Филогенетические деревья, реконструированные разными способами.

Для реконструкции филогенетических деревьев использовалось "эталонное" выравнивание доменов семейства Asparaginase (точнее, его участок - см. benchmark.msf - в задании разрешается), полученное из базы данных Pfam (как это происходило - см. страничку"Сравнение фрагмента полного множественного выравнивания...". Вот:

*

2

0

*

4

0

*

6

0

*

A

S

P

G

_

M

Y

C

L

E

:

G

V

V

V

T

H

G

T

D

T

M

E

E

T

A

L

W

L

D

L

T

Y

A

G

-

N

V

P

V

V

L

T

G

A

M

R

S

A

D

A

P

N

A

D

G

P

T

N

L

R

E

A

L

A

V

A

A

S

P

A

A

R

G

V

G

V

L

V

S

F

:

6

9

A

S

P

G

2

_

Y

E

A

S

:

G

A

V

V

T

H

G

T

D

T

M

E

E

T

A

F

F

L

D

L

T

I

N

S

-

E

K

P

V

C

I

A

G

A

M

R

P

A

T

A

T

S

A

D

G

P

M

N

L

Y

Q

A

V

S

I

A

A

S

E

K

S

L

G

R

G

T

M

I

T

L

:

6

9

A

S

P

G

1

_

B

A

C

S

:

G

F

V

I

T

H

G

T

D

T

M

A

Y

T

S

A

A

L

S

Y

M

L

Q

H

A

K

K

P

I

V

I

T

G

S

Q

I

P

I

T

F

Q

K

T

D

A

K

K

N

I

T

D

A

I

R

F

A

C

E

G

-

-

-

V

G

G

V

Y

V

V

F

:

6

7

A

S

P

G

4

_

S

C

H

P

:

G

I

V

I

T

H

G

T

D

S

L

E

E

T

A

M

F

L

D

L

T

I

S

T

-

A

K

P

I

V

V

V

G

A

M

R

P

S

T

A

I

G

A

D

G

P

M

N

L

L

N

A

V

A

V

A

S

S

N

Q

S

M

G

R

G

T

L

V

L

L

:

6

9

G

A

T

D

_

M

E

T

K

A

:

G

V

V

I

G

H

G

T

D

T

M

A

F

T

A

A

A

L

S

F

V

I

E

G

L

N

G

P

V

V

L

V

G

A

Q

R

S

S

D

R

P

S

S

D

A

A

S

N

L

I

A

A

C

A

F

A

G

D

G

E

-

-

V

G

E

V

T

V

C

M

:

6

8

G

V

H

G

T

D

T

L

P

G

D

N

A

A

Построение дерева по алгоритму UPGMA.

Для работы была создана Excel-книга UPGMA.xls.

1. Построние матрицы "наивных" эволюционных расстояний между последовательностями "эталонного" множественного выравнивания домена.

   Эволюционным расстоянием (D) считаем величину D = 100 – P, где P — процент идентичности. На основании матрицы попарных совпадений (см. "Практикум 10") проводились расчеты; была создана матрица попарных эволюционных расстояний.
   Результат - см. UPGMA.xls ; лист "Distances".

2. Построение дерева.

   Результат - см. UPGMA.xls ; лист "UPGMA". Порядок действий - cогласно алгоритму UPGMA (см. "Подсказки..." - подробное описание):

   • выбор наименьшего элемента матрицы эволюционных расстояний (D; ячейка выделена красным цветом);
   • продолжение "Шаг 1": объединение ближайших последовательностей в один кластер; расстояния от нового кластера до каждой из оставшихся последовательностей вычисляются как среднее расстояние до объединенных последовательностей;
   • выбор наименьшего элемента получившейся матрицы;
   • "Шаг 2" : ... (повторение процедуры - в результате очередного шага либо есть уже построенное дерево, либо получаем ситуацию, позволяющую перейти к следующему аналогичному шагу);
   • на каждом этапе обсчитываем высоту нового кластера, длин созданных ребер [L = d – ρ, где d — расстояние между кластерами, а ρ — высота кластера]... Подробнее см. "Подсказки...". Формулы - в соответствующих ячейках таблицы;
   • было сделано 3 шага; на первом минимальным оказывалось расстояние от листа ASPG_MYCLE до кластера { ASPG2_YEAST,ASPG4_SCHPO}; на втором - расстояние между двумя листьями: ASPG1_BACSU и GATD_METKA.
   • Полученная правильная скобочная формула (с указанием длин ветвей):
     (((ASPG4_SCHPO:19, ASPG2_YEAST:19):4, ASPG_MYCLE:23):9.25,(ASPG1_BACSU:28, GATD_METKA:28):32.25);

Получение и cравнение 2 изображений построенного дерева.

Визуализация такая:

Изображение, полученное drawgram.	Изображение, полученное drawtree.

