Анализ и визуализация деревьев при помощи програмного пакета PHYLIP

Программы пакета PHYLIP используются для построения и визуализации филогенетических деревьев. Исследованы два метода восстановления филогенетических деревьев — Bootstrap и Jackknife. Оба они основаны на том, что из имеющегося выравнивания последовательностей они случайным образом создают некоторое количество новых и строят не одно, а группу деревьев. После сравнения топологий этих деревьев методом Maximum Likelihood строится консенсусное дерево, на котором представлены ветви, чаще всего встречающиеся среди построенных деревьев.
В качестве исходных последовательностей были выбраны листья дерева, корнем которого является кодирующая нуклеотидная последовательность белка PHOQ_ECOLI.

Bootstrap-анализ выравнивания мутированных последовательностей, соответствующих листьям дерева

Алгоритм Bootstrap основан на том, что новые выравнивания создаются из исходного путём замены 50% позиций в исходном выравнивании на другие столбцы этого выравнивания (программа seqboot.exe). По полученным выравниваниям было построено 100 деревьев, причём значение отношения транзиций и трансверсий было выбрано равным 1 (программа dnaml.exe). Затем было создано консенсусное дерево (программа consence.exe), которое представлено ниже.

                +--------------------Mut C
                |
         +100.0-|             +------Mut F
         |      |      +-60.0-|
         |      +100.0-|      +------Mut A
  +------|             |
  |      |             +-------------Mut B
  |      |
  |      +---------------------------Mut E
  |
  +----------------------------------Mut D

Примечание: на внутренних ветвях консенсусного дерева указан процент встречаемости их в 100 построенных деревьях (бутстреп-значения).

Jackknife-анализ выравнивания мутированных последовательностей, соответствующих листьям дерева

Методом Jackknife из исходного выравнивания случайным образом вырезает половину ветвей — так появляются новые выравнивания, на основании которых строится консенсусное дерево. Использованы те же программы, что и для Bootstrap, было построено 100 деревьев, отношение транзиций к трансверсиям выбрано равным единице.

                              +------Mut E
                       +100.0-|
                +100.0-|      +------Mut D
                |      |
         +-59.0-|      +-------------Mut C
         |      |
  +------|      +--------------------Mut B
  |      |
  |      +---------------------------Mut A
  |
  +----------------------------------Mut F

Ни один из методов не реконструировал дерево с правильной топологией, однако следует обратить внимание на два факта. Во-первых, в исходном дереве длина ветви ((A,B),(C,D,E,F)) равна всего 7 мут/100нук, что очень мало, поэтому лист F все время стремится разрушить узел AB. Во-вторых, бутстреп-значения неправильно восстановленных ветвей тоже малы (60 и 59), что может говорить о недостоверности этого восстановления. Оба метода не восстановили ветвь ((A,B),все остальное), бут-стреп значения этой ветви в первом случае, оказалось равным 17, во втором 26.

Графические изображения дерева

С помощью программы drawtree.exe создано два графических изображения дерева, полученного методом Neighbor-Joining: в бескорневом виде и в виде филограммы, ориентированной горизонтально и укоренённой в среднюю точку. Для переукоренения дерева была использована программа retree.exe.
Ниже представлены полученные изображения деревьев (слева — в бескорневом виде, справа — в виде филограммы).

Восстановление предковой последовательности для выравнивания

Пакет PHYLIP также позволяет восстанавливать предковые последовательности (узлы дерева) по выравниванию имеющихся (листьев дерева). Была использована программа dnaml.exe.

Получившееся дерево

  +-------------------------------------Mut_F     
  |  
  |  +-----------Mut_B     
  4--1  
  |  |         +------Mut_C     
  |  +---------3  
  |            |    +--Mut_E     
  |            +----2  
  |                 +---Mut_D     
  |  
  +--------Mut_A

Выравнивания для узла1, узла 2, узла 3, узла 4 с корнем.
Из представленных выравниваний можно заключить, что наиболее близким к предковой последовательности оказался узел 4 (у него больше процент Identity и Similarity). Оба метода не восстановили ветвь ((A,B),все остальное), бут-стреп значения этой ветви в первом случае, оказалось равным 17, во втором 26.

Важно заметить, что в некоторых позициях алгоритм не восстанавливает нуклеотид точно. Вместо конкретных нуклеотидов в этих позициях указывается символ, обозначающий любой из нескольких возможных нуклеотидов. Эти обозначения включены и в матрицу замен, которую использует needle, и из-за наличия в выравнивании букв, отличных от A, G, C, T, значения для процентов Identity и Similarity отличаются.
Со списком обозначений можно ознакомиться на сайте EBI.