HMMER 官方文档学习笔记系列

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一、HMMER 简介及安装

原文链接：HMMER 官方文档学习笔记系列——HMMER 简介及安装

1. 说明

“MMER 官方文档学习笔记系列”是本人在阅读 HMMER 官方文档来学习 HMMER 使用方法的过程中整理的学习笔记类教程。该系列主要以 HMMER 官方文档为参考，因此包含很多对原文档的直接翻译和直接摘录。旨在通过转述官方文档说明，帮助需要使用该软件的人更快的上手使用。但本人并非生信专业出身，计算机相关知识也仅处于起步水平，业余时间也比较有限。因此在对原文档的理解、转译和论述会存在很多错误，在此欢迎有兴趣的小伙伴对次批评指正，一起探讨学习。官方文档下载地址：HMMER 官方文档。

2. 太长不看系列

这一部分将对安装过程做简要概括，如果嫌弃本文章过长而又拥有比较扎实的 Linux 系统使用基础的话，可以选择仅看此处的安装概要；如果 Linux 系统相关使用技能比较薄弱的话，建议跳过该部分，从第 3 小节开始阅读全文。

2.1 在 Linux 或 Mac OS/X 系统上安装 HMMER

• 通过软件仓库安装

  $ sudo brew install hmmer                    # OS/X, HomeBrew
  $ sudo port install hmmer                    # OS/X, MacPorts
  $ sudo apt install hmmer                     # Linux (Ubuntu, Debian...)
  $ sudo dnf install hmmer                     # Linux (Fedora)
  $ sudo yum install hmmer                     # Linux (older Fedora)
  $ sudo conda install -c biocore hmmer        # Anaconda
  

• 通过源码编译安装

  $ wget http://eddylab.org/software/hmmer/hmmer-3.3.2.tar.gz
  $ tar xf hmmer-3.3.2.tar.gz
  $ cd hmmer-3.3.2
  $ ./configure --prefix=自定义目录
  $ make
  $ make install
  $ cd easel        #最后这两行代码为可选步骤，执行的话会安装一套被成为迷你应用（miniapps）的额外小工具
  $ make install    #最后这两行代码为可选步骤，执行的话会安装一套被成为迷你应用（miniapps）的额外小工具
  

  安装后，修改 /etc/profile 文件，将软件添加到 PATH 环境变量中，以方便调用：

  $ sudo cp /etc/profile /etc/profile.bubackup
  $ sudo vim /etc/profile
  #在文档末尾加入：
  export PATH=自定义目录/bin:$PATH
  export MANPATH=自定义目录/share/man:$MANPATH
  

2.1 在 Windows 系统上安装 HMMER

• 通过访问 http://eddylab.org/software/hmmer3/3.0/hmmer-3.0-windows.zip 链接进行下载软件压缩包（参考——HMMer在Windows环境下的安装_我就叫陌了这还能重名的博客-CSDN博客_hmmer安装）。解压缩后即可在解压目录中通过命令提示符界面（cmd）执行命令行运行。

3. HMMER 简介

HMMER是一个软件包，提供了一类被称为轮廓隐马尔可夫模型（此处中文名为直译，英文原称为 profile hidden Markov models, profile HMMs 或 profiles）的工具，这些工具用于制作蛋白质和DNA序列域家族概率模型，以及可以使用这些工具来注释新的序列。不同于 Blast 等工具，HMMER 使用的是集成算法（ensemble algorithms），而不是最佳对齐 （optimal alignment）。进一步来说，HMMER 使用的是基于隐马尔可夫模型的一种算法，但具体的算法原理过于理论，本人目前难以深入理解，因此不过多论述。

轮廓隐马尔可夫模型的最初是通过计算密集型的算法来实现的，包括之前的 HMMER1（1995）和 HMMER2（1998）这两个版本，但最新的 HMMER3 版本通常比 BLASTP 或 FASTA 搜索的更快，即使它使用的模型比二者更复杂。HMMER 可用于进行灵敏的同源搜索、蛋白结构域的自动注释、深度多重比较数据集的管理等领域。此外 HMMER 3 不仅仅适用于多个比对，也适用于单序列比较。两两序列比较只是轮廓隐马尔可夫模型的一个特例。HMMER 可以使用 BLOSUM 替换矩阵来参数化仅从一个序列构建的序列谱隐马尔可夫模型。HMMER3 包含两个用于使用单个查询序列搜索蛋白质数据库的程序：phmmer 和 jackhmmer。研究人员相信 phmmer 在很多方面都优于 BLASTP，而 jackhmmer 在很多方面也优于 PSI-BLAST。

