Wykład 3 Filogeneza
advertisement
Teorie klasyfikacji klasyfikacja fenetyczna (numeryczna) • systematyka powinna być wolna od wszelkiej teorii (a zwłaszcza od teorii ewolucji) • filogeneza jako ciąg zdarzeń jest niepoznawalna • opiera się na filozofii nominalistycznej • taksony tworzone są wyłącznie na podstawie zaobserwowanego podobieństwa • analizowane jest ogólne podobieństwo, maksimum dostępnych cech, niezależnie od ich natury • wszystkie cechy mają tą samą wagę klasyfikacja fenetyczna (numeryczna) • obliczana jest „odległość” między gatunkami w dowolnej liczbie wymiarów • rezultatem jest dendrogram ilustrujący stosunki podobieństwa fenetycznego - fenogram • fenogram nie ma wymiaru historycznego • końcowe taksony to tzw. OTU (operational taxonomic units) nowa systematyka Huxley J.S. 1940. The New Systematics. London • gatunek jest złożony z populacji • zmienność populacji jest kluczowa dla procesu ewolucyjnego • zmienność populacji jest oparta o zmienność genetyczną testowanie wyników morfologicznych w oparciu o dane ogólnobiologiczne nowa nowa systematyka • podstawową jednostką systematyki jest populacja • zmienność jest zasadniczym elementem istoty i definicji populacji • populacje są systemami dynamicznymi, które ewoluują Gatunek można definiować wyłącznie w kategoriach dynamiki, ewolucji, genetyki, zależności wewnątrzpopulacyjnych, a nie w kategoriach stałych struktur morfologicznych Monofiletyzm grupa monofiletyczna zawiera swój takson macierzysty i wszystkich jego potomków wszyscy członkowie grupy musza posiadać co najmniej jedną cechę apomorficzną Parafiletyzm grupa parafiletyczna zawiera swój takson macierzysty i niektóych jego potomków Polifiletyzm grupa polifiletyczna zawiera potomków różnych przodków plezjomorfia apomorfia morfoklina morfoklina apomorfie synapomorfie plezjomorfie grupa parafiletyczna symplezjomorfie grupy siostrzane dwie monofiletyczne grupy, pochodzące od jednego gatunku macierzystego razem tworzą grupę monofiletyczną wyższej rangi grupy siostrzane A taksony 3 4 5 6 7 8 9 10 kladogramy 3 15 28 945 10 395 135 135 2 027 025 34 459 425 B C wspólny przodek B+C wspólny przodek A+B+C Homologia zgodność organu lub części organu u dwóch (lub więcej) gatunków, jeśli możemy przypuszczać, że ta zgodność wynika z odziedziczenia cechy po ich wspólnym przodku Homologia cechy są homologiczne, jeśli występowała u wspólnego przodka Homologia cechy są homologiczne, jeśli odpowiadają różnym etapom tej samej serii przemian Homoplazja występowanie u różnych taksonów podobnych cech nie będących homologiami Konwergencja podobne cechy pojawiają się niezależnie w różnych liniach ewolucyjnych, nie mających wspólnego przodka Paralelizm ta sama cecha pojawia się niezależnie w dwóch (lub więcej) liniach mających bliskiego wspólnego przodka Rewersja w serii przemian cechy, powraca wtórnie stan morfologiczny podobny do stanu wyjściowego Analogia cechy konwergentne spełniają podobne funkcje Analiza cech polega na odtworzeniu serii przemian cech homologicznych (morfoklin) Kryterium embriologiczne rozkład cech pojawiających się w ontogenezie wcześnie jest bardziej ogólny (plezjomorfia) niż cech pojawiających się późno (apomorfia) Kryterium porównania pozagrupowego jeśli istnieje cecha homologiczna spotykana wewnątrz grupy monofiletycznej i również poza tą grupą, to jest ona cechą plezjomorficzną jeśli cecha homologiczna jest spotykana wyłącznie wewnątrz badanej grupy monofiletycznej to jest ona cechą apomorficzną Kryterium porównania wewnątrzgrupowego kryterium złożoności jeśli różne stany cechy mogą być ułożone w serię o wzrastającej złożoności, to jest prawdopodobne, że stan najprostszy jest stanem plezjomorficznym Kryterium porównania wewnątrzgrupowego kryterium korelacji niektóre cechy są ze sobą ściśle powiązane, znajomość polaryzacji jednej morfokliny może ułatwić określenie polaryzacji dla drugiej Kryterium porównania wewnątrzgrupowego kryterium powszechności jeśli pewien stan cechy jest bardzo rozpowszechniony w badanej grupie, a inny jest dużo rzadszy, to stan częstszy jest prawdopodobnie