Построение филогенетических деревьев по нуклеотидным последовательностям

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное  учреждение высшего профессионального  образования

«Вятский государственный  университет»

Кафедра микробиологии

 

 

 

 

 

 

Реферат по теме

«Построение филогенетических деревьев по нуклеотидным последовательностям»

 

 

 

 

                                                   Работу выполнила 

студентка группы МБ- 31

Киселева Анастасия        

 

Содержание

1. Филогенетические деревья…………………………………………..……1
2. Типы филогенетических деревьев……………………………….……2
2. Построение деревьев ………………………………………………………5

   2.1 Выбор последовательности для дерева………………………….7

2.2 Основные алгоритмы построения филогенетических деревьев……………………………………………………………………….8

2.3 Методы построения……………………………………………….9

3. Список литературы……………………………………………………….11

Приложение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Филогенетические деревья

Филогенетическое дерево (эволюционное дерево, дерево жизни) — дерево, отражающее эволюционные взаимосвязи между различными видами или другими сущностями, имеющими общего предка.

Вершины филогенетического дерева делятся на три класса: листья, узлы и (максимум один) корень. Листья — это конечные вершины, то есть те, в которые входят ровно по одному ребру; каждый лист отображает некоторый вид живых организмов (или иной объект, подверженный эволюции, например, домен белка). Каждый узел представляет эволюционное событие: разделение предкового вида на два или более, которые в дальнейшем эволюционировали независимо. Корень представляет общего предка всех рассматриваемых объектов. Ребра филогенетического дерева принято называть «ветвями».

Идея «дерева» появилась в ранних взглядах на жизнь, как на процесс  развития от простых форм к сложным. Современные эволюционные биологи продолжают использовать деревья для иллюстрации эволюции, так как они наглядно показывают взаимосвязи между живыми организмами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Типы филогенетических деревьев

Укоренённое дерево — дерево, содержащее выделенную вершину — корень. Укоренённое дерево можно считать ориентированным графом, поскольку на нём имеется естественная ориентация — от корня к листьям. Каждый узел укоренённого дерева отвечает последнему общему предку нижележащих листьев дерева. Рисунок 1 представляет укоренённое филогенетическое дерево, окрашенное в соответствии с трёхдоменной системой живых организмов.

Неукоренённое дерево не содержит корня и отражает связь листьев без предполагаемого положения общего предка. Необходимость рассматривать неукоренённые деревья возникает из-за того, что часто связи между узлами восстановить легче, чем направление эволюции. Рисунок 2 представляет неукоренённое филогенетическое дерево. Наиболее достоверным методом для превращения неукоренённого дерева в укоренённое (для этого надо либо объявить корнем один из узлов, либо разбить одну из ветвей на две, выходящие из корня) является использование «внешней группы» видов — достаточно близких к интересующему нас набору видов (для достоверного восстановления топологии дерева для объединенного множества видов), но в то же время заведомо являющихся отдельной группой. Иногда положение корня можно угадать, исходя из каких-либо дополнительных знаний о природе изучаемых объектов (видов, белков, etc.)

Укоренённое и неукоренённое филогетическое дерево может быть бифуркационным или небифуркационным, а также маркированным или немаркированным. В бифуркационном дереве к каждому узлу подходят ровно три ветви (в случае укоренённого дерева — одна входящая ветвь и две исходящие). Таким образом бифуркационное дерево предполагает, что все эволюционные события состояли в происхождении от предкового объекта ровно двух потомков. К узлу небифуркационного дерева могут подходить четыре и более ветви. Маркированное дерево содержит названия листьев, тогда как немаркированное просто отражает топологию.

Дендрограмма — общий термин, обозначающий схематическое представление филогенетического дерева.

Кладограмма — филогенетическое дерево, не содержащее информации о длинах ветвей.

Филограмма (или фенограмма) — филогенетическое дерево, содержащее информацию о длинах ветвей; эти длины представляют изменение некой характеристики.

