В.В. Алёшин 30 сентября 2014 года

Молекулярная филогенетика (лекция 1) Принципы построения филогенетических деревьев по молекулярным даннымВ.В. Алёшин30 сентября 2014 года

Истинное филогенетическое дерево – объективные родственные связи всех существующих и существовавших на Земле живых форм;

дерево, сконструированное на основании нуклеотидных (аминокислотных) последовательностей современных форм с помощью правил вывода, основанных на теоретических положениях.

Сконструированное дерево – это математический объект – связный граф без циклов. Он состоит из вершин (узлов) и соединяющих их ребер. Узлы бывают внутренние – с ним соединено три ребра (или более) и висячие («листья» дерева) – с ними соединено одно ребро. Неформально, висячая вершина – это нуклеотидная (аминокислотная) последовательность современного вида, определенная экспериментально. Ей дают имя и она ОТЕ (англ. OTU). Внутренние узлы дерева можно интерпретировать как гипотетического предка.

Дерево – связный граф. Это значит, что из любого узла в любой другой узел существует путь (последовательность соединенных ребер). Это отражает факт, что все нынешние и вымершие виды родственны между собой. Дерево – граф без циклов. Это значит, что путь в дереве между двумя узлами всегда единственный. Таким образом, степень родства каждой пары видов (вершин графа) не произвольная, а строго определенная – определяемая путем между ними по дереву. В частности, любая пара узлов, соединенная в дереве непосредственно, соединена единственным ребром: если ребро соединяет два рассматриваемых узла, то такое ребро единственное. Это отражает эволюционную трансформацию любого вида из вида-предка, причем как единственное событие.

Эквивалентные изображения одного и того же немасштабированного

бескорневого дерева ((А, В), (С, D)); из четырех ОТЕ

Два дерева имеют одинаковую топологию, если они состоят из одинаковых ОТЕ, соединенных в том же самом порядке (т. е. их внутренние вершины можно занумеровать так, чтобы любому пути в одном дереве был такой же точно путь в другом).

((A:0.2,B:0.25):0.05,(C:0.4,D:0.1));

#NEXUS [File saved Fri Nov 07 09:01:17 2008] BEGIN TAXA; DIMENSIONS NTAX = 4; TAXLABELS A B C D ; ENDBLOCK; BEGIN TREES; TRANSLATE 1 A, 2 B, 3 C, 4 D ; UTREE * PHYLIP_1= ((1:0.2,2:0.25):0.05,(3:0.4,4:0.1)); ENDBLOCK;

B

A C

D 0.1

б в

а

Примеры текстовой и графической записи одного и того же масштабированного дерева:

Willi Hennig

Филогеномика

Филогенетическая система

Кладистика

1990 2000 2010

100000

150000

50000

Кумулятивный рост числа публикаций со словами ‘molecular’ AND ‘phylogeny’ в резюме, согласно базе данных ISI

% СВЯЗАВШИХСЯ ФРАГМЕНТОВ ДНК

% НУКЛЕОТИДНЫХ ЗАМЕН В ГИБРИДНЫХ ДНК

матрицы:

матрица попарных расстояний

выравнивание (матрица)

ДНК-матрица

...

Выравнивание.

Насколько схожи между собой первичные структуры?

Основания (биохимические и генетические) гипотезы молекулярных часов.




|s| < 1/2Ne ; => скорость эволюции = скорости мутирования (независимо от размера популяции)

tфикс.=4Ne




p-дистанции и почему это не всегда хорошая мера сходства.

50

время

Идентичность 100%

0

A

†C

†C†C

ОТЕ1 ОТЕ2 ОТЕ3

†G

AT G†T

†T

T

†A

A

†G

G

†G

†A

†T

C

†T

†AT

1

Неравноценность различий между близкими и далекими видам

Возникает вопрос: насколько сконструированное дерево соответствует исходным данным (даже не истинному дереву, а данным!).

