Филогенетические деревья. Продолжение

Выравнивание белковых последовательностей

Для построения дерева были выбраны следующие бактерии:

Название	Мнемоника
Bacillus subtilis	BACSU
Clostridium botulinum	CLOBA
Clostridium tetani	CLOTE
Enterococcus faecalis	ENTFA
Lactobacillus acidophilus	LACAC
Listeria monocytogenes serovar 1/2a	LISMO
Staphylococcus epidermidis	STAES
Streptococcus pneumoniae	STRPN

Дерево содержит 5 нетривиальных ветвей:

1) {CLOTE,CLOBA} против {LACAC,ENTFA,STRPN,BACSU,LISMO,STAES}
2) {ENTFA,STRPN} против {CLOTE,CLOBA,LACAC,BACSU,LISMO,STAES}
3) {LACAC,ENTFA,STRPN} против {CLOTE,CLOBA,BACSU,LISMO,STAES}
4) {BACSU,LISMO} против {CLOTE,CLOBA,LACAC,ENTDA,STRPN,STAES}
5) {BACSU,LISMO,STAES} против {CLOTE,CLOBA,LACAC,ENTDA,STRPN}

Для выбранных бактерий было построено филогенетическое дерево, исходя из последовательностей
фактора элонгации трансляции Ts (мнемоника EFTS). Для этого сначала эти последовательности были
выровнены с помощью Muscle. Выравнивание в формате fasta: pro_tree_1.fasta Также можно
посмотреть проект JalView с выравниванием и отмеченными блоками, которые описаны ниже.

На следующих рисунках показаны блоки(или части блоков), в которых заметна гомологичность всех последовательностей.
Видимо, это активные центры белков. Однако уже в этих консервативных участках наблюдаются некоторые отклонения,
отраженные на дереве. Например, на первом рисунке видны отличия белков из CLOTE и CLOBA от остальных: нет гэпов,
в позиции 168 находится алифатическая аминокислота валин(V)(у остальных последовательностей нейтральные серин и
треонин), в позиции 169 находится глутаминовая кислота(E)(у остальных алифатические аминокислоты в данной позиции),
в позиции 189 у CLOTE и CLOBA глутамин(Q), у остальных же гистидин(H).

Рис.1 Отличия последовательностей CLOTE и CLOBA от остальных: позиции 168, 169, 189

Похожий пример можно увидеть на рис.2, где
в позиции 229 находится ароматический тирозин(T) у CLOTE и CLOBA против алифатических аминокислот в остальних белках.
В целом наблюдается гораздо больше несовпадений в блоках(и между ними) между последовательностями рода Clostridium(в него
входят CLOB1 и CLOTE) и последовательностями класса Bacilli(в него входят ENTFA, LACAC, STRPN, BACSU, LISMO, STAES).

Рис.2 Отличия последовательностей CLOTE и CLOBA от остальных: позиция 229

Внутри порядка Lactobacillales(в него входят ENTFA, STRPN, LACAC) можно выделить множество диагностических позиций
и целых блоков у последовательностей STRPN и LACAC(из-за этого по алгоритму Neighbour-Joining с построением матрицы
расстояний через подсчет процента идентичных позиций (% Identity) STRPN и LACAC выделяются в отдельную кладу).
Примеры на рис.3.

Рис.3 Диагностические позиции и блоки последовательностей STRPN и LACAC

Алгоритм Neighbour-Joining

JalView предлагает три вида алгоритма Neighbour-Joining: с использованием процента идентичных позиций (% Identity), PAM 250 или BLOSUM62.
Также один алгоритм реализован в программе MEGA.
На рис.4 представлено дерево, построенное по алгоритму Neighbour-Joining % Identity, обзор диагностических позиций см. в задании 1. По топологии оно
сильно отличается от других деревьев, построенных в Jalview из-за принципиально другого подсчета матрицы расстояний. Различия можно заметить как во
взаимном расположении бактерий внутри порядков Bacillales и Lactobacillales, так и в расположении этих порядков относительно других таксонов: последовательности
ENTFA, STRPN и LACAC, образующие отдельную кладу на дереве видов, разнесены и по-разному располагаются на каждом из деревьев, например, ENTFA на рис.4
выносится в отдельную от всего остального дерева ветвь. Последовательности BACSU, LISMO и STAES выносятся в отдельную кладу только на рис.5
и рис.6(Neighbour-Joining BLOSUM62 и Neighbour-Joining PAM250, соответственно), однако их локальная топология различается внутри клады.

Рис.4 Филогенетическое дерево, построенное с использованием алгоритма Neighbour-Joining Using % Identity

Деревья, построенные по алгоритмам Neighbour-Joining BLOSUM62 и Neighbour-Joining PAM250 отличаются между собой расположением последовательности ENTFA относительно
порядка Bacillales и рода Clostridium(на рис.5 ENTFA выделен в отдельную ветвь относительно упомянутых таксонов, а на рис.6 нет), а также локальной топологией внутри
Bacillales(на рис.5 BASCU и STAES выделены в отдельную кладу, а LISMO находится отдельно, но на рис.6 кладу составляют BASCU и LISMO).
Ни одна из реализаций этого алгоритма не привела к абсолютно правильному дереву.

Рис.5 Филогенетическое дерево, построенное с использованием алгоритма Neighbour-Joining Using BLOSUM62

Рис.6 Филогенетическое дерево, построенное с использованием алгоритма Neighbour-Joining Using Pam250

На рисунке 7 представлено дерево, построенное программой MEGA. Оно отличается от предыдущих деревьев и является наиболее приближенным к реальному дереву, полученному исходя из дерева видов.
Отличия заключаются во взаимном расположении бактерий внутри класса Bacilli. По дереву видов BACSU, LISMO и STAES составляют отдельную кладу, выделяющуюся в порядок Bacillales, а ENTFA,
STRPN и LACAC объеденены в кладу, опредляющую порядок Lactobacillales. На дереве, построенном в MEGA, последовательности ENTFA и LISMO выделены в отдельную кладу, а при укоренении дерева
в ветвь Clostridium(CLOB1, CLOTE), ветвь порядка Lactobacillales(LACAC, STRPN) отходит от ветви класса Bacilli раньше, чем ветвь порядка Bacillales(BACSU, STAES).

Рис.7 Филогенетическое дерево, построенное с использованием алгоритма Neighbour-Joining в программе MEGA.

Источники:

[1] NCBI