当然，任何方法都不可能是完美无缺的。HMMER 的算法没有考虑不同个体对象间的更高一级的相互作用，因此不适合应用于存在相互作用的模型分析（如：碱基和碱基之间的相互作用，会使一些 RNA 形成特殊结构，对于这些结构 RNA（此处为直译，英文原称：structural RNAs）的分析，HMMER 工具便不再适用了）。此外，HMMER 的算法也缺乏系统发育的相关模型，因此不适合用于进化树的构建。

4. HMMER 安装

4.1 在 Linux 系统上安装 HMMER

说明

关于命令输入的一些说明：文中每条命令的前面都会带有 $ 或 #，这两个符号不是命令的组成部分，而是类似于身份标识（具体专业描述不知道是什么），比如我们打开终端，默认会有用户名@localhost:~$的前缀，而最后的 $ 符号便是提示使用者身份的标识。在下面所有的命令中，也采用 $ 或 # 进行身份标识，其中代码前带有 $ 符号的命令表示以普通用户身份执行命令代码；前标识为 # 的命令表示在超级管理员（root）身份下运行命令。而代码中其他地方带有的 # 多数情况下表示对命令的解释说明，也就是注释命令，同样也不属于命令的组成部分。

简言之，，每一条命令前的 $ 或 #，以及其他位置的 # 和这个 # 后面紧跟的同一行内容都是类似解释说明一类的东西，不属于命令本身，复制粘贴的话请忽略。

4.1.1 通过官方软件源进行安装

• 在 Ubuntu 系统中使用以下命令安装：

  $ sudo apt install hmmer
  

  在 Debian 系统中的安装命令于此类似，但默认情况下，要先切换为管理员用户，再执行安装命令，而不能直接通过 sudo 命令安装：

  $ su -
  # apt install hmmer
  

  第一行 su - 命令即代表切换到超级管理员模式，并且切换后位于相应管理员用户的用户目录，即 /root 目录，如果要在当前目录切换使用超级管理员，需要输入 su root 进行切换。安装软件则通常使用 su - 命令切换。

• 在 Fedora 较新版本系统中，使用如下命令安装：

  $ sudo dnf install hmmer
  

  较老版本的 Fedora 系统使用如下命令安装：

  $ sudo yum install hmmer
  

由于本人目前仅在 openSUSE 系统上尝试安装成功，因此以上操作本人没有进行确认，仅将官方说明摘录于此。

4.1.2 通过第三方包管理库进行安装

• 通过 Anaconda 进行安装（首先确保系统已经安装了 Anaconda 包管理器）：

  $ sudo conda install -c biocore hmmer
  

由于本人目前仅在 openSUSE 系统上尝试安装成功，因此以上操作本人没有进行确认，仅将官方说明摘录于此。

4.1.3 通过源码编译进行安装

HMMER 软件的源码编译安装十分简单，而且在多种 Linux 系统下通用，因此个人也比较推荐通过源码安装。而且通过源码安装，可以同时方便的同时安装 HMMER 2 版本和 HMMER 3 版本，这样就可以使用一些 HMMER 3 不具有的，而 HMMER 2 具有的功能。源码安装具体步骤如下：

1. 下载源码安装压缩包
   首先，通过 weget 命令行在 eddylab.org/software/hmmer/hmmer-3.3.2.tar.gz 路径获得，随后解压缩并通过 cd 命令进入解压后的 hmmer-3.3.2 目录：

   $ wget http://eddylab.org/software/hmmer/hmmer-3.3.2.tar.gz
   $ tar xf hmmer-3.3.2.tar.gz
   $ cd hmmer-3.3.2
   

   也可以去软件官网下载 .tar.gz 格式的安装包，然后解压缩并进入 解压目录。

2. 安装前配置
   然后，通过 ./configure 命令对 HMMER 的安装进行配置。命令格式如下：

   $ ./configure 参数
   

   这里的参数是可选项，也就是可以选择添加参数，也可以选择不添加。参数之间，以及参数和其他命令之间要有空格分开。参数的话主要有 3 类：

   • 第一类类参数可以自定义安装目录。
     如--prefix 参数可以自定义总的程序安装目录，如：

     $ ./configure --prefix=/your/install/path
     

     如上所示，如果自定义路径为 /your/install/path，那么程序和程序操作说明则会分别安装在 /your/install/path/bin 和 /your/install/path/share/man/man1/ 目录下。如果不设置该参数，程序和操作说明则会分别安装在默认的 /usr/local/bin 和 /usr/local/share/man/man1/ 目录。默认目录是按照 GNU 编码标准进行分布的，其他的目录也可以通过不同的参数修改，具体如下：

