Filoģenēze. Klāsteru un kladistiskās metodes filoģenētisko koku rekonstruēšanā

1. Filoģenēze. Klāsteru un kladistiskās metodes filoģenētisko koku rekonstruēšanā

2. Lekciju saraksts Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

3. GrayandAtkinson (2003) Nature, 426:6965 Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

4. Meredithetal. (2011) Science, 334: 521 Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

5. Filoģenētiskā analīze Pamatā pieņēmums, ka dzīvajiem organismiem ir kopīga izcelsme Filoģenētiskās analīzes uzdevums – rekonstruēt taksonomisko vienību savstarpējo radniecību • Homoloģija • Līdzība • Klasteri Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

6. Dendrogrammas • Dendrogrammas topoloģija – norāda taksonomisko vienību radniecību • Zaru garumi – norāda evolucionāro attālumu vai laiku kopš taksonomiskās vienības nodalījās. • Dendrogrammas mezgli (node) – norāda kopējo priekšteci • Molekulārais pulkstenis – atkarīgs no mutāciju ātruma. To kalibrē izmantojot fosīliju datus Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

7. Filoģenētisko koku veidošana • Dendrogrammas var veidot (rekonstruēt taksonomisko vienību evolūciju) izmantojot dažādas pazīmes – morfoloģiskas, valodnieciskas, bioķīmiskas, molekulārās sekvences • Problēmas būtība ir tāda, ka evolūcijas rekonstruēšanai mums jāiztiek ar novērojumiem par mūsdienu organismiem (atsevišķi izņēmumu – fosīlā DNS) Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

8. Evolūcijas trīs ‘ziloņi’ • Iedzimtība • Mainība • (Dabiskā) izlase Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

9. Molekulārā evolūcija • Viens no pretrunīgākajiem filoģenēzes jautājumiem - vai iespējams izmantot molekulāros datus evolūcijas ātruma noteikšanai • Mutāciju ātrums, neitrālas, kaitīgas un izdevīgas mutācijas • Dažādās līnijās evolūcijas ātrums var atšķirties • Molekulārās evolūcijas neitrālā teorija (Neutraltheory of molecularevolution) – MotooKimura • Izlase darbojas uz organismiem un populācijām, bet mutācijas DNS un proteīnu molekulās ir tās, kas piešķir organismam priekšrocības, tādējādi izlase netieši iedarbojas uz DNS molekulu Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

10. Molekulārās evolūcijas neitrālā teorija Apgalvo, ka lielākā daļa mutāciju ir selektīvi neitrālas vai gandrīz neitrālas un to frekvences populācijā ir atkarīgas no stohastiskiem procesiem, tai skaitā ģenētiskā dreifa Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

11. Molekulārās evolūcijas neitrālā teorija • Ja lielākā daļa mutāciju ir neitrālas vai gandrīz neitrālas, tad to nostiprināšanās populācijā notiks ar aptuveni vienādu ātrumu -> tās var izmantot kā molekulāro pulksteni • Populācijā var būt augsts polimorfisma līmenis, ja mutācijas ir gandrīz neitrālas • Neitrāla mutācija nenozīmē, ka tā neietekmē gēna funkciju, bet gan to, ka dabiskās izlases darbība uz organismiem ar šo mutāciju ir vāja Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

12. Filoģenēzes rekonstrukcija • Divi galvenie filoģenētisko koku rekonstrukcijas veidi: 1. fenētiskā (klasteru) pieeja – netiek izdarīti pieņēmumi par taksonomisko vienību evolūciju un vēsturi. Nosaka attālumu starp sugām un konstruē koku izmantojot hierahiskoklasterēšanu 2. kladistiskā pieeja – novērtē iespējamos evolūcijas ceļus, nosaka priekšteču īpašības, piemēram, DNS secības katrā mezglā un izvēlas optimālo koku balstoties uz izvēlēto evolūcijas modeli Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

13. Klasteru pieeja Kladistiskā pieeja Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

14. Klasteru metodes filoģenēzē • Nosaka līdzības pakāpi starp visiem taksonomisko vienību pāriem, piemēram, visiem DNS sekvenču pāriem no daudzkārtēja sekvenču salīdzinājuma • Atrod visradniecīgāko pāri un tam pamatā izveido pirmo mezglu (kopējo priekšteci), tad turpina salīdzinājumu ar nākamo līdzīgāko vienību u.t.t. ATCC ATGC TTCG ATCC ATGC TCGG Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

15. 1.5 1.5 0.5 0.5 1 1 TTCG TCGG TTCG ATCC TCGG ATGC Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

16. Klasteru metodes • UPGMA (Unweighted Pair GroupMethodwithArithmeticmean) – zaru garumi ir līdzvērtīgi pusei no attāluma starp taksonomiskajām vienībām • NJ (NeighbourJoining) – UPGMA modifikācija, kas ņem vērā nevienādu evolūcijas ātrumu dažādos koka zaros NJ tiek pielietota, piemēram, Clustal programmā, lai izveidotu koku pēc kura vadoties veido daudzkārtēju sekvenču salīdzinājumu Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

17. Kladistiskās metodes filoģenētiskajā analīzē • Izvērtē taksonomisko vienību iespējamo radniecību izvēloties optimālo filoģenētiskos koku balstoties uz noteiktu evolūcijas modeli • Populārākās kladistiskās metodes ir maksimālās taupības (maximumparsimony) un maksimālās varbūtības (maximumlikelihood) metodes (saīsināti MP un ML) • Atšķirībā no fenētiskajām metodēm balstās uz DNS un aminoskābju sekvenču datiem Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