Хронограмма — филограмма, длины ветвей в которой представляют эволюционное время.

 

 

2. Построение филогенетических деревьев

В наше время филогенетические деревья, как правило, реконструируются по последовательностям белков или нуклеиновых кислот (ДНК или РНК). Деревья строятся по произвольному числу входных последовательностей с использованием специальных вычислительных (филогенетических) методов. Наиболее достоверной мерой соответствия данного набора (выровненных) последовательностей данной топологии дерева считается мера (критерий), основанная на принципе наибольшего правдоподобия. Нередко используется также принцип Байеса, хотя его применимость спорна. Вероятностные критерии (наибольшее правдоподобие и байесовские) требуют много машинного времени для своего вычисления. Другие критерии: так называемая «максимальная экономия», а также несколько критериев, основанных на предварительном вычислении расстояний между входными последовательностями, вычисляются быстрее. Для любого критерия встаёт задача нахождения оптимального (для данной меры) дерева. Время точного решения этой задачи растёт факториально (много быстрее, чем экспоненциально!) с ростом числа входных последовательностей, поэтому для нахождения дерева, в достаточной мере удовлетворяющего входным данным, используются эвристический поиск и методы оптимизации. Кроме того, популярны такие алгоритмы, как «метод объединения соседей» (Neighbor-joining method), которые вообще не используют перебор топологий и вычисление какого-либо критерия, а сразу строят дерево, которое при хорошем качестве входных данных достаточно достоверно.

Методы построения дерева могут быть оценены по нескольким основным показателям:

• эффективность (сколько времени и памяти требуются для вычислений)
• полезность (есть ли польза от полученных данных или информация бесполезна)
• воспроизводимость (будут ли повторные ответы такими же, если каждый раз даются разные данные для той же проблемной модели)
• устойчивость к ошибкам (справляется ли с неточностями в предпосылках рассматриваемой модели)
• выдача предупреждений (будет ли предупреждать нас, когда неправильно используется, то есть предпосылки неверные)

Кроме того, методы можно  разделить на предполагающие и не предполагающие справедливость гипотезы «молекулярных часов» (то есть одинаковой скорости изменений для всех предковых последовательностей, см. нейтральная теория молекулярной эволюции). Первая группа методов строит укоренённые деревья, вторая — как правило, неукоренённые. Чаще всего предполагать «молекулярные часы» нет достаточных оснований, и поэтому большинство компьютерных программ филогенетического анализа по умолчанию выдают неукоренённые деревья.

Методы построения дерева могут применяться не только биологами, но и математиками. Деревья можно  строить, используя Т-теорию.

Среди бесплатных пакетов  филогенетического анализа большим  набором реализованных алгоритмов выделяется PHYLIP, среди платных — PAUP. Для редактирования и визуализации готовых деревьев наиболее часто используются программы FigTree, TreeView. На русском языке доступна программа UGENE, распространяющаяся по свободной лицензии и включающая в себя построение и визуализацию деревьев.

 

2.1 Выбор последовательности для дерева

 Кроме случаев очень  близких последовательностей, проще  работать с белками (а не  с ДНК).

Придерживайтесь небольшой  выборки (< 50 последовательностей)

Избегайте:

– фрагментов;

– ксенологов;

– рекомбинантных последовательностей;

– многодоменных белков и повторов

Самое главное – хорошее выравнивание!

Максимальный вклад в  финальное дерево: нельзя построить  хорошее дерево по плохому выравниванию.

Блоки, содержащие много  гэпов, плохо выровненные N- и C- концы можно просто вырезать.

 

2.2 Основные алгоритмы построения филогенетических деревьев

Методы, основанные на оценке расстояний (матричные методы): Вычисляются эволюционные расстояния между всеми листьями (OTUs) и строится дерево, в котором расстояния между вершинами наилучшим образом соответствуют матрице попарных расстояний.

• UPGMA

• Neighbor-joining

• Минимальная эволюция

 

Как понимать расстояние между объектами?