Аддитивные (по отношению к матрице) деревья. Свойство аддитивности проявляет и матрица: в этом случае для любых четверок ОТЕ A, B, C, D выполняется условие, что из трех сумм дистанций dAB + dCD, dAC + dBD, dAD + dBC две суммы должны быть равны и больше третьей. Доказано, что если матрица дистанций может быть отображена аддитивным деревом, то такое дерево единственное. Другими словами, для аддитивного дерева матричная и масштабированная графическая форма представления эквивалентны, а для неаддитивного дерева нет. Для большинства природных ОТЕ деревья получаются неаддитивные.

Acyrthosiphon pisum 100%

Drosophila melanogaster 98%Phlebotomus papatasi 98%

0.1

Aedes aegypti 100%

Nilaparvata lugens 98%Hodotermopsis sjoestedti 70%

Apis mellifera 95%Tribolium castaneum 100%

Pediculus humanus 90%

Daphnia pulex 97%

Folsomia candida 42%

Парафилия Crustacea относительно Hexapoda

Onychiurus arcticus 69%

Diaphorina citri 98% Hexapoda

Lepeophtheirus salmonis 44%Artemia franciscana 99%

Homarus americanus 81%

Peracarida 31%

Richtersius coronifer 60%

Litopenaeus vannamei 92%

outgroup

Acanthoscurria gomesiana 70%Mesobuthus gibbosus 31%

Ixodes scapularis 97%Carcinoscorpius rotundicauda 13%

Anoplodactylus eroticus 98%Scutigera coleoptrata 85%

Onychophora 84%

Toxocara canis 82%

Priapulus caudatus 55%

0.50

0.50

Xiphinema index 90%

Echinoderes horni 85%

0.59

0.50

Chelicerata

Myriapoda

Ecd

ysoz

oa б

ез

Art

hrop

oda

Spinochordodes tellinii 19%

Hypsibius dujardini 86%

Caenorhabditis elegans 100%

Collembola

“En

tom

os

tra

ca

”M

ala

co

str

ac

a

Gryllus bimaculatus 100%Locusta migratoria 98%

# rank item obs au np | bp pp kh sh wkh wsh |# 1 а -9.1 0.861 0.616 | 0.612 1.000 0.806 0.994 0.806 0.999 |# 2 б 9.1 0.312 0.118 | 0.115 1e-004 0.194 0.912 0.194 0.761 |# 3 в 9.6 0.298 0.109 | 0.109 7e-005 0.178 0.902 0.178 0.726 |# 4 г 19.2 0.271 0.086 | 0.086 5e-009 0.152 0.830 0.152 0.697 |# 5 д 25.0 0.191 0.038 | 0.040 1e-011 0.117 0.771 0.117 0.644 |# 6 е 25.2 0.172 0.034 | 0.035 1e-011 0.115 0.765 0.115 0.622 |# 7 ж 35.1 0.021 0.002 | 0.002 6e-016 0.016 0.636 0.016 0.126 |# 8 з 40.9 0.014 0.001 | 0.001 2e-018 0.016 0.574 0.016 0.151 |# 9 и 41.4 0.017 0.001 | 0.001 1e-018 0.015 0.569 0.015 0.144 |# 10 - 140.0 1e-007 2e-007 | 0 2e-061 0 0.054 0 6e-005 |

Malacostraca

Hexapoda

Maxillopoda

MyriapodaChelicerata

Branchiopoda

outgroup MalacostracaHexapoda

Maxillopoda


Branchiopoda

outgroup

Malacostraca

Hexapoda

Maxillopoda


Branchiopoda

outgroup

Malacostraca

HexapodaMaxillopoda


Branchiopoda

outgroup

MalacostracaHexapoda

Maxillopoda


Branchiopoda

outgroup

Malacostraca

HexapodaMaxillopoda


Branchiopoda

outgroup

Malacostraca

Hexapoda

Maxillopoda


Branchiopoda

outgroup

MalacostracaHexapoda

Maxillopoda


Branchiopoda

outgroup

Malacostraca

HexapodaMaxillopoda


Branchiopoda

outgroup

а б в

г д е

ж з и

к

Длина Числодеревьев деревьев

2689 1 2690 4 2691 4 2692 10 2693 27 2694 51 2695 113 2696 189 2697 344 2698 517 2699 933 2700 1448 2701 2260 2702 >2850

MP

BP

минимальная длина ветви

“Scolecida”

Ecdysozoa

133 белоккодирующих генов (31 089 позиций аминокислотного выравнивания)

Baurain et al.

