Эволюционные домены. Занятие 10.

1. Построить филогенетическое дерево по выравниванию представителей домена, полученному в практикуме 9.
Вынесите свое заключение о возможном пути эволюции доменной архитектуры.

Для построения филогенетического дерева были перекодированы имена последовательностей так, чтобы в названии каждой из них отражалась доменная архитектура и сравниваемые таксоны.
Так как для сравнения были выбраны двухдоменная и четырёхдоменная архитектуры, то разумно закодировать соответствующие доменные архитектуры цифрами 2 и 4. Соответствующие выбранные таксоны были обозначены следующим образом:

En - Enterobacteriales. V - Vibrio. Act - Actinobacillus. Hae - Haemophilus. Agg - Aggregatibacter.

Построения дерева на основе полученного выравнивания было выполнено методами UPGMA (предполагает молекулярные часы, строит укоренённое дерево) и Neighbor-Joining (не использует гипотезу о молекулярных часах и строит неукоренённое дерево), чтобы затем иметь возможность сравнить построенные деревья.

Полученные с помощью программы MEGA изображения построенных деревьев (и отдельно топологии этих деревьев) приведены ниже.

UPGMA	Neighbor-Joining
UPGMA (филогения)	Neighbor-Joining (филогения)

Скобочные формулы для деревьев (формат Newick): UPGMA, Neighbor-Joining.

Для наглядности демонстрации результата можно использовать выделение цветом клад дерева по доменной архитектуре (сделано ниже на примере дерева с использованием Boot-strep).

Серия изображений выше демонстрирует, что доменные архитектуры (2 и 4) чётко разграничены в эволюции и их разделение произошло «давно» (в эволюционном смысле).
Дерево, построенное методом UPGMA, практически полностью (за исключением некоторых последовательностей) совпадает с деревом, реконструированным по методу Neighbor-Joining и укоренённым таким образом, чтобы две клады соответствовали доменным архитектурам (вообще, такое укоренение не всегда возможно, если рассматривать всё множество возможных топологий для рассматриваемых последовательностей).
Так как выбранный изначально домен оказался распространен только в роде Vibrio, разделить эту кладу было невозможно, однако, она достоверно воспроизводится во всех построенных деревьях.
Разделение на выбранные подтаксоны для последовательностей с рассматриваемой двухдоменной архитектурой чётко прослеживается в построенных деревьях Лишь одна последовательность из рода Haemophilus затесалась в кладе рода Actinobacillus. Остальные последовательности разделились "таксономически правильно".

Для оценки достоверности полученных деревьев, кроме сравнения различных методов построения деревьев (впрочем, весьма схожих, за редким исключением), был использован бутстрэп-анализ, на основании которого можно получить информацию о поддержке ветвей. Изображение для консенсусного дерева, реконструированного по методу UPGMA с использованием Bootstrap (число реплик – 100), приведено ниже.
Как видно, деление дерева на 2 клады по доменной архитектуре присутствовало в 100% деревьев при анализе Bootstrap. Также высокую поддержку имеют ветви, ведущие к подтаксонам для двухдоменной архитектуры. Так, например, Enterobacteriales выделяются в отдельную ветвь в 100% случаев, а деление Pasteurellales (которые выделяются в отдельную ветвь в 98% случаев) на роды Actinobacillus, Haemophilus и Aggregatibacter появляется в не менее, чем 98% случаев.

no picture here

Boot-strep анализ.

По итогам практикумов 9 и 10 можно предположить, что некий предок имел доменную архитектуру более близкую к 4-х доменной архитектуре Vibrio. Как мы помним, их домены имеют меньше неструктурированных участков, а значит, меньше подвергались мутациям, чем 2-доменная архитектура других Gammaproteobacteria.

Также вспомним, что с доменом Helicase_RecD наиболее характерны архитектуры по 3-5 доменов, и, вероятно, 2-доменная архитектура была получена путем частичной утраты доменов.

Скорее всего, это произошло эволюционно очень давно, так как данная архитектура распространена во многих отрядах.

На страницу 4 семестра