PythonでBLASTする！（BLAST結果のXML解析）【Python】

BLAST検索の結果はテキスト文書、タブ区切り、XML形式など選択できますが、プログラムによる解析を行うのであればXML形式が適しています。ここでは、XML形式で取得したBLAST検索結果の解析方法を説明します。

バイオインフォマティクス環境

以下の方法で構築した環境であることを前提として説明します。

• Windows10 + WSL (WindowsユーザーのためのPythonを用いたゲノム解析環境)

※ 検証はしていませんが、プログラム自体は基本的にmacOS、Linuxでも動作すると思われます。

ここで使用したアプリケーションのバージョンは以下の通りです。

• Python 3.7.6
• Biopython 1.76　　→ Biopythonについて
• BLAST 2.10.0+

BLAST検索結果の解析方法

ローカルBLASTの結果の取得

コマンド例 (PythonでBLASTする！（ローカルBLASTの実行）)で行ったBLAST検索を解析してみます(クエリ配列は変更しています)。まずは、このコマンドをXMLファイルとして結果を取得するように以下のように変更します。なお、あらかじめDBは作成しておく必要があります(コマンド例)。

# クエリ配列を取得します
from Bio import TogoWS, SeqIO
with TogoWS.entry('nucleotide', '1842280863', 'fasta') as handle:
    record = SeqIO.read(handle, "fasta")
    SeqIO.write(record, '1842280863.fasta', 'fasta')

# PCのCPUコア数の取得（並列化処理のため）
import multiprocessing
core = multiprocessing.cpu_count()
 
# ローカルBLASTの実行
from Bio.Blast import Applications
cline = Applications.NcbiblastnCommandline(query='1842280863.fasta', db='Homo_sapiens.GRCh38.dna.toplevel.fa', out='blastn-out.xml', outfmt=5, num_threads=core)
stdout, stderr = cline()

これでBLAST結果をXMLで出力されたBLAST結果を、blastn-out.xmlとして保存しました。この結果を解析するには、以下のようにBio.Blast.NCBIXMLモジュールのread関数を用いて、blastn-out.xmlをBio.Blast.Record.BLastオブジェクトとして取得します。

# 出力ファイルの読み込み
from Bio.Blast import NCBIXML
with open('blastn-out.xml', 'rt') as handle:
    blast_result = NCBIXML.read(handle)

PythonからローカルBLASTを操作する方法は以下の記事をご参照ください。

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ウェブ版BLASTの結果の取得 (Pythonから実行する場合)

ウェブ版BLASTの実行 (PythonでBLASTする！（ウェブ版BLASTの実行）)で行ったBLAST解析を実行してみます。ウェブ版BLASTでは、qblast関数の戻り値 handle から直接解析を行うことが可能です。

# ウェブ版BLASTから直接結果を読み込む
from Bio.Blast import NCBIWWW, NCBIXML
with NCBIWWW.qblast('blastn', 'nt', '1842280863') as handle:
    record = NCBIXML.read(handle)

Pythonからウェブ版BLASTを操作する方法は以下の記事をご参照ください。

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ウェブ版BLASTの結果の取得 (ブラウザから実行する場合)

ブラウザからウェブ版BLASTを実行した場合も、XML形式でダウンロードしたXMLファイルをPythonで解析することが可能です。

まずはウェブ版BLASTにアクセスしてみましょう。

• https://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi

BLASTNのクエリを「1842280863」とし、データベースを「Nucleotide collection (nr/nt)」、プログラムに「blastn」を指定してBLAST検索を実行してみます。

BLAST結果をXML形式でファイル名blastn-www.xmlとして保存した場合は、以下のようにして読み込みます。

# ダウンロードしたBLAST結果を読み込む
from Bio.Blast import NCBIXML
with open('blastn-www.xml', 'rt') as handle:
    blast_result = NCBIXML.read(handle)

以下の説明では、このblastn-www.xmlから情報を取得する方法を解説していきます。

BLAST結果の構成

BLAST結果をブラウザで表示すると、以下のようにDescription部分とAlignment部分に分かれて表示されます。

PythonのプログラムでBLAST結果を取得する場合も同様で、Bio.Blast.Record.BlastオブジェクトとしてDescription部分(descriptions変数：Descriptionオブジェクトのリスト)とAlignment部分(alignments変数：Alignmentオブジェクトのリスト)に分けて格納されます。