Lack of resolution in the animal phylogeny: Closely spaced cladogeneses or undetected systematic errors? Mol. Biol. Evol. 24(1):6–9. (2007)

133 protein-coding genes (31,089 amino acid positions)

133 белок-кодирующих генов

(31,089 позиций аминокислотного выравнивания)

Рис. 15. Дистанционное NJ дерево рабдитидных нематод в присутствие составной внешней группы. Дерево выведено программой TREECON с коррекцией на гетерогенность скоростей, значение параметра p = 0,49 определено по результатам пяти итераций с учетом инвариантных сайтов.

0.1

CNIDARIA (Atolla) GASTROTRICA (Chaetonotusi

NEMATOMORPHA (Gordius) Longidorus

Paracantonchus Desmodora

Daptonema Cylindrolaimus

Myolaimus Rhabditoides inermiformis

Cuticularia

Diplogaster

Rhabditiodes regina

Haemonchus

Pelodera teres

Caenorhabditis elegans

PRIAPULIDA (Priapulus)

Cruznema

Steinernema

Pellioditis marina Pellioditis typica

Protorhabditis Diploscapter

Teratorhabditis Mesorhabditis

Pelodera strongyloides

Pelodera punctata Rhabditioides inermis Brevibucca

Zeldia Meloidogyne

Strongyloides Panagrolaimus

Teratocephalus Plectus Ascaris

Gnathostoma

Prismatolaimus Trichodorus

Trefusia Enoplus

ARTHROPODA (Craterostigma) TARDIGRADA (Macrobiotus)

ROTIFERA (Brachious) ANNELIDA (Glycera)

100 58

74

98

92 65

98 64

98

50 62

60

68

100

97

85

54

64

80

52

59

100

86

100

61

63

76

100

100

94

66

Joe Felsenstein

Felsenstein J. 1978. Cases in which parsimony or compatibility methods will be positively misleading. Syst. Zool. V. 27. № 4. P. 401-410.

Эффект притяжения длинных ветвей (по: Felsenstein, 1978). (а) Схема возникновения неправильного объединения на бескорневом дереве. При вероятности мутации p, меньшей q2, метод максимальной экономии дает устойчивое объединение неродственных длинных ветвей (1 и 3). (b) На корневом дереве внешняя группа 1 притягивает к себе длинную ветвь 3, маскируя её длину и затрудняя распознавание. При этом нарушается топология дерева.

Условия притяжения длинных ветвей (Long Branch Attraction)

Число признаков не является параметром!

