Sameindafræðileg gögn

Starri Heiðmarsson

Náttúrufræðistofnun Íslands

DNA

• Auðvelt að afla gagna síðan PCR kom fram

• Mikill fjöldi einkenna með skýrt afmörkuð stig (cgta)

• Þróast mishratt og því hægt að velja svæði sem hentar

DNA, frh

• Oft erfitt að sjá hvaða basar eru eðlislíkir (homologous)

• Þess vegna er “alignment” afar mikilvæg• Einnig eru sumir hlutar genamengisins

endurteknir – er öruggt að allar endurtekningar séu eins

• “Long branch attraction” – Óskyldar greinar geta virst skyldari vegna samsvörunar

orthology/paralogy

• Orthology – homology komin til vegna tegundamyndunar

• Paralogy – homology komin til vegna genatvöföldunar

• Ath. genatré/tegundatré

Genatré 3 tegunda með 2 “paralogous” gen

tvöföldun gens!

Tegundamyndun 1

Tegundamyndun 2

3A 1A 2A1B 2B 3B

3 “orthologous” gen notuð sem grundvöllur þróunarsögunnar!

3A 1A 2A

3 “paralogous” gen notuð

1A3A2B

Dæmi!

• Korpur (Dermatocarpon) ættkvísl sveppa sem mynda fléttur

• Sýna all nokkurn breytileika í útliti (polymorphic) og því vonlaust að greina þróunarsöguna út frá útlitseinkennum

• Raðgreind voru 46 sýni af korpum og tvö sýni af pírum (Catapyrenium) sem notað var sem úthópur

Þróunarsaga korpa

• Raðgreint var ITS1-5.8S-ITS2 svæðið í rDNA• Fylkið hafði 580 einkenni, 323 voru eins, 81

einkenni var “autapomorphy” og 176 einkenni voru parsimony-upplýsandi

Keyrslan

• 324 jafnlöng stystu tré fundust

• Stuðningur við einstakar greinar var metinn með Jack-knife (10.000x og ca 37% einkenna eytt)

• Stuðningur einnig metinn með MrBayes (sýnir eftirálíkindi, ekki Parsimony aðferð)

• CI=0,59 og RI=0,78

99/98

71

100/100 70/63

90/100

100/100

63/60

97/100

88/100

66

59/62

54/94

100/100

98/99 99/100

87/100 77/100

100/100

93/99

87/100

99/100

99/100

87/100

100/100

90/100

100/100

80/100 65/97

73/96

100/100

C. cinerum/Austria(SH31) C. lachneum/Iceland (SH42) D. muehlenbergii v. tenue/Arizona(SH34) D. reticulatum/Arizona(SH46) D. americanum/Arizona(SH33) D. americanum/Missouri(SH32) D. luridum/Sweden(SH55) D. luridum/Minnesota(SH6) D. min. v. cirsodes/Iceland(SH5) D. min. v. cirsodes/Iceland(SH18) D. min. v. cirsodes/Sweden(SH49) D. min. v. miniatum/Sweden(SH48) D. min. v. miniatum/Finland(SH11) D. min. v. complicatum/Minnesota(SH3) D. min. v. complicatum/Minnesota(SH2) D. min. v. miniatum/Minnesota(SH1) D. min. v. complicatum/Minnesota(SH45) D. min. v. miniatum/Japan(SH28) D. miniatum/India(SH25) D. min. v. miniatum/India(SH24) D. min. v. complicatum/Norway(SH14) D. min. v. complicatum/Norway(SH13) D. min. v. complicatum/India(SH23) D. min. v. complicatum/Sweden(SH50) D. min. v. complicatum/Iceland(SH4) D. min. v. complicatum/Iceland(SH15) D. min. v. miniatum/Iceland(SH27) D. min. v. complicatum/Austria(SH22) D. leptophyllum/Sweden(SH26) D. leptophyllum/Sweden(SH20) D. min. v. miniatum/Austria(SH21) D. linkolae/Sweden(SH17) D. min. v. miniatum/Faeroe Isl.(SH10) D. polyphyllizum/Iceland(SH40) D. sp./Arizona(SH29) D. sp./Arizona(SH30) D. sp./Arizona(SH56) D. sp./Arizona(SH57) D. sp./Arizona(SH19) D. sp./Arizona(SH53) D. sp./Arizona(SH8) D. meiophyllizum/Minnesota(SH44) D. meiophyllizum/Finland(SH39) D. meiophyllizum/Faeroe Isl.(SH38) D. rivulorum/Sweden(SH54) D. deminuens/Sweden(SH35) D. bachmannii/Sweden(SH37) D. cf. bachmannii/Oregon(SH43)