• Как время, в течение  которого они эволюционировали

• Как число «эволюционных  событий» (мутаций)

В первом случае объекты  образуют ультраметрическое пространство (если все объекты наблюдаются  в одно время, что, как правило, верно). Но время непосредственно измерить невозможно. Укоренённое дерево называется ультраметрическим, если расстояние от корня до любого из листьев одинаково.

 

2.3 Методы построения  филогенетических деревьев

UPGMA (Unweighted Pair Group Method with Arithmetic Mean) - разновидность кластерного метода.

Расстояние между кластерами вычисляется как среднее арифметическое всевозможных расстояний между последовательностями из кластеров. Недостатки UPGMA - Алгоритм строит ультраметрическое дерево, а это означает, что скорость эволюции предполагается одинаковой для всех ветвей дерева. Использовать этот алгоритм имеет смысл только в случае ультраметрических данных (справедливости «молекулярных часов»). Гипотеза «молекулярных часов»(E.Zuckerkandl, L.Pauling, 1962)- За равное время во всех ветвях эволюции накапливается равное число мутаций.

(Neighbor-joining, NJ) – метод ближайших соседей.

• Строит неукоренённое дерево
• Может работать с большим количеством данных
• Достаточно быстрый
• Хорошо зарекомендовал себя на практике: если есть недвусмысленное с точки зрения эксперта дерево, то оно будет построено.
• Могут появиться ветви с длиной <0

(Minimum evolution – ME) - метод минимальной эволюции. По своей сути ME-метод является усложненной модификацией NJ-метода. Особенностью ME-метода является то, что на промежуточном этапе строится множество дендрограмм, полученных на основе алгоритма, аналогичного таковому в NJ-методе. Все эти промежуточные дендрограммы отличаются друг от друга лишь первой парой последовательностей, то есть в каждой из дендрограмм процесс построения начинается с новой пары и приводит к некоторым изменениям в длинах ветвей.  На заключительном этапе из всех построенных ранее дендрограмм в качестве конечной выбирается та, в

которой общая сумма длин ветвей имеет наименьшее значение [132]. Разработчики данного метода исходили из предположения, что наиболее правильный вариант дедрограммы должен отражать принцип минимума эволюционных дистанций.

 

 

Какие on-line программы строят деревья?

• ClustalW. “Tree type” – nj, phylip: строит только методом NJ, но результат – в разных форматах, no bootstraps
• Phylip (Felsenstein, 1993) – пакет программ для построения филогенетических деревьев (stand-alone)

• PAUP (Phylogenetic Analysis Using Parsimony)

 

Список литературы

1. http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B8%D0%BB%D0%BE%D0%B3%D0%B5%D0%BD%D0%B5%D1%82%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%BE%D0%B5%D0%B4%D0%B5%D1%80%D0%B5%D0%B2%D0%BE
2. http://biology.bsmu.by/files/biology_pdf/monogr/mon_12.pdf
3. http://www.google.ru/url?sa=t&rct=j&q=%D0%BF%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5%20%D1%84%D0%B8%D0%BB%D0%BE%D0%B3%D0%B5%D0%BD%D0%B5%D1%82%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D1%85%20%D0%B4%D0%B5%D1%80%D0%B5%D0%B2%D1%8C%D0%B5%D0%B2&source=web&cd=3&sqi=2&ved=0CFcQFjAC&url=http%3A%2F%2Fbiochem.bio.msu.ru%2Fassets%2Ffiles%2Fbioinformatics%2Fbioinfo9_08.ppt&ei=mOKrT96gLMSY-wacnOWeCg&usg=AFQjCNHUNyN3PaatnlZi8sSzSidEPT0lpA&cad=rjt
4. (http://univertv.ru/video/biology/evolyuciya/vvedenie_v_evolyucionnuyu_biologiyu/lekciya_4_dokazatelstva_evolyucii_postroenie_filogenii/?mark=all)