Acyrthosiphon pisum 100%

Drosophila melanogaster 98%Phlebotomus papatasi 98%

0.1

Aedes aegypti 100%

Nilaparvata lugens 98%Hodotermopsis sjoestedti 70%

Apis mellifera 95%Tribolium castaneum 100%

Pediculus humanus 90%

Daphnia pulex 97%

Folsomia candida 42%

Парафилия Crustacea относительно Hexapoda

Onychiurus arcticus 69%

Diaphorina citri 98% Hexapoda

Lepeophtheirus salmonis 44%Artemia franciscana 99%

Homarus americanus 81%

Peracarida 31%

Richtersius coronifer 60%

Litopenaeus vannamei 92%

outgroup

Acanthoscurria gomesiana 70%Mesobuthus gibbosus 31%

Ixodes scapularis 97%Carcinoscorpius rotundicauda 13%

Anoplodactylus eroticus 98%Scutigera coleoptrata 85%

Onychophora 84%

Toxocara canis 82%

Priapulus caudatus 55%

0.50

0.50

Xiphinema index 90%

Echinoderes horni 85%

0.59

0.50

Chelicerata

Myriapoda

Ecd

ysoz

oa б

ез

Art

hrop

oda

Spinochordodes tellinii 19%

Hypsibius dujardini 86%

Caenorhabditis elegans 100%

Collembola

“En

tom

os

tra

ca

”M

ala

co

str

ac

a

Gryllus bimaculatus 100%Locusta migratoria 98%

Huelsenbeck et al. (1996: Figs 2 and 3)

Монофилию многоклеточных и воротничковых жгутиконосцев выявить ТРУДНО

Монофилию Holozoa выявить ЛЕГКО

outgroup

Ctenophora

Bilateria

Dunn et al. Nature, 452, (2008)

PoriferaCnidaria

150 белоккодирующих генов

PlacozoaPorifera: Homoscleromorpha

outgroup

Ctenophora

Bilateria

Porifera: Demospongia

Cnidaria


Hejnol et al. Proc. R. Soc. B, (2009)

outgroup

Placozoa

Bilateria

Srivastava et al., Nature, 454, (2008)

Porifera

Cnidaria

104 белоккодирующих гена

outgroup

Placozoa

Bilateria

Sierwater et al., PLoS Biol, 7:1, (2009)

Porifera

CnidariaCtenophora

51 генов (РНК- и белоккодирующие гены)

outgroup

Placozoa

Bilateria

Pick et al., Mol. Biol. Evol., 27:1983-1987, (2010)