     变量（Variable）	默认安装路径	./configure 参数
     prefix	/usr/local	--prefix
     exec_prefix	prefix	--exec_prefix
     bindir	exec_prefix/bi	--bindir
     datarootdir	prefix/share	--datarootdir
     mandir	datarootdir/man	--mandir
     man1dir	mandir/man1	--man1dir

     不过个人不建议进行复杂的目录修改，仅仅使用 --prefix 自定义安装目录就够了。

   • 第二类参数可以设置是否开启多线程模式。默认情况安装的软件是开启多线程的，如果想禁用多线程，可添加参数 –disable-threads ，开启多线程后，在安装后的软件使用中，线程数默认是 2，在每次使用时，可以通过添加参数 –cpu <n> 或 HMMER_NCPU 环境变量来设置线程数 n。（这里我没有完全搞懂，不过像我一样似懂非懂或者不懂的话可以不使用该参数）

   • 第三类参数可以控制 MPI（Message Passing Interface，消息传递接口）的开启或关闭。除了 nhmmer 和 nhmmscan 两个程序外，其他的程序都支持 MPI（Message Passing Interface，消息传递接口），但该服务默认是关闭的，如需启用，除了需要安装相应的 MPI 库外，还需要在执行 ./configure 命令时添加 –enable-mpi 参数。在使用 MPI 并行化（ MPI parallelization）时，每次添加 –mpi 参数可以开启主/辅并行模式。hmmbuild 的 MPI 实现可以扩展到数百个处理器，hmmsearch 也可以进行类似扩展。其他搜索程序（hmmscan、phmmer 和 jackhmmer）的扩展性非常差，最多不应该在数十个处理器上使用。

3. 进行编译
   执行完上述 ./configure 命令后，等待终端执行完毕后，接着就可以执行 make 命令进行编译：

   $ make
   

   同样，make 命令也可以选择带参数运行，如：通过添加 check 参数，会在编译的时候同时运行检测程序：

   $ make check
   

   make 命令可以带的参数归纳如下：

   • all：建造完整的程序。就像单独使用 make 命令一样；

   • check： 在 HMMER 和 Easel 库中运行自动测试检查模块；

   • pdf：编译该软件的用户指南；

   • install：安装程序和相应的程序说明文档；

   • uninstall：卸载 install 命令参数安装的程序和相应的程序说明文档；

   • clean：删除编译（来自于 make 命令）生成的所有文件，但保留配置文件（由 ./configure 命令生成的文件）；

   • distclean：删除所有编译（来自于 make 命令）生成的所有文件，和配置文件（由 ./configure 命令生成的文件）。

   • 默认情况下，make 使用从 git 源代码中"偷来"的漂亮包装来隐藏编译过程的实际情况。如果希望看到命令行在其编译时的真实丑陋的外观，请传递一个 V=1 参数（V表示“verbose”）来实现（来自官方文档作者的幽默自述）：

     $ make V=1
     

   • HMMER 的 make install 支持分阶段安装，支持打包程序用于指定 buildroot 的传统 DESTDIR 变量（这个没有用过，所以具体的意思也没有很明白，不过一般情况下，为了使用方便，还是推荐不使用此参数的完整安装）：

     $ make DESTDIR=/rpm/tmp/buildroot install
     

4. 安装 HMMER 程序和程序说明文档
   执行上述编译后， 便会在解压目录的 src 文件夹得到二进制程序文件，可以直接运行这些文件来运行程序，但是通常为了便于使用，会通过以下命令进行安装，以将应用程序和程序的说明文档安装在我们上面通过 ./configure 命令自定义的文件夹下：

   $ make install`
   

5. 安装时如果选择了自定义路径，此时最好将自定义目录加入 PATH 环境变量。
   如果通过 --prefix= 重新自定义了安装路径，为了以后在终端下的任何文件路径下都快可以直接调用，需要将自定义的 自定义目录/bin 添加到 PATH 路径中，将 自定义目录/share/man 添加到 MANPATH 路径中，以方便在命令行使用软件和调出帮助文档。比如上面的例子我们的自定义目录为/your/install/path，则可以在终端执行下面的命令来完成该操作：

   $ export PATH=/your/install/path/bin:$PATH
   $ export MANPATH=/your/install/path/share/man:$MANPATH
   

