بلوسام

ماتریس‌های بلوسام (BLOSUM) (ماتریس بلوک‌های جایگزینی) یک ماتریس جایگزینی است که در هم ترازی توالی‌های پروتئینی استفاده می‌شود. این ماتریس‌ها برای امتیازدهی هم ترازی‌های توالی‌های پروتئینی که در تکامل از یکدیگر متمایز شده‌اند، استفاده می‌شود و بر مبنای هم ترازی محلی می‌باشند. ماتریس بلوسام برای اولین بر در مقاله‌ای توسط Henikoff معرفی شد. آنها پایگاه دادهٔ بلوک‌ها را برای پیدا کردن مناطق حفاظت شده در پروتئین‌ها پیمایش کردند (مناطقی که در هم ترازی دنباله وقفه وجود ندارد) و فرکانس‌های آمینو اسیدهای مرتبط و احتمال‌های جایگزینی را به دست آوردند. سپس امتیاز لوجیت هر ۲۱۰ جایگزینی ممکن بین ۲۰ پروتئین استاندارد را محاسبه نمودند. بر خلاف ماتریس‌های PAM که بر پایه مقایسه بین پروتئین نزدیک برون‌یابی می‌شود، ماتریس‌های بلوسام بر پایهٔ هم ترازی‌های مشاهده‌شده ساخته شده‌است.

پس زمینهٔ زیستی

دستورالعمل‌های ژنتیکی هر سلول از یک موجود زنده در DNA آن ذخیره شده است. در طول حیات سلول، این اطلاعات برای تولید پروتئین یا برای تقسیم سلولی رونویسی می‌شوند و احتمال آن وجود دارد که این محتویات در حین این فرایندها دستخوش تغییر شوند. این تغییر به عنوان جهش شناخته شده است. در سطح مولکولی سیستم‌های تنظیم کننده ای هستند که بیشتر این جهش‌ها را اصلاح می‌کنند.
عملکرد پروتئین‌ها بسیار وابسته به ساختار آن‌ها است. تغییر یک آمینواسید در پروتئین ممکن است کارآمدی آن را برای انجام وظیفهٔ مربوطه کاهش یا کارکرد آن را تغییر دهد. تغییرات این چنینی می‌توانند یک عملکرد حیاتی در سلول را مختل کنند یا حتی منجر به مرگ سلول شوند. در مقابل، این تغییر ممکن است به سلول اجازه ادامهٔ فعالیت هرچند متفاوت را بدهدو جهش به فرزندان موجودات زنده منتقل شود. اگر این تغییر باعث ضعف جسمی قابل توجهی نشود این احتمال وجود دارد که جهش در جمعیت باقی بماند. همچنین این امکان وجود دارد که تغییر در عملکرد یک تغییر مفید باشد.
۲۰ اسید آمینه ترجمه شده توسط کد ژنتیکی تا حدود زیادی از نظر خواص فیزیکی و شیمیایی زنجیره‌های جانبی آنها متفاوت هستند. این اسیدهای آمینه می‌تواند به طبقه‌بندی به گروه‌های مشابه با خواص فیزیکوشیمیایی. جایگزین کردن یک اسید آمینه با یکی دیگر از همان دسته است بیشتر احتمال دارد به یک کوچکتر تأثیر بر ساختار و عملکرد پروتئین از جایگزینی با یک اسید آمینه از رده‌های مختلف.
همترازی توالی‌ها یک روش اساسی برای تحقیقات زیست‌شناسی مدرن است. رایج‌ترین همردیفی توالی‌های پروتئین، جستجوی شباهت بین توالی‌های مختلف به منظور فهم تفاوت تکاملی توالی‌های پروتئینی به منظور پیش بینی وظیفهٔ ژن‌های جهش یافته است. ماتریس‌ها در الگوریتم‌های محاسبهٔ میزان شباهت توالی‌ها استفاده می‌شوند