Porifera

CnidariaCtenophora


o

A

G

C

CUGGU U GAUCCUGCCAGUA

GUCAUAUCU

UG

UC U C A A

AG

AUUA

AGCCAUGC A U

GUC

UA A

GU

AC

A CACUGAUU

AAU

AG

UGAAG

CUG

U

GA

AU

GGCUC

AU

UAC

AA

CAGC

CGU A

GUUU

AU

UUGA U U U A U AGA

GU

UACACGG

AU ACCUGUGGUA

ACCUAA

GAGC

UAAUA

CA

CG

CA

AUUAAGU

CC A

GA

CCUCAC

GGA

AC

GGACGCG

GU

UA

UUAGA

CCAAAAC

CA

AUCG

GG

CUUGC

CCGG

UUUUUU

GG

UGACU

CUG AAU

AA

CU

CUGCAGAUCGC

ACGGUCC

UCGCACCGGCGA

CA

UG

UCAU

UCA

AAUG

UCUGC

CUUAUCAACU

UUCG

AUGGUAGUUUAUGCGCCUACCAU GGU

UGUA

ACGGGUAACGGAGAAUUA

GGGUUCGAC

UCCGGAG

AGGGAGC

CUGAGAAACG

GCUACCACAUCC

AAGGAAG

GCAGCAGGCACGCA

AA

UUA

CC

CACU

CC

CAAU

ACG

GGGA G

GU

AG

UG

AC

GA

AA

AA

UA

A

CG

AG

AC

GG

UU

CU

CAAAG

AGG

CCCG

UCAU

CG

GAAU

GG

GUACAAU

UUAAAUCCUU

UAAC

GAGG A U C U A UUGGAGGGC

A

A

G

U CUGGUGC

CAGCAGCCGCGGU

AAUUCCAG

CUCCAA

U

AGCGUAUAUUAAAGUUGU

UG

CG

UUUA

AA

AAGCUC

GUAGUU

GGA

UCUGCG

CCUUAGGUU

UGCGGUCC

CC

UAACGGGAGGUA

CU

GCUUUACC

UGGGCUUAUCCU

CC

GG

U

UUU

CC

CU

UGG

UG

CU

CU

UUACCG

AGUGCUCUG

GGUG

ACUGGAACU

UUUA

CU

UUGAAA

AA

AU

UAG A GU

G CUCAAAGC

AGGCGUCA

GCCUGAAUA

G

U

GG U

G

C

A

UGGAAUA A

UA A A AA

AG

GA

CU

UC

GG

UU

CU

AUUUUG

U

UG

G U U UU

C

GG

AAC

AG

AAG

U A A U G AUUAAG

AGGGACAGA

CGGGG

GCA

UUC

GUAU

UG

CG

AC

GUUAG

AGG

UG

AAAU

UC

UUGGAU

CG

UCG

CAAG

ACGU A C U AU

UGCG

GAAGC

AUUUGCCA

AGA

AUGUUUUCA

UU

A AUC A A

GA ACG

AAAGUUAGAGG

UU CGAAG

GCGA

UC

AGAUACC

GCCC

UAG

UUCUAACCGUAAACGAUG

CCA

G CU

AGCG

AUCCGCGG

GAG

UUA

GAUAU

AUGAC

UU

CGCGGGC

AGCUUCCGGGA

AACCAAAGC

GU

UUGG

GUUC

CG

GG

G

G A

AG

UAU

GG

UUGCA

AAU

CU

GAAA

CU

UA

AAGGA

A UUGAC

GGA AGGGCA

CC

AC C A G

GAG

UGGA

GC

CU

GC

GG

CU

UAAUU

UGA

CUCAACGC

GG

GGAAACU

CAC

CCGGCCCG

GAC

AC

CGUA

AGGA

UU

GA

CA

GAUU

GAGAG

CU

CU

UU

CUU

GAU

U CG

GUG G U

UGGUGGU

G CAU

GGCCGUUCUU

A

GUUG

GUGGAG

CGAUUUG

UC

UGGUU

AAUUCCG

AUAACG

A ACG

A G ACUC

U A GCCU

ACUA A

ACUAG

G C AGCA A AUUU

UG

UUGUUUGUUGAA

CUUC

UUAGAGGGACAGAGGGUU

UCUA

GC

CC

UACGAG

AUUGA

GC

AAUAACAGGUCUG

UGAUGCCCU

UAG

AU

GUUCGGG G

C

C

GCA

CG

CG

CG

CU

AC A C U

GAAGGAAUC

AGCGAGCAU

G A A A A CCUUGUCCGGAAGGACUGGG

UA

ACCCGU

UGAAAC

UCCUUCG

UGCUUGG

GA

UAG

GG

AUUUGCA

AUUAUCU

CC

CUUGAAC

GA

GGAA

UU

CC

UA

G

U

A

AAUGUGGGUCA

UCAUCUCGCGUUGAUUAC

GU

CCCUGCCCUUUGU

ACA

CACCGCCCG

UCG

CUACUACCGA

UUGGAUGAUUUAGUGA

GGCCCUCG GACUGGU

GCCGAUGCGGUUUAGC

ACUGCGUCGGUUUCCGGAA

AGACGGCCUA

ACUUGAUCAUUUAGAGGAAGUA

AA

AG

UC

GU

AA

CA

AG

GUUUCCGUAGGU

GAACCUGCAGAAG

GA

UC

Ao

oo

o

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

E10_1

11

12

13

14

1516

17

18

1920

21

22

23

E23_1E23_4

E23_7

E23_8

E23_9

E23_10

E23_11

E23_12E23_13 E23_14

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

3435

36

37

38

39

40

41 42 43

44

45

46

47

48

49

50

18S рРНК Enoplus brevis U88336

UPGMA – Uweighted Pair Group Method using Arithmetic averages (невзвешенный парно-групповой метод с арифметическим усреднением)

Если гипотеза молекулярных часов правильно описывает эволюцию, то правильно построенное дерево будет не только аддитивным, но будет выполнено дополнительное, более строгое условие: в дереве будет точка (корень), равноудаленная от всех висячих вершин. Такое дерево называют ультраметрическим.

