Metoda przyłączania sąsiadów

Konstruowanie drzew
filogenetycznych
Magda Mielczarek
Katedra Genetyki
Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu
Drzewa filogenetyczne
•
•
•
•
ukorzenione i nieukorzenione
binarność konstrukcji
topologia (sposób rozgałęziana się drzewa)
długość gałęzi, a czas ewolucji
Drzewo ukorzenione
korzeń
gałąź
Drzewo nieukorzenione
A
C
węzeł
liść
A
B
C
D
B
D
Metody konstrukcji drzew
 Oparte na odległościach pomiędzy sekwencjami
 Konwertowanie znaków na odległości ewolucyjne
Metody odległościowe
 Oparte bezpośrednio na znakach sekwencji
 Zliczanie mutacji zgromadzonych w sekwencjach
Metody oparte na znakach
Metody konstrukcji drzew
 Metoda średnich połączeń (Unweighted pair group method with
arithemtic mean, UPGMA)
 Metoda przyłączania sąsiadów (Neighbor- joining, NJ)
Metody odległościowe
Metoda parsymonii (Parsimony)
Metoda największej wiarygodności (Maximum likelihood)
Metody oparte na znakach
 i inne…
Metoda średnich połączeń
•
•
•
•
najprostsza z metod
algorytm analizy skupisk,
redukcja macierzy odległości
drzewa ukorzenione
ograniczenie – hipoteza zegara
molekularnego
Metody odległościowe
Metoda przyłączania sąsiadów
• algorytm analizy skupisk
• pary sekwencji o najmniejszej odległości = sąsiedzi
• drzewa nieukorzenione
• dopuszczenie założenia różnej szybkości ewolucji
Metody odległościowe
Oprogramowanie - PHYLIP
http://mobyle.pasteur.fr/cgi-bin/portal.py?form=neighbor
Metoda parsymonii
EWOLUCJA PRZEBIEGA NAJKRÓTSZĄ Z MOŻLIWYCH DRÓG!
•
•
•
•
•
stworzenie wszystkich możliwych topologii i wybór tej, która
zakłada najmniejszą liczbę mutacji
uwzględnienie tempa ewolucji różnych rodzajów mutacji
wykorzystanie pozycji informatywnych
drzewa nieukorzenione
przyciąganie się długich gałęzi
Metody oparte na znakach
Oprogramowanie - PAUP
PAUP – www.paup.csit.fsu.edu/
Metoda największej wiarygodności
• wybór hipotezy oparty na wartościach o największym
prawdopodobieństwie
• wyszukanie każdej możliwej topologii i uwzględnienie każdej
pozycji w przyrównaniu
• wykorzystanie informacji zawartej w całej sekwencji, a nie
tylko w pozycjach informatywnych
• wykorzystanie modeli sybstytucyjnych
• brak efektu przyciągania długich gałęzi
• czasochłonna
Metody oparte na znakach
Oprogramowanie - Treefinder
www.treefinder.de
Oprogramowanie - PHYLIP
PHYLIP - www.phylip.com/
Oprogramowanie - MEGA
MEGA - www.megasoftware.net/
Tworzenie drzewa – instrukcja krok po
kroku
• Wybór i zgromadzenie
sekwencji do budowy drzewa
• Przyrównanie sekwencji
(alignment)
• Konstrukcja drzewa za pomocą
jednej z kilku metod
• Przedstawienie drzewa w
formie odpowiedniej dla
odbiorców
Wybór sekwencji
Wybór sekwencji
Zależny od problemu!
• Filogeneza konkretnych organizmów (wybór dowolnego
genu)
• Ewolucja konkretnego genu (sekwencje pochodzące od wielu
gatunków)
• Wybór markera - ewolucja ani zbyt szybka, ani zbyt powolna,
regiony zmienne, regiony konserwatywne ?
 Shields F.G. 2000. Phylogeny of mitochondrial DNA variation in
brown bears and polar bears. Molecular Phylogenetics and
Evolution 15:319-326.
Sekwencje homologiczne
Homoplazja
Homologia  ortologi (specjacja)
 paralogi (duplikacja)
Basic Local Alignment Search Tool
Sekwencje nuklotydowe – format
FASTA
Format zapisu : FASTA, EMBL, NEXUS, CGC, NBRF, itd…
Nastąpiła konieczność zmiany nazwy w nagłówku każdej z sekwencji napiszmy program!
Nowy identyfikator
sekwencji
Przyrównanie sekwencji (alignment)
Przyrównanie
– seaview,
clustal
Przyrównane
sekwencje
Stwierdzone różnice między sekwencjami świadczą o mutacjach, które
zaszły po rozdzieleniu się sekwencji od wspólnego przodka
Tworzenie drzewa na
przykładzie programu
Treefinder
Tworzymy drzewo filogenetyczne!
Ćwiczenia
Wykonywane wspólnie
• Bioedit (www.mbio.ncsu.edu/bioedit/bioedit.html)
• Treefinder (www.treefinder.de)
Wykonywane samodzielnie
• Lista zadań PB_5
Literatura:
Książki:
 Hall G.B. 2008. Łatwe drzewa filogenetyczne. Poradnik
użytkownika. Wydawnictwa Uniwersytetu Warszawskiego.
Warszawa
 Higgs P. , Attwood T. K. 2011. Bioinformatyka i ewolucja
molekularna. Wydawnictwo Naukowe PWN. Warszawa
 Xiong J. 2006. Podstawy bioinformatyki. Wydawnictwa
Uniwersytetu Warszawskiego. Warszawa
Artykuły:
 Rogalla D., Rogalla M. 2007. Konstrukcja drzew filogenetycznych
– podstawy teoretyczne.
 Shields F.G. 2000. Phylogeny of mitochondrial DNA variation in
brown bears and polar bears. Molecular Phylogenetics and
Evolution 15:319-326