Программа drawgram построила укорененное дерево, а программа drawtree — неукорененное. Объективно, они дают представления о топологии, но не дают (связано это с работой алгоритма UPGMA (расстояния вычислялись как среднее арифметическое): "Алгоритм строит ультраметрическое дерево, а это означает, что скорость эволюции предполагается одинаковой для всех ветвей дерева. Использовать этот алгоритм имеет смысл только в случае ультраметрических данных (справедливости «молекулярных часов»)".) - о скоростях мутаций, "приведших" к формированию последовательностей. Да и насчет топологии - тоже следует уточнить:"помехой" может стать длина рассматриваемого участка выравнивания (малый объем выборки).

Лучше мое представление о данном дереве отражает вариант drawgram - укорененное дерево, т.к., строя правильную скобочную структуру в соответствии с алгоритмом UPGMA, мы "последовательно двигались" от листьев к корню (наличие корня и отражено в выдаче drawgram). Неукорененное дерево от drawtree в известной мере затрудняет кратко описать сценарий эволюции, т.к. по нему неясно, где может вообще находиться гипотетический общий предок.

Cценарий эволюции (по реконструкции drawgram): от гипотетической общей предковой последовательности домена (я считаю, что говорить при некоторых допущениях можно именно о последовательности домена. Обоснование - работа над заданием 12 практикума (выяснилось, что белки с доменом аспарагиназа - преимущественно однодоменные)) аспарагиназы произошли предковые последовательности двух типов. От одной из них поизошли последовательности домена аспарагиназы BACILLUS SUBTILIS (ASPG1_BACSU) и METHANOPYRUS KANDLERI (GATD_METKA) ; от другой - последовательность домена аспарагиназы MYCOBACTERIUM LEPRAE (ASPG_MYCLE) и предковая последовательность домена аспарагиназы SCHIZOSACCHAROMYCES POMBE(ASPG4_SCHPO) и SACCHAROMYCES CEREVISIAE (ASPG2_YEAST). В свою очередь, эта предковая последовательность - последняя из вышеназванных - дала начало соответствующим последовательностям SACCHAROMYCES CEREVISIAE и SCHIZOSACCHAROMYCES POMBE.

Примечания (информация по систематике; получена через поисковую систему SRS - http://srs.ebi.ac.uk/):
BACILLUS SUBTILIS (систематика: BACTERIA; FIRMICUTES; BACILLALES; BACILLACEAE; BACILLUS)
METHANOPYRUS KANDLERI (систематика: ARCHAEA; EURYARCHAEOTA; METHANOPYRI; METHANOPYRALES; METHANOPYRACEAE; METHANOPYRUS)
MYCOBACTERIUM LEPRAE (BACTERIA; ACTINOBACTERIA; ACTINOBACTERIDAE; ACTINOMYCETALES; CORYNEBACTERINEAE; MYCOBACTERIACEAE; MYCOBACTERIUM)
SCHIZOSACCHAROMYCES POMBE (EUKARYOTA; FUNGI; ASCOMYCOTA; SCHIZOSACCHAROMYCETES; SCHIZOSACCHAROMYCETALES; SCHIZOSACCHAROMYCETACEAE; SCHIZOSACCHAROMYCES) и SACCHAROMYCES CEREVISIAE (EUKARYOTA; FUNGI; ASCOMYCOTA; SACCHAROMYCOTINA; SACCHAROMYCETES; SACCHAROMYCETALES; SACCHAROMYCETACEAE; SACCHAROMYCES)
SACCHAROMYCES CEREVISIAE (EUKARYOTA; FUNGI; ASCOMYCOTA; SACCHAROMYCOTINA; SACCHAROMYCETES; SACCHAROMYCETALES; SACCHAROMYCETACEAE; SACCHAROMYCES)

Получение и описание дерева, построенного по методу ближайших соседей.

Результат визуализации:

Изображение, полученное drawgram (укорененное дерево... Филограмма).	Изображение, полученное drawtree (неукорененное дерево).

Итак, построение дерева методом ближайших соседей (neighbor-joining) произведено. Т.к. метод строит неукорененное дерево, то оптимальной является визуализация drawtree (неукорененное дерево - его надо понимать как множество всех возможных укоренений). Поэтому и стратегию, в данном случае, разумно приводить по неукорененному дереву. В свою очередь, неукорененные NJ-дерево и UPGMA-дерево фактически оказываются одинаковыми: одинаково взаимное расположение ветвей; про длину ветвей речь не идет (алгоритмы ведь разные). Что касается укорененных NJ-дерева и UPGMA-дерева, то здесь есть некоторое расхождение (а именно, более раннее "отщепление" последовательности ASPG_MYCLE).
Ответ на ГЛАВНЫЙ вопрос: при реконструкции деревьев разными методами в целом (речь идет о топологии - по "временным" показателям (скорость накопления мутаций в различных систематических группах) сравнивать некорректно /алгоритмы-то разные/) сценарий эволюции не изменился.