2925

25

18

10

4

16

128

20

15

623

10

232

2

6

4

1

83

2

4

1

2

7

5

24

6

5

2

63

7

9

3

12

4

11

26

6

27

2

4

232

11

7

6

1

14

2

5

33

4

128

1

29

31

41

1

C. cinerum/Austria(SH31) C. lachneum/Iceland (SH42)

D.muehlenbergii v. tenue/Arizona(SH34) D. reticulatum/Arizona(SH46)

D. americanum/Arizona(SH33) D. americanum/Missouri(SH32)

D. luridum/Sweden(SH55) D. luridum/Minnesota(SH6)

D. min. v. cirsodes/Iceland(SH5) D. min. v. cirsodes/Iceland(SH18)

D. min. v. cirsodes/Sweden(SH49) D. min. v. miniatum/Sweden(SH48) D. min. v. miniatum/Finland(SH11) D. min. v. complicatum/Minnesota(SH3) D. min. v. complicatum/Minnesota(SH2) D. min. v. miniatum/Minnesota(SH1) D. min. v. complicatum/Minnesota(SH45)

D. min. v. miniatum/Japan(SH28)

D. miniatum/India(SH25) D. min. v. miniatum/India(SH24)

D. min. v. complicatum/Norway(SH14) D. min. v. complicatum/Norway(SH13)

D. min. v. complicatum/India(SH23) D. min. v. complicatum/Sweden(SH50)

D. min. v. complicatum/Iceland(SH4) D. min. v. complicatum/Iceland(SH15)

D. min. v. miniatum/Iceland(SH27) D. min. v. complicatum/Austria(SH22)

D. leptophyllum/Sweden(SH26) D. leptophyllum/Sweden(SH20)

D. min. v. miniatum/Austria(SH21) D. linkolae/Sweden(SH17)

D. min. v. miniatum/Faeroe Isl.(SH10) D. polyphyllizum/Iceland(SH40)

D. sp./Arizona(SH29) D. sp./Arizona(SH30)

D. sp./Arizona(SH56)

D. sp./Arizona(SH57)

D. sp./Arizona(SH19)

D. sp./Arizona(SH53) D. sp./Arizona(SH8)

D. meiophyllizum/Minnesota(SH44) D. meiophyllizum/Finland(SH39) D. meiophyllizum/Faeroe Isl.(SH38)

D. rivulorum/Sweden(SH54) D. deminuens/Sweden(SH35)

D. bachmannii/Sweden(SH37) D. cf. bachmannii/Oregon(SH43)

DNA og parsimony

• Parsimony byggir á einföldustu skýringu og skv. Hennig þá ber ekki að vigta einkenni

• Vitað er að stökkbreytingar á bösum DNA-keðjunnar eru mislíklegar (3 basi próteinkóðandi gena, purin (AG) vs. pyramidin (CT))

Módel um þróun DNA

• Jukes-Cantor – sömu líkindi

• Kimura – mismunandi líkindi eftir því hvort um transitions eða transversions

• Tamura-Nei, F84, HKY – meiri breytileiki

• Allt eru þetta “general time-reversible” model, þ.e. breytingar geta gengið til baka.

Maximum likelihood

• Byggir á módeli um líkindi þess að einstakir basar breytist í aðra

• Sýnt hefur verið fram á að ML-aðferðir greina oftar rétta þróunarsögu en parsimony aðferðir (með tilbúnum gögnum sem hafa “þróast” í tölvu)

• Eru hins vegar afar flóknar og tímafrekar greiningar

Bayesian interference

• Reikna líklegasta tréð útfrá fyrirfram gefnum forsendum að teknu tilliti til gagnanna.

• Líkindi (Tilgáta|gögn) = Líkindi (Tilgáta & gögn)/Líkindi (gögn)

MrBayes

• Tré valið af handahófi

• Eftirálíkindi reiknuð út fyrir tréð

• Trénu breytt

• Ný eftirálíkindi reiknuð

• Þannig haldið áfram en samanburður gerður á mismunandi trjám reglulega og safnað saman hve oft vissir hópar koma fram.

• Í dag eru langflestar þróunarsögugreiningar gerðar með ML-aðferðum meðan þeim fækkar sem nota parsimony

• Phenetic-aðferðir enn notaðar í einhverjum mæli í sambandi við örverufræði

• http://evolution.genetics.washington.edu/phylip/software.html

Mikið notuð forrit meðal flokkunarfræðinga

• PAUP* - Phylogenetic Analysis using Parsimony (and other methods)-http://paup.csit.fsu.edu/about.html

• MrBayes – (eftirálíkindi byggð á Bayesian inference) http://morphbank.ebc.uu.se/mrbayes/

• MrModeltest - (ráðleggur um model fyrir DNA-þróun) http://www.ebc.uu.se/systzoo/staff/nylander.html