Лекция 13 Эволюционные модели и построение филогений

Лекция 13 Эволюционные модели и построение филогений Специальный курс лекций «Генетические аспекты биотехнологии животных»

Рассматриваемые вопросы 1. Филогенетические системы. Филогенез и кладогенез 2. Основные методы построения эволюционных деревьев 3. Метод молекулярных часов 4. Генные и видовые деревья 5. Тестирование достоверности филогенетических деревьев топологии 6. Программное обеспечение для построения филогений 7. Проблемы построения корректных филогений

1 Филогенетические системы Филогенез и кладогенез Молекулярная филогенетика — способ установления родственных связей между живыми организмами на основании изучения структуры полимерных макромолекул — ДНК, РНК и белков Результатом молекулярно-филогенетического анализа построение филогенетического дерева живых организмов Филогенез — историческое развитие организмов и групп, развитие биологического вида во времени (Э. Геккель, 1866) Кладогенез - эволюция группы живых организмов, приводящая посредством дивергенции к увеличению числа видов, родов, семейств (Б. Реншем, 1947) является

1 Филогенетические системы. Филогенез и кладогенез Кладограмма Филогенетическое дерево Хронограмма

1 Филогенетическое дерево кластер индекс достоверности лист ветвь узел корень немаркированная ветвь внешняя группа Сетевое филогенетическое дерево

2 Основные методы эволюционных деревьев построения Методы построения филогенетических деревьев Дистанционные NJ ME UPGMA Дискретные MP ML

2 Основные методы эволюционных деревьев Дистанционные построения Дискретные Виды Число хромосом Дистанция Виды Число хромосом Параметр А 8 А/В: 2 А/С: 8 A/D: 2 А 8 A/B: 0 A/C: 0 A/D: 0 В 10 В/А: 2 В/С: 6 B/D: 0 В 10 В/А: 0 В/С: 0 B/D: 1 С 16 C/A: 8 С/В: 6 C/D: 6 С 16 C/A: 0 С/В: 0 C/D: 0 D 10 D/A: 2 D/B: 0 D/C: 6 D 10 D/A: 0 D/B: 1 D/C: 0

2 Дистанционные методы построения деревьев. Unweighted Pair Group Method with Arithmetic Mean (UPGMA) (Sokal and Michiner, 1958) 1 0 2. 06 4. 03 2. 06 0 2. 50 4. 12 4. 03 2. 50 0 2. 24 6. 32 4. 12 2. 24 6. 32 0 0 2. 50 4. 12 2. 50 0 2. 24 4. 12 2. 24 0 3 0 2. 50 0 2, 06 2, 24 2, 50 2

2 Дистанционные методы построения деревьев. Neighbour joining (NJ) и Minimum evolution (ME) (Saitou N. , Nei M. , 1987) A B C D 1 u C D A 0 7 11 14 u 0 5 8 B 7 0 6 9 C 5 0 7 C 11 6 0 7 D 8 7 0 D 14 9 7 0 2

2 Дискретные методы построения деревьев. Maximum parsimony (MP) (Eck and Dayhoff, 1966; Fitch, 1977) (рис. Дашкова М. Л. с изм. )

2 Дискретные методы построения деревьев. Maximum parsimony (MP) Рис. с сайта http: //science. kennesaw. edu/

2 Дискретные методы построения деревьев. Maximum likelihood (ML) (Felsenstein, 1981) Преимущества метода: 1. Более точный (ошибки выборки мало влияют на результат) 2. Применимы для работы с короткими последовательностями 3. Статистически обоснованный 4. Использует всю информацию о последовательности Рис. с сайта http: //www. applied-maths. com/ Недостатки метода: 1. Требует большого числа вычислений и поэтому медленный 2. Чувствителен к ошибкам выбора модели нуклеотидных замещений (требует предварительной проверки модели)

2 Выбор метода построения филогений Сформировать группу последовательностей Да Существует строгое сходство последовательностей? Parsimony Maximum Likelihood Нет Maximum Likelihood, ограниченный регионами видимого сходства Нет Да Существует узнаваемое (видимое) сходство последовательностей? Дистанционные методы

3 Датирование эволюционных деревьев. Метод молекулярных часов Молекулярные часы — метод датирования филогенетических событий (расхождений видов или других таксонов), основанный на гипотезе molecular clock hypothesis, согласно которой эволюционно значимые замены мономеров в нуклеиновых кислотах или аминокислот в белках происходят с практически постоянной скоростью Э. Цукеркэндл, Л. Полинг, 1962 (из Peterson et al. 2004)

3 Датирование эволюционных деревьев. Метод молекулярных часов Палеонтологические данные 200 млн лет Общий предок 2 Общий предок 1 Время

4 Генные и видовые деревья Кладограмма дивергенции видов А В С Кладограмма дивергенции генов А a a a b В c b С

4 Генные и видовые деревья А a 1 a 2 В a 2 a С a 1

5 Тестирование достоверности топологии филогенетических деревьев Бутстрэп-анализ — практический компьютерный метод определения статистик вероятностных распределений, основанный на многократной генерации выборок методом Монте-Карло на базе имеющейся выборки (B. Efron, 1979) (P. Jiang et al. 2012)

5 Тестирование достоверности топологии филогенетических деревьев Исходные последовательности 000001111122 12345678901 1 AATCGTTCGATGACTTCGGAG 2 AAGGACTCGTCGACCTCAGAG 00000111111122122 456789789014545901901 1 CGTTCGTCGATCTCTGAGGAG 2 GACTCGTCGTCCCCCGAGGAG 000011111122 1256787801212345678801 1 AAGTTCTCATGTGACTTCGGAG 2 AAACTCTCTCGCGACCTCAAAG Симулированные последовательности (реплики)

5 Тестирование достоверности топологии филогенетических деревьев (P. Jiang et al. 2012)

6 Программное обеспечение для построения филогений

6 Программное обеспечение для построения филогений

7 Проблемы построения корректных филогений • Неопределенность генетических границ видов • Искажение хронологий, вызванное неравномерностью молекулярной эволюции в отдельных таксонах • Насыщение нуклеотидными заменами последовательностей генов с высоко консервативным продуктом • Гипотеза существования «марковских» генов, эволюция которых достигла стационарного состояния

7 Проблемы построения корректных филогений • Неопределенность генетических границ видов А 2 В 0, 03 0, 02 А 1

7 Проблемы построения корректных филогений • Искажение хронологий, вызванное неравномерностью молекулярной эволюции в отдельных таксонах

7 Проблемы построения корректных филогений Насыщение нуклеотидными заменами последовательностей генов с высоко консервативным продуктом ложный возврат ACGTTACTGAATCG родительская последовательность дочерние последовательности 1 ACATTACTGAATCG ACCTTACTGAACCG дочерние последовательности 3 дочерние последовательности 2 ACGTTACTGAACCG ACCTTACTGAAGCG ACATTACTGAATCG ACATTACTGAAGCG дочерние последовательности 4 дочерние последовательности 5 ACATTACTGAAGCG ACCTTACTGAAGCG ACATTACTGAATCG ACATTACTGAAGCG гомоплазии

7 Проблемы построения корректных филогений • Гипотеза о существовании «марковских» генов, эволюция которых достигла стационарного состояния