ハマー

ハマー

開発者	ショーン・エディ、トラビス・ウィーラー、HMMER 開発チーム
安定版リリース	3.4 [1] / 2023年8月15日; 15か月前 （2023年8月15日）
リポジトリ	github.com/EddyRivasLab/hmmer
書かれた	Ｃ
利用可能	英語
タイプ	バイオインフォマティクスツール
ライセンス	BSD-3
Webサイト	詳しくはこちら

HMMERは、Sean Eddyによって書かれた、無料で広く使われている配列解析用ソフトウェアパッケージです。^[2]一般的な用途は、相同なタンパク質またはヌクレオチド配列を識別し、配列アライメントを実行することです。プロファイルHMM（特定の検索用に明示的に構築された隠れマルコフモデル）を単一の配列または配列データベースと比較することで相同性を検出します。ヌルモデルと比較してプロファイルHMMに対して大幅に優れたスコアを示す配列は、プロファイルHMMの構築に使用された配列と相同であると見なされます。プロファイルHMMは、hmmbuildプログラムを使用して、HMMERパッケージの複数の配列アライメントから構築されます。HMMERソフトウェアで使用されるプロファイルHMMの実装は、Kroghと同僚の研究に基づいています。^[3] HMMERは、Linux、Windows、macOSのさまざまなバージョンを含む、すべての主要なオペレーティングシステムに移植されたコンソールユーティリティです。

HMMERは、 PfamやInterProなどのタンパク質ファミリー データベースのベースとなるコア ユーティリティです。UGENE などの他のバイオインフォマティクス ツールも HMMER を使用しています。

HMMER3は、計算速度を上げるためにベクトル命令を多用しています。この研究は、2つの配列を整列させるスミス・ウォーターマンアルゴリズムの大幅な高速化を示した以前の論文に基づいています。^[4]

プロファイル HMM は、生物学的配列に特化している HMM の変種です。プロファイル HMM は、複数の配列アラインメントを位置固有のスコアリング システムに変換します。このシステムを使用して、配列をアラインメントし、データベースで遠く離れた相同配列を検索できます。^[5]プロファイル HMM は、配列アラインメント内の特定の位置には、残基が発生する可能性が最も高いバイアスがあり、挿入または削除が含まれる確率が異なる傾向があるという事実を活用します。この情報を取得することで、アラインメント内のどこで発生するかに関係なく、置換、挿入、削除を均等にペナルティする従来のBLASTベースのアプローチよりも、真の相同性を検出する能力が向上します。^[6]

プロファイル HMM は、マッチ (M) 状態の線形セットを中心に構成され、1 つの状態が配列アラインメントの各コンセンサス列に対応します。各 M 状態は、単一の残基 (アミノ酸またはヌクレオチド) を放出します。特定の残基を放出する確率は、主にその残基がアラインメントのその列で観察された頻度によって決まりますが、配列アラインメントの同じ列で共存する傾向がある残基のパターンに関する事前情報も組み込まれています。特定の頻度でアミノ酸を放出するこのマッチ状態の文字列は、位置固有のスコア マトリックスまたは重みマトリックスに類似しています。^[5]

プロファイル HMM は、挿入と削除をそれぞれ I 状態と D 状態を使用してモデル化することで、配列アラインメントのモデリングをさらに進めます。D 状態は残基を放出しませんが、I 状態は残基を放出します。複数の I 状態が連続して発生する可能性があり、これはアラインメント内のコンセンサス列間の複数の残基に対応します。M、I、および D 状態は状態遷移確率によって接続されています。状態遷移確率も配列アラインメント内の位置によって異なり、配列アラインメント全体での挿入と削除の頻度の違いを反映しています。^[5]

HMMER2 および HMMER3 リリースでは、モデルによって捕捉された 7 つの状態にちなんで Plan 7 アーキテクチャと呼ばれるプロファイル HMM を構築するためのアーキテクチャが使用されました。3 つの主要な状態 (M、I、D) に加えて、6 つの追加状態がアライメント内の非相同な隣接配列を捕捉します。これらの 6 つの状態は、シーケンスがモデルにアライメントされる方法を制御するために重要です。たとえば、シーケンスが同じモデルに複数の連続ヒットを持つことができるかどうか (同じドメインの複数のインスタンスを持つシーケンスの場合)。^[7]

HMMERパッケージは、プロファイル隠れマルコフモデルを使用して機能を実行するためのプログラムのコレクションで構成されています。^[8]プログラムには以下が含まれます。

• hmmbuild – 複数の配列アライメントからプロファイル HMM を構築

• hmmscan – プロファイル HMM データベースに対してタンパク質配列を検索
• hmmsearch – シーケンスデータベースに対してプロファイル HMM を検索する
• jackhmmer – タンパク質データベースに対して反復的に配列を検索する
• nhmmer – DNA/RNA 配列データベースに対して DNA/RNA クエリを検索します
• nhmmscan – ヌクレオチドプロファイルに対してヌクレオチド配列を検索する
• phmmer – タンパク質データベースに対してタンパク質配列を検索する

• hmmalign – シーケンスをプロファイル HMM に揃える
• hmmemit – プロファイル HMM からサンプルシーケンスを生成する
• hmmlogo – HMM ファイルからHMM ロゴのデータを生成します

パッケージには、その他の多数の特殊な機能が含まれています。

ソフトウェアパッケージに加えて、HMMER検索機能はウェブサーバーの形でも利用できます。^[9]このサービスは、UniProt、SwissProt、Protein Data Bankなどの配列データベースや、 Pfam、TIGRFAMs、SUPERFAMILYなどのHMMデータベースを含むさまざまなデータベースの検索を容易にします。phmmer、hmmsearch、hmmscan、jackhmmerの4つの検索タイプがサポートされています（プログラムを参照）。検索機能は、単一の配列だけでなく、配列アライメントやプロファイルHMMも受け入れます。^[10]

検索結果には、分類の内訳とヒットのドメイン構成に関するレポートが添付されます。検索結果は、いずれかのパラメータに従ってフィルタリングできます。

このウェブサービスは現在、英国の欧州バイオインフォマティクス研究所（EBI）で運営されていますが、アルゴリズムの開発は米国のショーン・エディのチームによって行われています。 ^[9]ウェブサービスを移転した主な理由は、EBIのコンピューティングインフラストラクチャを活用し、HMMER検索をEBIが管理する関連データベースと相互リンクするためでした。

HMMER の最新の安定リリースはバージョン 3.0 です。HMMER3 は、プロファイル HMM 検索の速度を向上させることを目的として、以前の HMMER2 パッケージを完全に書き直したものです。主な変更点は次のとおりです。

2004年に開始されたHMMER3プロジェクトの主な目的は、HMMER検索の速度を向上させることでした。プロファイルHMMベースの相同性検索はBLASTベースのアプローチよりも正確でしたが、速度が遅いため適用範囲が限られていました。^[8]主なパフォーマンスの向上は、データベースシーケンス内でクエリプロファイルに対して高スコアのギャップのない一致を見つけるヒューリスティックフィルターによるものです。このヒューリスティックにより、精度にほとんど影響を与えることなくBLASTと同等の計算時間が得られます。パフォーマンスのさらなる向上は、E値を推定するための較正を必要とせず、より正確なフォワードスコアを使用して相同シーケンスの重要性を計算することを可能にする対数尤度モデルによるものです。^{[11] [6]}

HMMERはDNAベースの検索速度では依然としてBLASTに遅れをとっていますが、DNAベースの検索は速度の向上が精度を犠牲にするように調整することができます。^[12]

速度の大幅な向上は、可能なアラインメントの範囲にわたって統合された結果の重要性を計算するアプローチの開発によって可能になりました。^[11]リモートホモログの発見では、クエリタンパク質とヒットタンパク質間のアラインメントが非常に不確実であることがよくあります。ほとんどの配列アラインメントツールは、最高スコアのアラインメントのみを使用して一致スコアを計算しますが、HMMER3は、どのアラインメントが最適であるかの不確実性を考慮するために、可能なすべてのアラインメントにわたって統合して一致スコアを計算します。HMMER配列アラインメントには事後確率注釈が付いており、アラインメントのどの部分に高い信頼性が割り当てられ、どの部分がより不確実であるかを示します。

HMMER3 の主な改善点は、DNA/DNA 比較ツールが組み込まれたことです。HMMER2 には、タンパク質配列を比較する機能しかありませんでした。

HMMER2 はローカル アライメント (完全なモデルをターゲットのサブシーケンスにアライメントする) とグローバル アライメント (完全なモデルを完全なターゲット シーケンスにアライメントする) を実行できましたが、HMMER3 はローカル アライメントのみを実行します。この制限は、新しいアルゴリズムを使用してローカル/グローバル アライメントを実行するときにヒットの有意性を計算するのが難しいことに起因します。

• 隠れマルコフモデル
• 配列アライメントソフトウェア
• パム
• ウゲネ

プロファイル HMM メソッドと関連する位置固有のスコアリング マトリックス メソッドの実装はいくつかあります。以下にいくつかを示します。

• HHスイート
• サム
• PSIブラスト
• MMシーケンス2
• PFTOOLS
• ジェネワイズ
• PROBE ^{[永久リンク切れ‍ ]}
• メタミーム
• ブロック
• GPU-HMMER
• デサイファーHMM

• 公式サイト
• HMMER3 のお知らせ
• 商標、著作権、特許、ライセンスに関する HMMER のポリシーに関するブログ投稿