さらに、以下のようにブラウザでGraphic summaryを確認すると、BLAST検索でヒットしたアラインメントを確認できます。

Pythonのプログラムではこのアラインメントが上から順番に0, 1, 2, …と番号が割り振られていて、Bio.Blast.Record.Blastオブジェクトにおいて例えば一番上の「アラインメント０」のDescription部分はdescriptions[0]に、Alignment部分はalignments[0]に格納されます。つまり、Bio.Blast.Record.Blastオブジェクトのdescriptions変数とalignments変数のリストの要素で、同じインデックスのものは対応していることが分かります。

また、アラインメントが複数の断片(High Scoring Pair：HSP)に分かれている場合は、そのdescriptions変数のnum_alignmentsで断片(HSP)の数が格納され、そのalignments変数のhspsにそれぞれの断片(HSP)がリストとして格納されます。

なお、多重配列アラインメントの結果はmultiple_alignment変数に保持されます。

Description部分の取得

先ほどブラウザで実行したBLASTからダウンロードしたblastn-www.xmlを読み込んで、Description部分を取得してみます。なお、ローカルBLASTを用いる場合やPythonでウェブ版BLASTを用いる場合は、BLAST結果ファイルの読み込み部分を適宜読み替えてください。

BLAST結果のDescription部分は、Bio.Blast.Record.Blastオブジェクトのdescriptions変数にDescriptionオブジェクトのリストとして格納されており、含まれる情報はアラインメントのタイトル・スコア値・E-value・HSPの個数です。では、blastn-www.xmlに含まれているDescription部分をアラインメントごとに順番ですべて取得していきましょう。

# BLAST結果ファイルの読み込み
from Bio.Blast import NCBIXML
with open('blastn-www.xml', 'rt') as handle:
    blast_result = NCBIXML.read(handle)

    # Description部分の取得
    descriptions = blast_result.descriptions
    
    for description in descriptions:
        print(description.title)
        print('スコア値(raw)：' + str(description.score))
        print('スコア値(bit)：' + str(description.bits))
        print('E-value：' + str(description.e))
        print('HSPの個数：' + str(description.num_alignments))
        print('')

gi|1842280863|ref|XM_034560721.1| PREDICTED: Cyclopterus lumpus DLEC1 cilia and flagella associated protein (dlec1), mRNA
スコア値(raw)：10066.0
スコア値(bit)：9077.64
E-value：0.0
HSP片の個数：1

gi|1784391318|ref|XM_031849788.1| PREDICTED: Anarrhichthys ocellatus DLEC1 cilia and flagella associated protein (dlec1), mRNA
スコア値(raw)：7498.0
スコア値(bit)：6762.12
E-value：0.0
HSPの個数：1

　　　　...(以下略)...

Alignment部分の取得

続いて、BLAST結果のAlignment部分を取得してみます。

BLAST結果のAlignment部分は、Bio.Blast.Record.Blastオブジェクトのalignments変数にAlignmentオブジェクトのリストとして格納されています。まずは、blastn-www.xmlに含まれているAlignment部分を順番に取得していきましょう。

from Bio.Blast import NCBIXML
with open('blastn-www.xml', 'rt') as handle:
    blast_result = NCBIXML.read(handle)

    # Alignment部分の取得
    alignments = blast_result.alignments
    for alignment in alignments:
        print(alignment.title)
        print('ID：'  + alignment.hit_id)
        print('説明：' + alignment.hit_def)
        print('配列長：' + str(alignment.length))
        print('HSPの個数：' + str(len(alignment.hsps)))
        print('')

gi|1842280863|ref|XM_034560721.1| PREDICTED: Cyclopterus lumpus DLEC1 cilia and flagella associated protein (dlec1), mRNA
ID：gi|1842280863|ref|XM_034560721.1|
説明：PREDICTED: Cyclopterus lumpus DLEC1 cilia and flagella associated protein (dlec1), mRNA
配列長：5033
HSPの個数：1

gi|1784391318|ref|XM_031849788.1| PREDICTED: Anarrhichthys ocellatus DLEC1 cilia and flagella associated protein (dlec1), mRNA
ID：gi|1784391318|ref|XM_031849788.1|
説明：PREDICTED: Anarrhichthys ocellatus DLEC1 cilia and flagella associated protein (dlec1), mRNA
配列長：5353
HSPの個数：1

　　　　...(以下略)...