18. MP metode TTCC T->A C->G ATCC TTCG C->G T->C ATCC ATGC TTCG TCCG TTCC T->A C->G ATCC TTCG G->C C->G C->G T->C T->A TTCG TCCG A->T ATGC ATCC Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

19. Atšķirīgs evolūcijas ātrums dažādos dendrogrammas zaros Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

20. MP metode • Optimālais filoģenētiskais koks ir tas, kura rekonstruēšanai nepieciešams vismazāk mutāciju • MP metode rekonstruē ne tikai koka topoloģiju, bet arī priekšteču sekvences katrā mezglā • Zaru garums atbilst attālumam starp taksonomiskajām vienībām • Iespējama situācija, kad pastāv vairāki vienādi varbūtīgi filoģenētiskie koki • Molekulāro sekvenču salīdzinājumā pastāv informatīvi (parsimonyinformative) un neinformatīvi (parsimonynon-informative) saiti (nukleotīdu vai aminoskābju pozīcijas) Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

21. * C (cilvēks) C (šimpanze) C (gorilla) T (orangutans) T (gibons) C (cilvēks) C (šimpanze) C (gorilla) C (orangutans) T (gibons) Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

22. ML metode • ML ne tikai saskaita mutācijas, kas nepieciešamas koka rekonstrukcijai, bet arī nosaka šo mutāciju kvantitatīvo varbūtību • ML metode rekonstruē ne tikai koka topoloģiju, bet arī priekšteču sekvences katrā mezglā • Zaru garums atbilst evolucionārajam attālumam starp taksonomiskajām vienībām Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

23. Filoģenētisko koku novērtējums • Vai dažādi gēni (molekulārie marķieri) ļauj rekonstruēt līdzīgus filoģenētiskos kokus? • Vai mums vispār ir svarīgs filoģenētiskais koks kā evolūcijas procesa reprezentācija? • Varbūt mūs vienkārši interesē cik radniecīgas ir molekulārās sekvences no dažādām organismu grupām • Bieži vien koka forma neļauj adekvāti atspoguļot radniecības attiecības starp taksonomiskajām vienībām. Piemēram, mūsdienu labības šķirņes ir veidotas no neliela skaita vecākaugu krustojot tos dažādās kombinācijās Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

24. Filoģenētisko koku novērtējums • Statistiskie testi filoģenētisko koku novērtējumam Jackknifing – nejauši izvēlēta sākotnējo datu daļa tiek analizēta līdzīgā veidā. Ja daļa datu dod līdzīgu koku kā viss datu kopums, filoģenētiskajam kokam var ticēt Bootstrapping – sākotnējie dati tiek randomizēti un no tiem tiek izveidots jauns līdzīga izmēra datu fails, ko analizē ar to pašu metodi. Parasti analizē vismaz 100 randomizētas datu kopas katrai izveidojot savu filoģenētisko koku. No tiem izveido konsensus koku Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

25. Filoģenētiskās analīzes programmas http://evolution.genetics.washington.edu/phylip/software.html Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

26. Filoģenētiskās analīzes programmas • PHYLIP http://evolution.gs.washington.edu/phylip.html • PHYLIP interneta variants http://bioweb2.pasteur.fr/gensoft/phylogeny/parsimony.html • Felsenstein, J. (1989) PHYLIP - Phylogeny Inference Package (Version 3.2). Cladistics, 5: 164-166 Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

27. Filoģenētisko koku apskates programmas Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

28. Filoģenētisko koku apskates programmas • TreeView http://taxonomy.zoology.gla.ac.uk/rod/treeview.hml • PageRDM (1996) TREEVIEW: An application to display phylogenetic trees on personal computers. Computer Applications in the Biosciences, 12: 357-358 Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

29. Alfa globīnu gēnu filoģenēze • Cilvēka un dzīvnieku hemoglobīnu veido divas alfa un divas beta globīnasubvienības (a2b2) • Filoģenētiskai analīzei nepieciešams sekvenču daudzkārtējs salīdzinājums • Salīdzināsim MP un ML metodes filoģenēzes rekonstrukcijā Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

30. Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

31. Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

32. Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

33. Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

34. PROTPARS • Rezultāti parādās 2 failos: outfile – satur informāciju par filoģenētisko analīzi outtree – satur filoģenētisko koku (šajā gadījumā 3 dažādus vienādi parsimoniskus kokus) Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

35. Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

36. Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

37. PROML • ML programma aminoskābju sekvenču analīzei Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

38. Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

39. Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

40. Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

41. Bootstrapping • Izmanto to pašu alfa globīnu aminoskābju sekvenču salīdzinājumu • Izmanto programmu seqboot no PHYLIP paketes, lai veiktu bootstrappingizveidojot 100 datu kopas • Analizē 100 datu kopas ar protpars programmu, iegūstot filoģenētiskos kokus visām 100 datu kopām • Izmanto programmu consense, lai iegūtu konsensusfiloģenētisko koku Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

42. 3 2 1 Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

43. Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

44. Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

45. Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

46. Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

47. Filoģenētiskās analīzes programmas • MEGA (MolecularEvolutionaryGeneticsAnalysis) (http://www.megasoftware.net/) • Tamura K, Dudley J, Nei M, Kumar S (2007) MEGA4: Molecular Evolutionary Genetics Analysis (MEGA) software version 4.0. Molecular Biology and Evolution 24: 1596-1599 • Kumar S, Tamura K, Nei M (2004) MEGA3: Integrated Software for Molecular Evolutionary Genetics Analysis and Sequence Alignment Briefings in Bioinformatics 5:150-163 Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

48. Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

49. Seminārs 17.11.2011.

50. Seminārs • Uzdevumu risinājumi - prezentācija, kurā parādās risinājums soli pa solim • Diskusija par metodēm un iegūtajiem rezultātiem • Konsultācija - ? Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra