Практикум №2

Создание выравниваний

В этом практикуме необходимо создать выравнивание последовательностей цитохромов В из выбранных организмов практикума №1, реконструировать дерево тремя способами, визуализировать их с помощью iTOL и сравнить деревья с деревом видов.

Для справки: Цитохром B — это белок, являющийся ключевым компонентом дыхательной цепи митохондрий. Этот ген есть в митохондриальной ДНК у всех животных и поскольку он очень важен для жизни, он является одним из самых популярных молекулярных маркеров в филогенетике.

Для построения выравнивания цитохромов В был создан список cyb_list формата sw:cyb_*, далее выполнили команду:

seqret @cyb.list cyb.fasta

После выполнения этой команды, появился файл с названием cyb.fasta c аминокислотными последовательностями для каждого из выбранных организмов. Далее необходимо выровнять эти последовательностями, воспользуемся следующей командой: 

muscle -align 
cyb.fasta -output cyb-alignment.fasta
Выдача

Реконструирование филогенетических деревьев

Перед выполнением этой части задания необходимо перевести выравнивания в единственный формат, который воспринимается программой FastME ("phylip-relaxed").

Была написана программа, берующая на вход выравнивание в формате fasta и выдающая выравнивание в формате phylip-relaxed.

Выдача

1. Программа FastME

Для построения дерева FastME использует эволюционные расстояния, в этом практикуме рассмотрим две модели: p-distance и MtREV.

  • p-distance

    • Это самая простая модель, которая считает расстояние как долю различающихся позиций в выравнивании. Команда:

    fastme -i cyb.phy -pp -o cyb_fastme_p.tre
    -i cyb.phy - входной файл
    -pp - модель эволюционных расстояний
    -o cyb_fastme_p.tre - выходной файл со скобочной формой дерева

  • MtREV

    • Это уже специализированная модель для митохондриальных белков, учитывающая множество факторов, которые упускает модель p-distance. Команда: 

    fastme -i cyb.phy -pM -o cyb_fastme_mtrev.tre
    -i cyb.phy - входной файл
    -pM - модель эволюционных расстояний
    -o cyb_fastme_mtrev.tre - выходной файл со скобочной формой дерева

    2. Программа IQ-Tree

    Эта программа использует метод максимального правдоподобия, то есть сама ищет наиболее вероятную модель эволюции, которая больше подходит под наши последовательности. Команда:

    iqtree -s cyb.phy

    Программа создает несколько файлов, нужный нам - cyb.phy.treefile (файл со скобочной формулой дерева)

    Визуализация и сравнение деревьев

    Рис.1 Изображение филогенетического дерева по цитохрому В, построенного программой FastME по модели p-distance (метод minimum evolution)
    Рис.2 Изображение филогенетического дерева по цитохрому В, построенного программой FastME по модели MtREV
    Рис.3 Изображение филогенетического дерева по цитохрому В, построенного программой IQ-TREE (метод максимального правдоподобия)
    Рис.4 Изображение филогенетического дерева, построенного по таксономии

    Все три реконструированные дерева верно отделяют ракообразных (ARTSF) от остальных организмов. Наибольшие расхождения с таксономией затрагивают TETBI - гигантскую коллемболу (ногохвостка, паукообразные), которую никакой метод не отнес к отдельной группе. Группа комаров (ANOGA, AEDAE, ANOQU) формировала кладу во всех трёх деревьях. Дрозофилы в основном тоже обособлялись одной группой, однако при использовании p-distance DROSU обособляется и сближается с пчелой APILI. Наименьшее количество противоречий с таксономией наблюдается в деревьях, построенных с использованием моделей MtREV и IQ-TREE.