   但是用种方法添加之后，仅仅对当前用户生效，而且重启电脑后需要重新配置。若想对全部用户生效，需要修改 /etc/profile 文件（下面第一行是复制命令，以实现在操作前对该文件进行备份；vim 是一种比较方便的命令行文本编辑器，虽然好用，但是和我们平常的文本编辑器的使用有差异，在执行下面命令之前，最好确保自己已经会一些 vim 编辑器的基本操作）：

   $ sudo cp /etc/profile /etc/profile.bubackup
   $ sudo vim /etc/profile
   #在文档末尾加入：
   export PATH=/your/install/path/bin:$PATH
   export MANPATH=/your/install/path/share/man:$MANPATH
   

   如果不进行此设置，每次使用需要使用 cd 命令切换到自定义文件夹下的 bin 目录调用相关程序。到这里，HMMER 程序就基本安装好了。

6. 可选步骤：安装额外的小工具
   另外，还可以选择安装一套被成为迷你应用（miniapps）的额外小工具，安装时先通过 cd 进入解压目录下的 easel 文件夹，然后执行 make install 命令安装 miniapps 及其使用说明：

   $ cd easel
   $ make install
   

7. 源码编译常见错误

   • 如果自定义目录的编译执行失败，有可能是 make 版本不支持自定义目录的构建，可尝试默认目录安装，或尝试安装 GNU make；
   • 配置失败，提示“找不到可接受的 grep”。很多人已经在 Sun Sparc/Solaris 机器上发现了这种情况。这是 GNU autoconf 中的一个已知问题。可以通过安装 GNU grep ，或者坚持执行 ./configure 命令时将 GREP 设置为可工作的路径：

     $ ./configure GREP=/usr/xpg4/bin/grep
     

   • 许多“检查”测试失败。如果不能正确的连接多线程，而引发测试错误，则可以试着关闭多线程：

     $ ./configure --disable-threads
     

     常见错误这一部分，由于本人安装过程比较顺利，没有遇到什么问题，因此也只是将官方文档提到的常见错误摘录出来。

8. 同时安装 HMMER2 和 HMMER3
   虽然 HMMER3 绝大部分功能都优于 HMMER2，但是 HMMER2 是可以进行全局和全局比对（global and glocal alignment），而 HMMER3 仅支持局部比对（local alignment），有时候，全局比对也是我们需要的，因此安装两个版本可以拓展适用范围（这里提到的全局比对和局部比对涉及到算法问题，本人水平还没涉及此高度，因此也没有完全理解，为了避免个人翻译错误，将原英文名称标注在括号里）。作者表示，在未来的 HMMER4 中，将同时支持两种比对方式。但是 HMMER2 和 HMMER3 由于存在相同的程序名，因此直接安装会出现程序名冲突，为了解决冲突，作者给了两个建议方案：

   • 方案一，将两个版本的软件分别装在两个自定义路径，一个版本加入 PATH 环境变量，通过命令行直接使用；另一个版本则进入相应安装路径使用；
   • 方案二，安装两个版本软件，将一个版本加入 PATH 环境变量后，再将另一个版本的相应文件复制并重命名到该版本路径。比如，假设我们自定义安装 HMMER 2 的目录为 /home/my/install/path/hmmer2,自定义安装 HMMER 3 的目录为 /home/my/install/path/HMMER3，则可以先将 HMMER 3 的相应目录按照上面的方法加入 PATH 环境变量，然后通过 cd 命令先进入 HMMER 2 的安装目录，然后通过 cp 命令复制并重命名到 HMMER 3 的安装目录：

     $ cd /home/my/install/path/hmmer2/bin
     $ cp hmmalign /home/my/install/path/HMMER3/bin/h2-hmmalign
     $ cp hmmconvert /home/my/install/path/HMMER3/bin/h2-hmmconvert
     $ cp ……
     ……
     

     但是一个一个的复制比较麻烦，所以可以优化一下方案：首先通过 cd 先进入 HMMER 2 的安装目录，然后批量重命名，接着移动文件到 HMMER 3 目录。这时重命名和移动命令可以如下（批量重命名的命令在第二行代码和第五行代码，这两行代码都是在当前目录下的所有文件名之前添加“v2-”的前缀，另外注意这两行代码中的单引号不是普通单引号，而是反引号）：