Все пути по ультраметрическому дереву (ориентированному графу) к любым висячим вершинам, выходящие из любого внутреннего узла, также будут равны (все современные виды прошли в точности одинаковое расстояние от их общего предка). Если в таком дереве взять за точку отсчета вид (висячую вершину), не принадлежащую к некоторой подгруппе (поддереву), то расстояние от него до всех видов подгруппы должно быть в точности одинаковым (тест относительной скорости (Sarich, Wilson, 1973).

Понятие ультраметричности относится не только к дереву, но и к данным. Если для любой тройки ОТЕ расстояния в матрице либо все равны, либо два равны, а третье меньше, то матрица ультраметрическая. Доказано, что по ультраметрической матрице всегда можно построить ультраметрическое дерево.

таксон A таксон B

таксон AB таксон X

OTE Y

0

1

2

3

4

1 2 4 5 6 7 3 8 10 9

Тест относительной скорости на соотвествие эволюции гипотезе молекулярных часов

0,1

b

x

a c

d

D

C A

B dAB + dCD < dAC + dBD

dAB + dCD < dAD + dBC

+ = + dAD dBC dAC dBD

Условие «четырех точек»

Условие «четырех точек» позволяет находить соседние ОТЕ на дереве, несмотря на то, что расстояние между ними не минимальное. Расстояния между ОТЕ известны из матрицы, но заранее не известно, какие ОТЕ соседние. Длина пути между ОТЕ в аддитивном дереве равна значениям в матрице парных расстояний. Сравним суммы расстояний между двумя парами ОТЕ, согласно правилу, понятному из приведенной записи. Следуя этому правилу, из четырех ОТЕ (и шести парных дистанций в матрице) можно составить три пары для суммирования. Пусть А и В соседние (см. рис.), тогда известное расстояние dAB между ними в дереве представлено в виде суммы отрезков a и b. Аналогично, известное расстояние dAC между видами A и C – это в дереве сумма отрезков a, x, c. Если в сумму войдет дистанция между А и В – парой соседних ОТЕ, то, согласно выбранному правилу, другим слагаемым (dCD) автоматически окажется тоже дистанция между парой (другой) соседних между собой ОТЕ. Такая сумма будет меньше, чем сумма расстояний между ОТЕ, не являющихся соседними, так как в последнюю, к сумме длин ребер, ведущих в висячим вершинам, добавляется удвоенная длина внутреннего ребра x. Сумма двух пар дистаниций между ОТЕ, не являющимися соседними, будет, как легко в этом убедиться, одинаковая. Метод UPGMA объединил бы ОТЕ A и C, поскольку между ними минимальное расстояние, но такая топология не удовлетворяет условию «четырех точек». Применяя это условие, можно не только найти правильную топологию, но и, при условии аддитивности, однозначно вычислить длины всех ребер дерева. Поскольку получаемое при этой процедуре дерево бескорневое, из него нельзя сделать вывод, что, например, соседние ОТЕ A и B сестринские. Для такой филогенетической интерпретации недостаточно данных, именно, не указано положение корня, которое необходимо установить дополнительными методами. Если корень не попадет на отрезки a и b, то A и B будут сестринскими. При любом из 5 возможных положений корня (по числу ребер на дереве) OTE, например, A и C сестринскими не будут (по: Li, 1997).

A A

AA

B B

B B

C C

C C

D D

D D

E E

E E

а б в

г ед

A B C D E FF

FA B C D E F F

F

Деревья с мультифуркациями: примеры совместимых и несовместимых деревьев.

Дерево а совместимо с любым из деревеьев б, в, г, д; из последних совместимы только б и в; дерево г совместимо с тремя не изображенными бинарными деревьями, а дерево е не совместимо ни с каким другим на рис. 6.

A B D E F A C D E F A E D F

а б в

GH H H

Расширение понятия совместимости на деревья с частично несовпадающим набором ОТЕ.

После исключения специфических ОТЕ B, C, G деревья, производные от а и б, приобретут идентичную топологию; с деревом, производным от в, этого не произойдет.

В.В. Алёшин 30 сентября 2014 года

Documents