This can be installed with the following command:
 278
 279 {{{
 280 % gem install -r libxml-ruby
 281 }}}
 282
 283 This example writes trees 'tree1' and 'tree2' to file "tree.xml" in [http://www.phyloxml.org/ phyloXML] format.
 284
 285 {{{
 286 #!/usr/bin/env ruby
 287 require 'bio'
 288
 289 # this creates new phyloXML writer.
 290 writer = Bio::PhyloXML::Writer.new('tree.xml')
 291
 292 # Writes tree to the file "tree.xml".
 293 writer.write(tree1)
 294
 295 # Adds another tree to the file.
 296 writer.write(tree2)
 297
 298
 299 }}}
 300
 301
 302
 303 == Phylogenetic Inference ==
 304
 305 _Currently !BioRuby does not contain wrappers for phylogenetic inference programs, thus I am progress of writing a RAxML wrapper followed by a wrapper for FastME..._
 306
 307 _What about pairwise distance calculation?_
 308
 309
 310
 311 == Maximum Likelihood ==
 312
 313 === RAxML ===
 314
 315 _... to be done_
 316
 317 {{{
 318 #!/usr/bin/env ruby
 319 require 'bio'
 320
 321 }}}
 322
 323
 324 === PhyML ===
 325
 326 _... to be done_
 327
 328 {{{
 329 #!/usr/bin/env ruby
 330 require 'bio'
 331
 332 }}}
 333
 334 == Pairwise Distance Based Methods ==
 335
 336 === FastME ===
 337
 338 _... to be done_
 339
 340 {{{
 341 #!/usr/bin/env ruby
 342 require 'bio'
 343
 344 }}}
 345
 346
 347
 348 === PHYLIP? ===
 349
 350
 351
 352 == Support Calculation? ==
 353
 354 === Bootstrap Resampling? ===
 355
 356
 357 ----
 358
 359 = Analyzing Phylogenetic Trees =
 360
 361 == PAML ==
 362
 363
 364 == Gene Duplication Inference ==
 365
 366 _need to further test and then import GSoC 'SDI' work..._
 367
 368
 369 == Others? ==
 370
 371
 372 ----
 373
 374 = Putting It All Together =
 375
 376 Example of a small "pipeline"-type program running a mininal phyogenetic analysis: starting with a set of sequences and ending with a phylogenetic tree.
 377