اصطلاحات

بلوسام: ماتریس جایگزینی بلوک‌ها، یک ماتریس جایگزینی که برای هم ترازی توالی‌های پروتئین استفاده می‌شود.
ماتریس‌های امتیازدهی (آمار در مقابل زیست‌شناسی): برای معنا یافتن ارزیابی هم ترازی توالی‌ها نیاز به ماتریس امتیازدهی یا جدولی است که بیانگر احتمال جایگزینی معنادار جفت آمینواسیدها یا جفت نوکلئوتیدها در یک همتراری است. امتیازها برای هر موقعیت مکانی از همترازی محلی پروتئین‌ها بدست می‌آیند.
دسته‌های متعددی از ماتریس‌های بلوسام با استفاده از پایگاه‌های داده وابسته به هم ترازی‌های متفاوت وجود دارند که با عددهای متفاوت نامگذاری می‌شوند. ماتریس‌های بلوسام با اعداد بزرگتر برای مقایسهٔ توالی‌های نزدیک به هم طراحی شده‌اند در حالیکه ماتریس‌هایی با اعداد کوچکتر این عمل را برای توالی‌های نسبتاً دور انجام می‌دهند. به عنوان مثال BLOSUM80 برای هم ترازی توالی‌هایی با تفاوت کمتر و BLOSUM45 برای هم تراری توالی‌های متفاوت تر استفاده می‌شود
ماتریس‌ها توسط ادغام کردن همهٔ دنباله‌هایی که از درصدی که به یک دنباله داده می‌شود شبیه تر هستند ساخته می‌شود، و سپس تنها آن دنباله‌ها را مقایسه می‌کند. درصد مذکور به نام ماتریس افزوده می‌شود. برای نمونه BLOSUM۸۰، از ادغام کردن دنباله‌هایی با یکسانی بیش از ۸۰ درصد تولید می‌شود.

ساخت ماتریس‌های بلوسام

ماتریس‌های بلوسام با استفاده از اعمال روش‌های آماری بر بلوک‌های آمینواسیدهای مشابه برای بدست آوردن امتیازهای شباهت بدست می‌آیند.
مراحل روش‌های آماری:

حذف توالی

حذف توالی‌های با میزان شباهت بیشتر از r%.
دو روش برای حذف توالی‌ها وجود دارد. یا می‌توان توالی‌ها را از بلوک مربوطه حذف کرد یا توالی‌های مشابه را یافته و با توالی‌های جدیدی که می‌توانید نمایندهٔ خوشه‌های مربوطه باشند جایگزین نمود. این عمل برای جلوگیری از بایاس نتیجه به نفع پروتئین‌های مشابه صورت می‌گیرد.

محاسبه فرکانس و احتمال

پایگاه داده ای برای ذخیره‌سازی هم ترازی توالی‌هایی از نواحی با بیشترین حفاظت از خانوادهٔ پروتئین‌ها.
این هم ترازی‌ها برای بدست آوردن ماتریس بلوسام استفاده می‌شوند. نواحی حفاظت شده، نواحی ای از آمینواسیدها هستند که تغییر جزئی بین آن‌ها وجود دارد.

نرخ Log Odd

از رابطهٔ زیر بدست می‌آید.
که در آن  احتمال مشاهده شده و  احتمال مورد انتظار است.

BLOSUM ماتریس

میزان شانس شباهت توسط نرخ Log Odd محاسبه شده و ماتریس‌های بلوسام از گرد کردن این مقادیر بدست می‌آیند.

مثال - BLOSUM62

بلوسام۶۲: پروتئین‌های با ارتباط متوسط
بلوسام۸۰: پروتئین‌های مرتبط تر
بلوسام۴۵: پروتئین‌های با ارتباط کمتر
مقاله‌ای در Nature Biotechnology نشان داد کهBLOSUM۶۲ که سالیان سال است به عنوان استاندارد استفاده می‌شود طبق الگوریتمی که هنیکوف ارائه داده دقیقاً صحیح نیست. در کمال تعجب، بلوسام اشتباه محاسبه شده، کارایی جستجو را ارتقا می‌دهد.

کاربردهای پژوهشی

امتیازهای بلوسام در پیش بینی و درک انواع ژن سطحی در میان حامل‌های ویروس هپاتیت B حامل و اپیتوپ‌های لنفوسیت تی مورد استفاده قرار گرفته است

استفاده در BLAST

ماتریس‌های بلوسام هم چنین به عنوان ماتریس امتیاز دهی در مقایسهٔ توالی‌های DNA و توالی‌های پروتئین برای ارزیابی کیفیت هم ترازی استفاده می‌شود. برای این شکل از سیستم امتیازدهی نرم‌افزارهای گسترده ای من جمله بلاست وجود دارد.