На главную страницу
На главную страницу четвертого семестра

Филогенетическое дерево и его реконструкция

Моделирование эволюции гена

1. Модель эволюции гена aroE_Ecoli в виде скобочной структуры и графическом виде:

   (А:110,((В:65,(С:40,D:40):25):35,(Е:45,F:45):50):10); под веткой a имеется ввиду ветка между A и кластером BCDEF, а не расстояние между A и корнем

2. То же дерево в виде таблицы листов (ветви, отделяющие один лист, опущены):

   A B C D E F b . * * * . . c . . . . * * e . . * * . .

3. Ген aroE_Ecoli имеет длину 819 нуклеотидов, поэтому общее число мутаций за переход x равно
             N_x = n_x * 8,19,     где n_x – длина ветви x.

   Получим последовательности всех листьев и промежуточных узлов (программа msbar, скрипт):

   msbar aroE_Ecoli.fasta A.fasta -point 4 -count 901 -auto msbar aroE_Ecoli.fasta BCDEF.fasta -point 4 -count 82 -auto msbar BCDEF.fasta BCD.fasta -point 4 -count 287 -auto msbar BCD.fasta B.fasta -point 4 -count 532 -auto msbar BCD.fasta CD.fasta -point 4 -count 205 -auto msbar CD.fasta C.fasta -point 4 -count 328 -auto msbar CD.fasta D.fasta -point 4 -count 328 -auto msbar BCDEF.fasta EF.fasta -point 4 -count 410 -auto msbar EF.fasta E.fasta -point 4 -count 369 -auto msbar EF.fasta F.fasta -point 4 -count 369 -auto

   Все последовательности листьев объединены в файле list.fasta.

4. Далее исследуем различные методы реконструкции филогенетического дерева.
   • алгоритм максимального правдоподобия (программа fdnaml)

     fdnaml list.fasta -ttratio 1 -auto

     Получено дерево

                                   +--------------------------F         
       +---------------------------4  
       |                           +-----------------E         
       |  
       |              +------------------------------B         
       3--------------1  
       |              |          +--------------------D         
       |              +----------2  
       |                         +-----------------C         
       |  
       +---------------------------A         
      

   • алгоритм Neighbor-joining (программа fneighbor с параметром -treetype n по умолчанию)

     fdnadist list.fasta -ttratio 1 -auto fneighbor list.fdnadist -outfile NJ.fneighbor -auto

     (программа fdnadist определяет попарные расстояния между последовательностями, выходной файл *.fdnadist)

                                    +------------------E         
       +----------------------------1 
       !                            +------------------------F         
       ! 
       !               +---------------------------------B         
       2---------------3 
       !               !         +-----------------C         
       !               +---------4 
       !                         +---------------------D         
       ! 
       +----------------------------A         
      

   • UPGMA (программа fneighbor с параметром -treetype u)

     fdnadist list.fasta -ttratio 1 -auto fneighbor list.fdnadist -outfile UPGMA.fneighbor -treetype u -auto

                +-------------------------------------A         
       +--------4 
       !        !     +-------------------------------B         
       !        +-----3 
       !              !           +-------------------C         
     --5              +-----------1 
       !                          +-------------------D         
       ! 
       !                        +---------------------E         
       +------------------------2 
                                +---------------------F         
      

   ветка	максимального правдоподобия	Neighbor-joining	UPGMA	Реальное дерево
   b .***..	+	+	+	+
   c ....**	+	+	+	+
   e ..**..	+	+	+	+

   Топология всех трех деревьев совпадают с истинным. Деревья, построенные алгоритмами максимального правдоподобия и Neighbor-joining идентичны, незначительно отличаются только длины некоторых ветвей.
   UPGMA-дерево, в отличие от двух предыдущих, укорененное. Оно также ультраметрично, то есть длины всех "полных" ветвей равны (расстояния от корня до листьев одинаковы). Однако это неверно – исходное дерево не является ультраметричным.

   Итак, все использованные алгоритмы правильно восстановили ход эволюции (топологию, но не корень).

   Bootstrap и drawtree

5. Проведем "бутстреп"-анализ листьев исследуемого дерева.
   Для этого используем программы fseqboot (построение 100 "бутстреп-реплик" дерева, при значении параметра -test b по умолчанию), fdnaml (получение скобочных структур для каждого дерева) и fconsense (вычисление "консенсусного" дерева).

   fseqboot list.fasta -auto fdnaml list.fseqboot -ttratio 1 -auto fconsense list.treefile

   Получено неукорененное дерево:

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

   Полученное дерево совпадает с реальным. Бутстреп-значения всех внутренних ветвей равны 100, то есть эти ветви вошли во все бутстреп-реплики дерева. Таким образлм, не вошедших в конечное дерево ветвей (с малыми бутстреп-значениями) нет:

   Sets included in the consensus tree Set (species in order) How many times out of 100.00 ..**** 100.00 ...*** 100.00 ...**. 100.00 Sets NOT included in consensus tree: NONE

6. Программа fdrawtree строит изображение неукорененного дерева (str.txt – его скобочная структура)

   fdrawtree str.txt drawtree.ps (иллюстрация исходного дерева)