ここで取得されるAlignmentオブジェクトのtitle変数は、対応するDescriptionオブジェクトのtitle変数と同一です。また、このtitle変数は、アラインメントのIDを表すhit_id変数とアラインメントの説明を表すhit_def変数から構成されます。

具体的なアラインメントのHigh Scoring Pair(HSP)はhsps変数にHSPオブジェクトのリストとして格納されています。例えば、上記の結果のうち8番目のアラインメントのHSPを取得してみましょう。

# BLAST結果ファイルの読み込み
from Bio.Blast import NCBIXML
with open('blastn-www.xml', 'rt') as handle:
    blast_result = NCBIXML.read(handle)

    # Description部分の取得
    description = blast_result.descriptions[7]
    print(description.title)
    print('スコア値(bit)：' + str(description.bits))
    print('E-value：' + str(description.e))
    print('HSPの個数：' + str(description.num_alignments))
    print('')
    
    # Alignment部分の取得
    alignment = blast_result.alignments[7]
    for hsp in alignment.hsps:
        print('******アラインメント(HSP)******')
        print('スコア値(bit)：' + str(hsp.bits))
        print('E-value：' + str(hsp.expect))
        print(hsp.query)
        print(hsp.match)
        print(hsp.sbjct)
        print('')

gi|1832620842|ref|XM_033638402.1| PREDICTED: Epinephelus lanceolatus DLEC1 cilia and flagella associated protein (dlec1), mRNA
スコア値(bit)：5323.03
E-value：0.0
HSPの個数：2

