Занятие 2. Моделирование и реконструкция эволюции гена

Дерево, описанное формулой: (((А:90,B:90):15,C:80):20,((D:50,E:50):4,F:70):30);

*Дерево не ультраметрично: не существует точки, равноудаленной от всех листьев.

Описание ветвей этого дерева как разбиения множества листьев (считая дерево бескорневым):

A B C D E F
. . * * * * 
. . . * * *
. . . * * .

Моделирование эволюции гена ilvC

Получим искуственные мутантные последовательности, соответствующие листьям и узлам дерева (в корне находится последовательность гена белка ILVC_ECOLI) с помощью скрипта:

msbar m.fasta 11mut.fasta -point 4 -count 295 -auto
msbar m.fasta 12mut.fasta -point 4 -count 443 -auto
msbar 11mut.fasta Cmut.fasta -point 4 -count 1181 -auto
msbar 11mut.fasta 21mut.fasta -point 4 -count 221 -auto
msbar 21mut.fasta Amut.fasta -point 4 -count 1328 -auto
msbar 21mut.fasta Bmut.fasta -point 4 -count 1328 -auto
msbar 12mut.fasta 22mut.fasta -point 4 -count 59 -auto
msbar 12mut.fasta Fmut.fasta -point 4 -count 1033 -auto
msbar 22mut.fasta Dmut.fasta -point 4 -count 738 -auto
msbar 22mut.fasta Emut.fasta -point 4 -count 738 -auto

Где m.fasta - исходная последовательность, кодирующая белок ILVC_ECOLI, длины 1476 нуклеотидов. Point - это тип произведенных мутаций: 0 - нет мутации, 1 - любая из пяти последующих, 2 - вставки, 3 - делеции, 4 - замены, 5 - дупликации, 6 - перестановки. Число замен рассчитывалось по формуле

[длина посл-ти*длина ветви]/100

Реконструкция эволюции гена ilvC

• Алгоритм максимального правдоподобия (значение ttratio - это отношение числа транзиций к числу трансверсий, т. е. выбор эволюционной модели)
  fdnaml ALL.fasta -ttratio 1 -auto

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

• Алгоритм UPGMA (строит укорененное дерево)
  fdnadist ALL.fasta -ttratio 1 -auto
  fneighbor all.fdnadist -treetype u -auto

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

  Заметим, что дерево укоренено неверно - на исходном дереве корень рядом с 4-ым узлом.
• Алгоритм Neighbor-joining
  fdnadist ALL.fasta -ttratio 1 -auto
  fneighbor all.fdnadist -auto

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

  Cравнение топологии полученных деревьев:

  A B C D E F	Исходное	Максимального правдоподобия	UPGMA	Neighbor-joining
  . . * * * *	+	+	+	+
  . . . * * *	+	+	+	+
  . . . * * .	+	+	+	+

  ИТОГО: топология деревьев совпадает, т. е. все алгоритмы правильно реконстрировали исходное дерево (если считать UPGMA дерево бескорневым).