Филогенетические деревья



Общая информация о выбранных организмах


Таблица 1. Выбранные организмы
Название Мнемоника
Bacillus anthracis BACAN
Clostridium botulinum CLOBA
Clostridium tetani CLOTE
Geobacillus kaustophilus GEOKA
Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus LACDA
Staphylococcus aureus STAAR
Streptococcus pneumoniae serotype 4 STRPN
Филогенетическое дерево отражает эволюционные взаимосвязи между различными видами, имеющими общего предка. Филогенетические деревья, как правило, реконструируются по последовательностям белков или нуклеиновых кислот.
В таблице 1 перечислены выбранные бактерии, для которых было построено филогенетическое дерево.
Все семь бактерий относятся к фирмикутам (лат. Firmicutes) — типу бактерий, представители которого характеризуются низким содержанием пар нуклеотидов G+C (менее 50%) и строением клеточной стенки, характерным для грамположительных бактерий. Представители данного типа являются как патогенами (Bacillus anthracis, Clostridium botulinum, Clostridium tetani, Staphylococcus aureus, Streptococcus pneumoniae serotype 4), так и представителями нормальной микробиоты человека (Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus)1.
Также было показано, что фирмикуты в кишечнике рыб Danio rerio способствовали лучшему усвоению жирных кислот2, а у мышей количество этих бактерий было пропорционально степени ожирения3. Так как у упомянутых рыб метаболизм липидов очень похож на метаболизм липидов у млекопитающих и других позвоночных, изучение фирмикут может быть важно для лучшего понимания причин ожирения у людей.


1. Построение филогенетического дерева


Рис. 1. Построенное филогенетическое дерево
Для построения дерева использовалась программа MEGA, позволяющая построить дерево по скобочной формуле (в формате Newick). Дерево строилось на основе дерева, данного в задании. Для построения был создан файл .tre, содержащий скобочную формулу:

((CLOBA, CLOTE), ((LACDA, STRPN), ((BACAN, GEOKA), STAAR)));

Дерево на рис. 1 отражает эволюцию семи упомянутых бактерий.
Полученное дерево содержит четыре нетривиальные ветви (т.е. ветви, разбивающие множество листьев на подмножества, в каждом из которых более одного элемента):

  1. {CLOBA, CLOTE} vs {LACDA, STRPN, BACAN, GEOKA, STAAR};
  2. {LACDA, STRPN} vs {CLOBA, CLOTE, BACAN, GEOKA, STAAR};
  3. {BACAN, GEOKA, STAAR} vs {CLOBA, CLOTE, LACDA, STRPN};
  4. {BACAN, GEOKA} vs {STAAR, CLOBA, CLOTE, LACDA, STRPN}.

2. Таксономия выбранных организмов


С использованием таксономического сервиса NCBI http://www.ncbi.nlm.nih.gov/taxonomy/ были определены таксоны, к которым относятся выбранные бактерии. Они приведены в таблице 2, начиная с таксона, лежащего ниже типа Firmicutes.
Таблица 2. Таксономия выбранных бактерий
Название Таксономия
Bacillus anthracis Bacilli > Bacillales > Bacillaceae > Bacillus > Bacillus cereus group
Clostridium botulinum Clostridia > Clostridiales > Clostridiaceae > Clostridium
Clostridium tetani Clostridia > Clostridiales > Clostridiaceae > Clostridium
Geobacillus kaustophilus Bacilli > Bacillales > Bacillaceae > Geobacillus > Geobacillus thermoleovorans group
Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus Bacilli > Lactobacillales > Lactobacillaceae > Lactobacillus > Lactobacillus delbrueckii
Staphylococcus aureus Bacilli > Bacillales > Staphylococcaceae > Staphylococcus
Streptococcus pneumoniae serotype 4 Bacilli > Lactobacillales > Streptococcaceae > Streptococcus


Рис. 2. То же дерево с указанием таксонов для нетривиальных ветвей
Как видно на рисунке, все нетривиальные ветви отделяют тот или иной таксон от остальных ветвей. Таким образом ветви в порядке, в которым они указаны в задании 1, отделяют следующие таксоны:

  1. ветвь отделяет класс Clostridia от другого класса Bacilli;
  2. ветвь отделяет отряд Lactobacillales от остальных таксонов;
  3. ветвь отделяет семейство Bacillaceae от остальных таксонов;
  4. ветвь отделяет класс Bacilli от другого класса Clostridia, которые вместе входят в состав типа Firmicutes.




4. Реконструкция филогении


В этом задании я пыталась реконструировать филогенетическое дерево по заданному семейству белков. В качестве белка была выбрана пептидил-тРНК-гидролаза (мнемоника: PTH). Соответствующие последовательности были скачаны из БД UniProt и выравнены с помощью Jalview (Muscle). Затем по выравниванию было построено дерево методом "Neighbor Joining Using % Identity". Оно было сохранено в Newick-формате и открыто в MEGA. Полученное выравнивание в .fasta: task_2_alignment.fasta и проект: task_2.jvp; дерево в Newick-формате: task_2_tree.tre.

Рис. 2. Построенное в Jalview дерево
На рис. 3 представлено полученное с помощью Jalview изображение построенного дерева.
Нетривиальные ветви у полученного дерева следующие:
  1. {CLOBA, CLOTE} vs {LACDA, STRPN, BACAN, GEOKA, STAAR};
  2. {CLOBA, CLOTE, LACDA} vs {STRPN, BACAN, GEOKA, STAAR};
  3. {CLOBA, CLOTE, LACDA, STRPN} vs {BACAN, GEOKA, STAAR};
  4. {BACAN, GEOKA} vs {STAAR, CLOBA, CLOTE, LACDA, STRPN}
Таким образом, если сравнить топологию с топологией дерева в задании 1, все нетривиальные ветви, кроме второй, одинаковы. В то же время, вторая ветвь в данном случае делит бактерии на две группы, поделив при этом отряд Lactobaciliales на две части.

Дополнительные задания представлены на другой странице.

Ссылки:

[1] Briggs G.S., Smits W.K., Soultanas P. (2012). Chromosomal Replication Initiation Machinery of Low-G+C-Content Firmicutes. J Bacteriol. 194, 5162-70.
[2] Semova, I., Carten, J.D., Stombaugh, J., Mackey, L.C., Knight, R., Farber, S.A., and Rawls, J.F. (2012). Microbiota Regulate Intestinal Absorption and Metabolism of Fatty Acids in the Zebrafish. Cell Host Microbe 12, 277-288.
[3] Backhed, F., Ding, H., Wang, T., Hooper, L.V., Koh, G.Y., Nagy, A., Semenkovich, C.F., and Gordon, J.I. (2004). The gut microbiota as an environmental factor that regulates fat storage. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 101, 15718–15723.
[4] Calculation of trees from alignments // Jalview documentation [URL].