     $ cd /home/ligareen/Documents/software/hmmer/hmmer2/bin/
     $ for i in `ls`; do mv -f $i `echo "v2-"$i`; done
     $ mv * /home/ligareen/Documents/software/hmmer/bin/
     $ cd /home/ligareen/Documents/software/hmmer/hummer2/man/man1/
     $ for i in `ls`; do mv -f $i `echo "v2-"$i`; done
     $ mv * /home/ligareen/Documents/software/hmmer/share/man/man1/
     

     此处的批量重命名操作参考：Linux 批量修改文件名(前缀或后缀)_@羲凡—只为更好的活着-CSDN博客_linux批量修改文件名前缀。

9. 安装后简单调试

   • 解压目录下的 tutorial 文件夹下，是一些示例文件，在其中，有一个 Stockholm 格式（后缀为 .sto）的序列比对文件，可以通过 hmmbuild 命令从这一份序列比对文件中构建一个轮廓隐马尔可夫模型（profile）：

     $ cd tutorial
     $ hmmbuild globins4.hmm globins4.sto
     

     上述命令时在已经进入了解压目录后进行的操作。

     正常的话会有以下输出：
     

   • hmmsearch 命令可以针对数据库，基于已有的轮廓隐马尔可夫模型库进行轮廓隐马尔可夫模型的搜索。在解压目录下的 tutorial/globins45.fa 文件是包含45个珠蛋白序列的一个小型 FASTA 文件，利用上一条产生的轮廓隐马尔可夫模型（profile），可以通过以下命令对该文件进行序列谱隐马尔可夫模型的搜索：

     $ hmmsearch globins4.hmm globins45.fa
     

     这将直接显示一个搜索结果的输出，以表格的形式显示它们的对齐信息（输出结果过长。下图仅截取开头部分）:

     

5. 在 Mac OS/X 系统上安装 HMMER

说明：由于本人没有使用过 Mac 系统，因此仅将官方文档中描述的安装方法摘录展示于此。

5.1 通过软件仓库进行安装

• 通过 HomeBrew 进行安装

  $ brew install hmmer
  

• 通过 MacPorts 进行安装

  $ port install hmmer
  

5.2 通过源码编译进行安装

• 源码编译安装的过程参考 Linux 系统下通过源码编译进行安装的过程（章节 1.3）。

6. 在 Windows 系统上安装 HMMER

6.1 下载安装包后解压直接使用

• 首先去官网下载 Windows 版本的压缩包。由于目前官网的最新版本不支持 Windows 系统，所以官网并没有直接的下载链接，在这里，参考——HMMer在Windows环境下的安装_我就叫陌了这还能重名的博客-CSDN博客_hmmer安装（不得不感慨，这位网友真的太有才了！） ，通过访问 http://eddylab.org/software/hmmer3/3.0/hmmer-3.0-windows.zip 链接进行压缩包的下载。
• 下载好后解压到任意目录，便可以直接使用，但双击程序多半会闪退。其实在这里，使用方法和 Linux 下的方法是一样的，需要在命令提示符（cmd，类似 Linux 下的终端）下通过命令行进行使用。（Windows 系统下调出 cmd 的过程可以是：按快捷键 win+R 快捷键调出“运行”窗口后输入“cmd”后按回车键。）
• 在 cmd 下使用时，类似 Linux 系统，需要通过 cd 命令进入解压文件夹使用，如通过 hmmpress,exe -h 命令查看 hmmpress,exe 程序的帮助信息（下列代码中，“>”号不是命令的组成部分）：

  > cd C:\Users\username\Downloads\hmmer-3.0-windows
  > hmmpress,exe -h
  

• 这样每次都要进入解压目录才能调用，会让人感觉很麻烦，在 Windows 下也可以像 Linux 系统一样，将程序添加到 PATH 环境，但我添加几次都没有成功，不知道是电脑不行还是我的技术不行，有机会的话后面也会继续探究。也欢迎路过的大佬可以指点迷津，欢迎各路英雄好汉来一起分享讨论。
• 很多生信软件在 Linux 系统上安装和使用都很方便，因此个人推荐通过 Linux 系统使用该软件。

结束

第一期的 HMMER 简介和安装到此就结束了，后面几期会介绍 HMMER 的使用方法。希望大家都能从我的文章中有所收获~

参考

[1] HMMER 官网

[2] HMMER 官方文档

[3] linux增加自定义path和manpath_flora_yao的博客-CSDN博客

[4] inux 批量修改文件名(前缀或后缀)_@羲凡—只为更好的活着-CSDN博客_linux批量修改文件名前缀

[5] HMMer在Windows环境下的安装_我就叫陌了这还能重名的博客-CSDN博客_hmmer安装