Алгоритмы филогенетической реконструкции

Петренко Павел

Факультет биоинженерии и биоинформатики, Московский Государственный Университет имени М.В.Ломоносова

Выбранные животные

Напомню, что я в текущем блоке биоинформатики выбрал для работы рукокрылых. Конкретные зверюшки, их таксономия и мнемоника представлены в первом отчёте.

Построение выравнивания цитохромов B из выбранных животных

Сначала в рабочей директории создали текстовый файл cyb.list со следующими строками:

sw:cyb_GLOLE
sw:cyb_GLOSR
sw:cyb_PYGBL
sw:cyb_RHIFE
sw:cyb_ARTCO
sw:cyb_ARTOB
sw:cyb_ROUAM
sw:cyb_EPOWA
sw:cyb_PIPKU
sw:cyb_PIPPI
sw:cyb_MYOVO

Затем вытащили необходимые нам последовательности цитохромов B:

seqret @cyb.list cyb.fasta

И выровняли:

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

Реконструирование дерева

Так как программа FastME принимает только выравнивания в формате "phylip-relaxed", то сначала переведём наше выравнивание в него с помощью небольшого питоновского скрипта:

from Bio import AlignIO
from sys import argv
inh = open("cyb-alignment.fasta", "r")
outh = open("cyb.phy", "w")
alignment = AlignIO.parse(inh, "fasta")
AlignIO.write(alignment, outh, "phylip-relaxed")
inh.close()
outh.close()

Теперь у нас всё готово, чтобы реконструировать деревья:

fastme -i cyb.phy -pP -o p-distance.fastme

- программа fastme с оценкой расстояний как p-distance

fastme -i cyb.phy -pM -o MtREV.fastme

- программа fastme с оценкой расстояний с помощью модели MtREV

iqtree -s cyb.phy

- программа iqtree со всеми параметрами по умолчанию

Сравнение полученных деревьев

Для наглядности и удобства сначала покажем филогенетическое дерево из предыдущего прака:

Рис. 1. Филогенетическое дерево для некоторых зверюшек из Chiroptera (Рукокрылые)

Ниже представлены визуализации деревьев, построенных с помощью выше упомянутых программ по выравниваниям аминокислотных последовательностей цитохромов B. Все деревья были укоренены так, чтобы разделить их на подотряды Yinpterochiroptera и Yangochiroptera.

fastme

PTREE — Рис. 2а. Филогенетическое дерево, построенное программой fastme с оценкой расстояний как p-distance. (Метод минимальной эволюции).

MTREE — Рис. 2б. Филогенетическое дерево, построенное программой fastme с оценкой расстояний с помощью модели MtREV. (Метод минимальной эволюции).

Видим, что между собой деревья отличаются лишь длиной ветвей из-за использования разных моделей оценки эволюционных расстояний. Из интересного можем заметить, что оценка p-distance считает цитохром B длинноногого миотиса (MYOVO) более "прогрессивным", чем цитохром B фруктовой летучей мыши Уолберга с эполетом (EPOWA) в сравнении с оценкой MtREV. Если сравнивать деревья с полученным из предыдущего прака, то отличий нет.

iqtree

Рис. 3. Филогенетическое дерево, построенное программой iqtree со всеми параметрами по умолчанию. (Метод максимального правдоподобия).

Полученное дерево совпадает с предыдущими и отличается опять лишь эволюционными расстояниями. Так, на дереве, полученном с помощью программы iqtree видно, что цитохромы B большого подковоноса (RHIFE), длинноногого миотиса (MYOVO) и землеройковидного листоноса (GLOSR) менее "прогрессивны", чем показали деревья, полученные с помощью программы fastme. Также программа iqtree показала, что цитохромы B нетопырей (PIPKU и PIPPI) изменились сильнее, а цитохромы B длинноязыких листоносов (GLOLE и GLOSR) слабее, в сравнении с программой fastme.