plezjomorficzny Kryterium paleontologiczne stan cechy pojawiający się w serii skamielin najwcześniej jest najbardziej plezjomorficzny Analiza parsymoniczna zgodna z zasadą tzw. brzytwy Ockhama najlepszy jest model filogenezy, który zakłada najmniejszą liczbę zmian ewolucyjnych kladyzm • organizmy są szeregowane i klasyfikowane wyłącznie w zależności od współczesności ich wspólnego pochodzenia • status kategorii zależy od położenia punktów odgałęzienia na drzewie filogenetycznym • klasyfikacja musi być odbiciem genealogii • taksony muszą być monofiletyczne kladyzm 1. wszystkie organizmy rozmnażające się wyłącznie płciowo mają tylko jedną historię genealogiczną (filogenezę) 2. cechy są przekazywane dziedzicznie z gatunku macierzystego na gatunki potomne, a więc przynajmniej niektóre z cech noszonych przez te ostatnie stanowią dowód pochodzenia 3. zmiany niektórych cech przodków nadają poszczególnym liniom ich specyficzne właściwości klasyfikacja ewolucyjna • klasyfikacja ewolucyjna oparta jest na prostym fakcie, że w przyrodzie występują łatwe do rozgraniczenia grupy • taksonomia ewolucyjna wyjaśnia istnienie takich grup gady ptaki ssaki grupa parafiletyczna gady żółwie łuskonośne krokodyle ptaki ssaki gady żółwie łuskonośne krokodyle ptaki autapomorfie Metody molekularne w taksonomii Dwie szkoły w systematyce Tradycyjna Relacje pomiędzy organizmami opisywane są na podstawie cech fenotypowych: morfo-anatomicznych, fizjologicznych, behawioralnych itp... Nowoczesna Relacje pomiędzy organizmami opisywane są na podstawie informacji pozyskanych bezpośrednio lub pośrednio z sekwencji kwasów nukleinowych (lub protein). Systematyka tradycyjna • Zmienność morfologiczna jest pochodną nagromadzonej zmienności genetycznej • Markery morfologiczne użyteczne na wyższych poziomach systematycznych • Stosowane w zakresie zmian makroewolucyjnych • Zmiany mikroewolucyjne – domena genetyki populacyjnej (demografii) Systematyka molekularna Pozwala badać relacje filogenetyczne na poziomie wewnątrzgatunkowym i wewnątrzpopulacyjnym Filogeografia Bada filogenezę organizmów na poziomie gatunku i populacji Jest pomostem łączącym genetykę populacji i systematykę Filogeografia Określa zasady i procesy leżące u podstaw geograficznego rozmieszczenia linii genealogicznych organizmów (Avise i in. 1987) morfologiczna genetyczna ZMIENNOŚĆ Tradycyjna systematyka (filogeneza) CZAS Genetyka populacyjna (demografia) morfologiczna genetyczna ZMIENNOŚĆ Systematyka molekularna CZAS Filogeografia Dlaczego markery molekularne ? genetyczny charakter danych uniwersalna metodyka praktycznie nieograniczona zmienność Genomy organizmów 0,6 x 106 – 300 x 109 bp = 18 x Różnorodność genetyczna 3 x 109 bp / 3 100 bp różne 1 000 000 różnic 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 genotypów Dlaczego markery molekularne ? genetyczny charakter danych uniwersalna metodyka praktycznie nieograniczona zmienność rozróżnienie cech homologicznych i analogicznych „uniwersalna linijka” w ewolucji molekularnej podstawa mechanistycznego poglądu na ewolucję wyzwanie intelektualne !!! Analiza danych molekularnych • ocena dystansu genetycznego • topologia dendrogramów hierarchicznego podobieństwa genetycznego • analiza wariancji molekularnych (AMOVA) • topologia dendrogramów parsymonicznych • analiza binarna rozmieszczenia haplotypów Rekonstrukcja filogenezy OTU = Operational Taxonomic Units = molekularne jednostki analizy filogenetycznej • zewnętrzne węzły na drzewie to współcześnie żyjące OTU • wewnętrzne węzły to hipotetyczni przodkowie współczesnych OTU • drzewo jest wyskalowane jeśli długości gałęzi odpowiadają liczbie zmian jakie zaszły w toku ewolucji między węzłami • warunkiem użyteczności drzew jest brak połączeń między ich gałęziami • odtworzenie jest możliwe pod warunkiem bifurkacyjnego rozgałęziania drzew • rozgałęzienia multifurkacyjne uniemożliwiają wnioskowanie o pokrewieństwie Wyszukiwanie właściwej (najbardziej prawdopodobnej topologii drzewa) • liczba wersji rozgałęzień drzewa ilustrujących pokrewieństwa między taksonami jest ogromna • dla