******アラインメント(HSP)******
スコア値(bit)：5323.03
E-value：0.0
AGTCAATTCAGCCTTTCCCTGGTGTGTGGACCAAGATCTTCTCAAAATGAACAACCTGATTTCCCCCCAGGACTACTTACCTACACACAAACGACCAGTGAGAGCACCAGCACCAATCAAATGGAATCCTGCCAAACCTACCATTGCCTCTGCCATGCACATGTCCAGGGAGCATCAGGATGATGGTTACACTCTCATGCCTAGCCCAAAAAAGATCGTGCCAGAAATGAACGAGTCAGATCTCAGCCTGACCCTCGAATCTAGCTCAGATAACCCAAGGAGGAAGAAAACTTCCAAGGAGAGGCCCGACCAGACCATAACTAGACCAAATGGGAAGGATGAGCCAAGCGCCGAGGATCGGGCAGAGGGACGGAAAAAACTTCCACAGCTGAAAGATCGAAACAACTTCCTATGCAATCCTCGCTTCCTTCCTTTGAATGCACAGCAGGGTGGCGCATCCCTCATCCATCCCAGAGCCAAAGGGGGGAAGATGGAGCATGTAAAGAAAGGGGCGCAGAAGCAAAGCTCAACTAAAAATCCTGTCGCGGCCTTTCTAGCAAAACCTGCAGAGGTAGTTTTCAATGACTACAGTGTGGGACATGTCTATAAGACTACCCTGGAGCTGAAAAACTTGACTTCTGCAAGCCGCACTATCCGAGTCATCCCTCCGACCACTCCTCACTTTTCCATTGGCCTGGGGAGATTCCCTGGCAAGGGTGGTGTTGTTGCCCCAGGGTTGAGTTGTAAGTACACAGTGTGCTTCACTCCAGACTCCTTCGGGGACTATGAGGACTACATAGTGGTGGAGACT---GCTGGACGCCCGTTTATGGTGCCCATCGCAGCCAAAAGACCCGCTCCAATACTCACATTACCAAGAGTTCTGGACTGTGGTTGTTGCCTGATCGGAGGAGTAACATTTGTTGAGTTCCCGTGCCAAAATGTAAGCTTAAGCGCCGGGAGCTTTTGCATCATCCCCAAGAACCAGTGGCCGGCCTCGAACCTCAGGTCTGTGGCAAGAACATACTTTTCTGAGCAGCCACCCTTTGCAGTCAGCCCGTCTCTTTTTGTGCTGCAGCCTGGAGAGGCCACTGTAGTGGAGGTGGTGTTCTTCCCCACTACTGCTGAGAGGAGCTGTCAGGTGTTCACTATTGTGTGTGACAACTGCCAGGTGAAAGACATTTCCATTGAAGGTGAGGGCCAGCAGATTGCATTTGAGCTGGTATCTGTATCTGGGAAGAAGGAGCCTCCTGTGGTGGGAGAGGTGCATGACCTCACTGCGGAGCACTTTGTCCGCTTCAGCCCGTGCAACCCTCACTCTGTGCAACAGAAGAGACTCATCATTAGAAACAATGTCCACTTGGATCTGCCTTTCCACTGGCAGATCATGACGCCGAACCTGCACCCTTTCCTTCCAGGTGAAATCCCGGAGCCTTCCCATATCCAGTTCCACCTGGCCGCAGACGATGTTTTCCATGTCAGCCCCATAACAGGAGTTCTGACCCCCTTCCAGGATCAAGAGTTTCTATTCACCTTCTGCCCTAAAGAATTGAAGGATTACCACAGTGTCTGTCACTTAGTCCTGATGGAGGTTCCCCAGCTGCCACCACAGCCCACTGACAAAAGCGTCCTTCAGCCTGTGCGCACTGGTTCCAAGGTAGGCGATGTCATCGTCATGGAGATAGAGGTCAAGGGATCAACTGAGCCGTACCAGGTCCTACTGGAGCCCTACGCTGTTGTTATCCCCGGGGAGATTTTTATTTGCTCGACCACCCGCAGGCAATTCAAGATGTGGAACCACAGCAAAACCTGCATCTTTTTTCAGTGGGAGAGAATAAGCAACAGCAGCCACATAATTGAAGTAGAGCCCTCTGCTGGTAGCATAGAGGAAAACGAGTGTTTCGACTTCGACCTGGTTTTGAGTGGAGGGAAGCCAGAGAGGGTTGTGACCAGTCTGGTTTGCTCCATAAAGCACTGCCCCGAGCCCGTCACTTTGGCCGTGGAAGTCTCTTTTAAGGGTCCCATAGTGACCGTCAGTGTGCCCAGTGTGGAGTTTGGGCTCATGAAGCTCGGGGAGCAGACACAGACCACTCTGCTCCTCACTAACATTACCCAGCAGGAGGCGAACTGGACACTGAAGGAGAGGTGTGACCGTCAGCAGGACCACCAGGAGATACAGATCTCAGTGGAACCACGCACAGGTGTGCTGTCCCCCTTGGCCTCTTGCAGTGTGGATGTGCTATTTAGTCCCCATTTGTGCCAGCGATATGAAACAGAGCTGGTGTTGACAGTGGAGAATGGAACCGGATGTCACCTGTCGGTGCAAGCAGACGTGCAGTGTCCACAGGTGTGTCTGCTGAACTGTGAGCTGCTCTTCTCTGAACTCTACCTTGGAGTTGCTGCAGAGGGAACCGTCACTATCTTCAACCAGACGCTGCTGCCTTCACACTTCAGCTGGATGGATCAGCTCCAGGGTAAACAGGCTGAACTGTGCTCAGCCAGTTTTGACCCCTCTTCTGGCTCACTGGGACCTAATGCCTGTTTGGAGATCACAGTTCATTTCATCTCTCACACAGATCTGGATCTGACTGAGGTGGCTGCTCTCTGTGAGGTCCAAGGGATGAACTCTCCCCTTGTTGTTGGCATCACGGCTTCCAAAACCAAGAAACTCAGTGTGTCCTACTCACTGCCCAGTGTCTGCTCTCCTCCAGATGACGAGAGACCCTCAACACTGTTGCTCGACTTTTGTGATGACGTCATTTTGAACAGAGCCGTTACTAAGCAGTTATTGATAACCAATCAGACTGCTATCCCGGCCCCTTTCCACATAGAGGCAGATTATTTCACATGCCATGCCTCAAAGCCAAACAACCAGTCAGAGAAAAGAATGACATACGTCAAGAAGCCGCTCCACTATGTTCAAGCTCAGAAAATAGAAGAAAAAGCACTTAAGGAGTTTGTGAGCAGCCTGCTGGCTAATGGAAAAGGTGCAGCTTTCTTTGTCCTGCCAGACACTGGGATGCTGGGAGCCTTTGAGACCCAGACTGTGGATGTCACTGCCTACACGGACATGTGGGGCGAATACAGAGATCACCTCATATGCAAAGTGGGGGACCTCAAGCCCACGCTCATTCCCATGCAGATGACGGTGACAGGCTGCCCACTCTACTTCCAAATCACAGGCCCACGTCCAGACAACCAGAACCAGGGACCAAAAACACAGTTTGGCACTCATGTGTCAGGAGGTGACACGGTGTCTCGTTCTCATCGCATCCACAATCCGACCATGTTTGATATTCGCCTGGACTGGGAAACATATAACATAGATCAGAATGACCATAAACTGGTGGACGTTGTGGTGGCATATGGAGACACCTTTCCAGTTAAAGATGCTGATGGCAACGAGGTGTTAAATGGAGCATTAAGGATTTCTGGTGGGAGTGCTCAAACAGCCTGGGAAGGAAATAAGACCTCAGGTTCTGAGGGGACGAGCTCCCCCCTCTGTAGCATGACCAGTGGGGAAGCAA--AGGAATATGT------------ATCCGAGGAAGAGGAAACCTGTCTCTATCCCTCTCCTGCAAAGAAAAAACTCTTGTCTGTTCACATCAGACCGCATGTGGGCGACCTCTCGGATTACCCATACTGCATCACACCCCAGCAATTAGTGATTCCAGCAAAGAGCAGCAGCACCATCCATGTATCTTTCACTCCTTTGA------CTGGGTCAGGTTGTGAGTCCAGATGTGTGGGCCTGGCTCTGGGCTTCATGGGACTAGACTCTGAGATGGCTGCCTGCGTCCCGGGTAAAGTTGTGAGAGCTCAGGGTTTGGATTTGGAGCCCGTCAGAATTGATCTACTCGCAGTCGTTAAGCCGTCATTGCTGTTGGTGCAGATAGAGGAGGATGAGGGGGTGCTGGAGTTTTATGCCTCAGCCGGTGATTTACTGAAGGCAGAATCA---GAGCTGGTAGTTCGTGAATTTGACACCACACGGGCCTTTCAGCTGAGAAACAACTCAGAAATGCTCCTCCACTTCAGCCTGGGGACTCAGCCTCCCTTTAAGGTGGTGAAGCAGCAGCTTGAAGTCCGGACCAGCAGCTCCAGCGACCCACCTACTGGTGACAGCCAGGCTCTGGTGCTGCACCCACAGCAAAGCATGCAGGTGAAGGTGGCCTTCCACTGCTCCCTGCCCCTTCTGGACCATGCAGACCAGGCAGAGGAGGAAGTCCCTCCGGGGGTGACGCTGATCCATCGTGCAGGAGAGGGAAGGAAGCTGAGGTTCCAGCAAAACCTCCTGATTCACTACAACGACAACAGATTGCAGACGGTGCCTCTCTGTGCCTGTTTATATCTCCCTACGATGCGTCTGTCCAGGGACAGCATCGACTTTGGGTTCTGCTTCGTGGGGCAGACGCTGATAACAGAAGTCAACCTCCACAGAAACAGAGCCCTCACTTACTGGAAATCAGTTATTGAGTCGGATGAAGGAGACTCCCATGTGTTCAGAGTCACACCAGACTTCGGGCTCCTCAGGTCAAAGGAGCTTAACGTCACCAGCTGCAGCCACTGTCTCCAGATCAGCTTTACTCCCAGTGAGGACGGAGTGTTCAGGGCCGTTGTGGTAATCCAGTCCCCTCTGATGAAGACCCCCCCCACTCTGCAGCTCCAGGGAACCGGATCCTTTGACAAAGTGTACAGGTCCAACTCGATGTCCTTAAAACATCACAGTCGCACA---ATCAC---------CACCTGTTCTCCTTAAATCAACT-TGT-----TCATTTA--GGAATGTAAATAAATATG
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