Проверка дерева цитохромов b

Рис. 1. Митохондриальный комплекс цитохромов bc1¹

Цитохром b — интегральный белок митохондриальных мембран эукариот, у которых он входит в состав комплекса III, компонента дыхательной цепи переноса электронов². Белок так же найден у аэробных бактерий и архей. Цитохром b часто используется для определения филогении организмов из-за высокой изменчивости его последовательности³. Лучше всего подходят для изучения филогенетических связей внутри семейств и родов. Мутации в последовательности этого белка у людей вызывают невозможность выполнения физических упражнений, реже тяжелые мультисистемные патологии⁴.

В этом задании нам было предложено повторить работу, проделанную в 2000 году Michael Schütz и его коллегами⁵. На рис.2 представлено дерево цитохромов b, полученное авторами работы с помощью метода Neighbour-joining (а точнее, "neighbour-joining method of Saitou and Nei"). Бутстрэп-анализ был проведен с 5000 реплик.

Прим. В презентации сказано: "...авторы работы укоренили дерево так, чтобы корневая ветвь разделяла археи и эубактерии (что подтверждало их теорию). Однако такое укоренение ничем обосновано не было". При этом дерево на рис. 2 неукорененно (тем более метод NJ). Возможно, я неверно поняла, что имелось в виду. Тем не менее, я сравню топологию и выберу ветвь, в которую, как по мне, должно быть укоренено дерево.

Рис. 2. Дерево цитохромов b из статьи²

С помощью программы Jalview было построено выравнивание последовательностей цитохрома b видов, выбранных учеными для анализа. На рис. 3-6 представлены полученные разными методами с помощью MEGA деревья.

Рис. 3. Дерево, построенное методом Neighbour-joining	Рис. 4. Дерево, построенное методом UPGMA
Рис. 5. Дерево, построенное методом максимального правдоподобия	Рис. 6. Дерево, построенное методом минимальной эволюции

Проанализируем полученные деревья и сравним их с деревом из статьи. Во-первых, хочется отметить, что дерево в статье является неразрешенным, а все деревья на рис. 3,4,6 — нет.

Метод Neighbour-joining: Топология дерева на рис. 3 практически не отличается от топологии дерева из статьи. Небольшая разница заключается в расположении некоторых тривиальных ветвей, отделяющих Allochromatium venosum, Acidithiobacillus ferrooxidans, Helicobacter pylori, Aquifex aeolicus и Deinococcus radiodurans.

Метод UPGMA: топология деревьев схожа, но есть некоторые различия:

нетривиальная ветвь (Rhodobacter sphaeroides, Paracoccus denitrificants) на рис. 4 является внешней по отношению к кладе ((Rhodospirillum rubrum, Rickettsia prowazekii),(Blastochloris viridis, Bradyrhyzobium japonicum)), в то время как на дереве в статье ветвь (Rhodospirillum rubrum, Rickettsia prowazekii) является внешней для клады ((Rhodobacter sphaeroides, Paracoccus denitrificants), (Blastochloris viridis, Bradyrhyzobium japonicum));
опять ветви Allochromatium vinosum, Acidithiobacillus ferrooxidans, Helicobacter pylori, Aquifex aeolicus расположены по-другому.

Метод максимального правдоподобия: все еще не совсем то дерево, которое представлено в статье. Отличия:

как и в предыдущем случае, нетривиальная ветвь (Rhodobacter sphaeroides, Paracoccus denitrificants) на рис. 5 является внешней по отношению к кладе ((Rhodospirillum rubrum, Rickettsia prowazekii),(Blastochloris viridis, Bradyrhyzobium japonicum)), в то время как на дереве в статье ветвь ( Rhodospirillum rubrum, Rickettsia prowazekii) является внешней для клады (( Rhodobacter sphaeroides, Paracoccus denitrificants), (Blastochloris viridis, Bradyrhyzobium japonicum));
ветви Helicobacter pylori и Aquifex aeolicus, Deinococcus radiodurans расположены по-другому;
ветвь Heliobacillus mobilis на рис. 5 вынесена в отдельную кладу ( Heliobacillus mobilis,(Bacillus subtilis, Geobacillus stearothermophilus)), что кажется вполне логичным;
присутствует неразрешенное поддерево.

Метод минимальной эволюции: в этом случае отличается расположение ветвей Allochromatium vinosum, Acidithiobacillus ferrooxidans, Helicobacter pylori, Aquifex aeolicus и Deinococcus radiodurans.

Таким образом, сильнее всего от дерева в статье отличается дерево, построенное методом максимального правдоподобия. Деревья, построенные методами минимальной эволюции и Neighbour-joining не отличаются друг от друга по топологии.

Выводы:

так как на всех полученных деревьях нетривиальная ветвь, отделяющая архей, является внешней к кладе бактерий, мне кажется, что укоренение в эту ветвь вполне обосновано. Вероятно, последовательности белков архей в этом случае можно использовать в качестве аутгруппы для бактерий в дереве;
разное расположение ветвей Allochromatium vinosum, Acidithiobacillus ferrooxidans, Helicobacter pylori, Aquifex aeolicus можно объяснить невысокой поддержкой нетривиальных ветвей. Согласно таксономии NCBI упомянутые бактерии не являются членами каких-либо общих таксонов (ниже протеобактерий или бактерий), так что если опираться на NCBI, я бы не стала объединять эти бактерии в отдельные клады (как на деревьях на рис. 2, 4). Хотя отсутствие общих низких таксонов для этих организмов может быть следствием неизученности их эволюционных взаимоотношений;
ветвь бактерии Deinococcus radiodurans я бы все-таки сделала внешней для остальных бактерий и расположила "поближе" к археям, как на рис.2,4, т.к. эта грамположительная бактерия является экстремофилом, известным благодаря высокой устойчивости к радиции⁶. Хотя эти характеристики могут быть следствием не близкородственности этой бактерии и архей, а результатом конвергентной эволюции в сходных условиях обитания;
исходя из всего вышесказанного, самым правдоподобным мне кажется дерево, построенное по методу UPGMA.