N = 10 to od 10 milionów do ponad 30 milionów • do wyszukwiania służą skomplikowane algorytmy matematyczne • kalkulacja możliwa jedynie przy użyciu komputerów • algorytmy wyszukują najbardziej prawdopodobne topologie drzew zgodnie z zadanym kryterium optymalizacji • zwykle nie znamy prawdziwej filogenezy dlatego wszelkie prezentowane drzewa są jedynie jej przybliżeniem • metody oparte na odległościach (dystansie genetycznym) • analiza skupień (UPGMA) • metoda łączenia sąsiadów (Neighbor-Joining) • metody oparte na stanach cech • największej oszczędności (MP = Maximum Parsimony) • największej wiarygodności (ML = Maximum Likelihood) • analiza Bayesowska (Bayesian analysis) Metody oparte na odległościach • wywodzą się od macierzy zawierającej oszacowania dystansów genetycznych między wszystkimi parami OTU uwzględnianymi w analizie • macierz dla n OTU zawiera n(n-1)/2 takich odległości UPGMA Unweighted Pair Group Method with Arithmetic Averages Nieważona metoda grupowania par średnimi arytmetycznymi nieważona – wszystkie dystanse są tak samo ważne grupowanie par – liczą się tylko bifurkacje średnie arytmetyczne – odległości pomiędzy kladami są średnimy arytmetycznymi odległości pomiędzy wszystkim członkami obu kladów Neighbor Joining – metoda łączenia najbliższych sąsiadów • metodologicznie zbliżona do analizy UPGMA • modyfikacje macierzy odległości polegają na tym, że długości gałęzi między parami węzłów dopasowywane są na podstawie ich średniej dywergencji czyli odróżnicowania od wszystkich pozostałych węzłów • metoda nie zakłada równego tempa ewolucji między gałęziami • drzewo wyprodukowane za pomocą algorytmu NJ nie jest ukorzenione • drzewo ukorzenić można przez dodanie grupy zewnętrznej lub przez dodanie korzenia w połowie najdłuższej gałęzi łączącej współczesne OTU Metody oparte na stanach cech • nie wymagają tworzenia macierzy dystansów genetycznych • analizują prawdopodobieństwa przejścia między dyskretnymi stanami cech (literami kodu genetycznego) = prawdopodobieństwo substytucji • prawdopodbieństwo tranzycji (A↔G lub C↔T) jest większe niż prawdopodobieństwo transwersji (A,G↔C,T) • metody oparte o stanach cech poszukują drzew o topologii będącej wynikiem sumy najbardziej prawdopodobnych zdarzeń (mutacji) dzielących analizowane sekwencje DNA Metoda największej oszczędności (Maximum parsimony) • działa zgodnie z zasadą brzytwy Ockhama • zakłada że najlepsza topologia to taka, która wymaga najmniejszej możliwej liczby pośrednich kroków mutacyjnych dzielących analizowane sekwencje • miarą wiarygodności topologii jest więc jak najmniejsza suma kroków mutacyjnych koniecznych do jej utworzenia w porównaniu do innych uzyskanych topologii • może istnieć wiele topologii charakteryzujących się tą samą liczbą kroków mutacyjnych • istnieją różne warianty metody parsymonicznej zakładające np. odwracalność lub nieodwracalność mutacji Metoda największej wiarygodności (Maximum Likelihood) • zakłada określony model ewolucji sekwencji DNA w oparciu o dane empiryczne • częstość tranzycji/transwersji lub określonych mutacji wyliczone ze zbioru sekwencji • częstości te opisywane są matematycznie • tworzenie matematycznego modelu procesu ewolucyjnego skutkującego obserwowaną zmiennością w zestawie analizowanych danych • topologia drzewa konstruowana jest w taki sposób aby uwiarygodniała z jak największym prawdopodobieństwem zakładany model ewolucyjny (obserwowany rozkład zmienności danych) • tworzonych jest wiele topologii drzew i wyliczane są prawdopodobieństwa wystąpienia zakładanego modelu ewolucji przy danej topologii • topologia, dzięki której prawdopodobieństwo wystąpienia danego modelu jest najbliższe 1 zostaje wybierana jaka prawdziwa Rzetelność uzyskanej topologii • wynikiem analizy jest zwykle jedno lub wiele równocennych topologii • na ile prawdopodobne jest, że dana topologia w najlepszy sposób obrazuje filogenezę sekwencji? • do oceny tego prawdopodobieństwa służy metoda samopróbkowania „bootstrap” • metoda ta symuluje powtarzanie zbierania danych w celu oszacowania rzetelności drzewa Dziękuję bardzo
