Таксоны

Используя таксономический сервис NCBI таблица была дополнена таксонами каждого организма (представлена как табл. 1)

Таблица 1. Бактерии из отдела Firmicutes
Название Мнемоника Таксон
Bacillus anthracis BACAN Bacilli; Bacillales; Bacillaceae; Bacillus; Bacillus cereus group
Bacillus subtilis BACSU Bacilli; Bacillales; Bacillaceae; Bacillus
Clostridium tetani CLOTE Clostridia; Clostridiales; Clostridiaceae; Clostridium
Geobacillus kaustophilus GEOKA Bacilli; Bacillales; Bacillaceae; Geobacillus
Lactobacillus acidophilus LACAC Bacilli; Lactobacillales; Lactobacillaceae; Lactobacillus
Listeria monocytogenes LISMO Bacilli; Bacillales; Listeriaceae; Listeria
Staphylococcus epidermidis STAES Bacilli; Bacillales; Staphylococcaceae; Staphylococcus
Streptococcus pneumoniae STRPN Bacilli; Lactobacillales; Streptococcaceae; Streptococcus

Филогенетическое дерево, где вместо названия бактерии используется её таксономическое положение, представлено на рис. 1.


Рис.1 Филогенетическое дерево бактерий из таблицы 1.

Опираясь на полученный рисунок, можно указать 3 ветви, выделяющие таксоны:

  1. Bacilli - ветвь {Bacilli; *} vs {Clostridia}
  2. Lactobacillales - ветвь {Bacilli; Lactobacillales; *} vs {Clostridia; *, Bacilli; Bacillales; *}
  3. Bacillales - ветвь {Bacilli; Bacillales; *} vs {Bacilli; Lactobacillales; *, Clostridia; *}
  4. Bacillaceae - ветвь {Bacilli; Bacillales; Bacillaceae; *} vs {others}
  5. Bacillus - ветвь {Bacilli; Bacillales; Bacillaceae; Bacillus} vs {others}

Остальные клады содержат более маленькие таксоны, например:

Создание выравнивания

Была выбрана функция белка - Рибосомный белок S2 (RS2), по которому будет проводиться реконструкция. Далее были получены последовательности белков, выполняющих указанную функцию, среди выбранных бактерий (fasta-файл). После проведено выравнивание программой muscle на сервере kodomo - представлено в fasta-файле, на рис. 2 и в проекте JalView.


Рис.2 Выравнивание белков семейства RS2, взятых из бактерий из табл. 1

Диагностические позиции

Опираясь на полученные данные, можно выявить следующие диагностические позиции в выравнивании:

Реконструкция филогенетического дерева

Алгоритмы Average distance и Neigbour Joining

С помощью полученного выравнивания всеми методами, доступными в JalView, была проведена реконструкция дерева. Построенные деревья затем были перерисованы программой MEGA. Результат представлен в таблице 2

Таблица 2. Реконструкция филогенетического дерева по выравниванию
Метод Average distance Neigbour Joining
using % identity
using BLOSUM62

Для удобства работы на рисунке 3 снова приведено правильное дерево:


Рис. 3 Правильное дерево в терминах мнемонических названий.

Полученные деревья большей частью повторяют реальное филогенетическое дерево этих бактерий (см. первый раздел). Но есть и отличия:

  1. Деревья, полученные алгоритмом Average distance почти полностью повторяют настоящую филогению, лишь за разницей, что CLOTE присоединяется к Bacilli, а не выделяется в отдельную ветвь, и наблюдается путаница с выделением таксона Bacillus (GEOKA оказывается ближе то к BACSU, то к BACAN, а должен быть к ним одинаково близок)
  2. Деревья, построенные с помощью алгоритма Neigbour Joining, куда хуже отражают действительность. Дерево, для которого использовалась BLOSUM62 отражает всё с точностью до наоборт. Второе же, во-первых, не бинарно; во-вторых, оно не выделяет таксон Lactobacillales; в-третьих, здесь опять же неверно определяется таксон Bacillus.

Более строгое сравнение деревьев представлено в таблице 3.

Таблица 3. Сравнение реконструированных деревьев с истинным
Ветвь Правильное дерево Neigbour Joining using BLOSUM62 Average distance using BLOSUM62 Neigbour Joining using % identity Average distance using % identity Maximum Parsimony
{LACAC, STRPN} vs {others} + + + + + +
{CLOTE, LACAC, STRPN} vs {others} + - + + + +
{LISMO, GEOKA, BACSU, BACAN} vs {others} + - + - + -
{GEOKA, BACSU, BACAN} vs {others} + - + - + -
{BACSU, BACAN} vs {others} + - - - - -
{GEOKA, BACAN} vs {others} - - + - - -
{BACSU, GEOKA} vs {others} - - - + + +
{STAES, GEOKA, BACSU, BACAN} vs {others} - - - + - +
{STAES, LISMO, LACAC, STRPN} vs {others} - + - - - -
{STAES, LACAC, STRPN} vs {others} - + - - - -
{CLOTE, GEOKA} vs {others} - + - - - -
{CLOTE, GEOKA, BACAN} vs {others} - + - - - -
{GEOKA, BACSU, STAES} vs {others} - - - - - +
Верных ветвей 5 1 4 2 4 2
Ошибок 0 4 1 2 1 3

Полученное выравнивание импортировано в программу MEGA, с помощью которой затем построено филогенетическое дерево методом Maximum Parsimony. После оно было укоренено в ветвь, разделяющую классы. Результаты представлены в таблице 4.

Таблица 4. Реконструкция филогенетического дерева по выравниванию методом максимальной экономии
До укоренения После укоренения

Полученное после укоренения дерево имеет схожие отличия, что и предыдущие реконструкции (см. табл. 3):

  1. Правильно выделяется таксон Lactobacillales
  2. Опять произошла путаница с Bacillaceae
  3. STAES оказался близок к Bacillaceae, в то время как должен был разойтись с ними ещё раньше, чем LISMO

Обсуждение

Анализ количества мутаций только в белке RS2 не даёт правильного филогенетического дерева, поэтому необходимо проводить анализ по нескольким белкам. Однако построенные деревья дают хоть и приблизительное, но представление о филогении выбранных организмов.

Согласно таблице 3 лучше всего себя показали деревья, построенные методом Average distance.