Филогенетическое дерево и его реконструкция

• Изображение дерева, описанного заданной формулой

  ((((А:50,В:50):30,С:80):20, D:99):8, (Е:95,F:95):15);

  

• Описание ветвей дерева как разбиения множества листьев (считая дерево бескорневым)

  A B C D E F
  * * . . . .
  * * * . . .
  * * * * . .
  +
  * . . . . .
  . * . . . . 
  . . * . . . 
  . . . * . .
  . . . . * .
  . . . . . *
  

  Поскольку ветвь, отделяющая один (любой!) лист от всех остальных, есть в любом дереве, описание таких ветвей не несёт полезной информации. Поэтому такие ветви написаны через знак + и на самом деле не обязательны для отображения.

• Получение искуственных мутантных последовательностей, соответствующих листьям и узлам дерева, считая, что в корне находится последовательность гена белка DSBA_ECOLI

  Ген dsbA, поставленный в корне дерева:

  >U35817 U35817.1 Escherichia coli thiol:disulfide interchange protein DsbA mutant PH31/32PP (dsbA) gene, complete cds.
  atgaaaaagatttggctggcgctggctggtttagttttagcgtttagcgcatcggcggcg
  cagtatgaagatggtaaacagtacactaccctggaaaaaccggtagctggcgcgccgcaa
  gtgctggagtttttctctttcttctgcccgccctgttatcagtttgaagaagttctgcat
  atttctgataatgtgaagaaaaaactgccggaaggcgtgaagatgactaaataccacgtc
  aacttcatgggtggtgacctgggcaaagatctgactcaggcatgggctgtggcgatggcg
  ctgggcgtggaagacaaagtgactgttccgctgtttgaaggcgtacagaaaacccagacc
  attcgttctgcttctgatatccgcgatgtatttatcaacgcaggtattaaaggtgaagag
  tacgacgcggcgtggaacagcttcgtggtgaaatctctggtcgctcagcaggaaaaagct
  gcagctgacgtgcaattgcgtggcgttccggcgatgtttgttaacggtaaatatcagctg
  aatccgcagggtatggataccagcaatatggatgtttttgttcagcagtatgctgataca
  gtgaaatatctgtccgagaaaaaataa
  

  Его длина - 627 нуклеотидов.

  Формула для пересчёта расстояний в число мутаций в моём гене:

  (число замен * длину гена)/100

  Мутанты гена dsbA были получены с помощью следующего скрипта:

  msbar gene.fasta ABCD.fasta -point 4 -count 50 -auto
  msbar gene.fasta EF.fasta -point 4 -count 94 -auto
  msbar ABCD.fasta ABC.fasta -point 4 -count 125 -auto
  msbar ABCD.fasta D.fasta -point 4 -count 621 -auto
  msbar ABC.fasta C.fasta -point 4 -count 502 -auto
  msbar ABC.fasta AB.fasta -point 4 -count 188 -auto
  msbar AB.fasta A.fasta -point 4 -count 314 -auto
  msbar AB.fasta B.fasta -point 4 -count 314 -auto
  msbar EF.fasta E.fasta -point 4 -count 596 -auto
  msbar EF.fasta F.fasta -point 4 -count 596 -auto
  cat A.fasta >> mutanty.fasta  
  cat B.fasta >> mutanty.fasta  
  cat C.fasta >> mutanty.fasta  
  cat D.fasta >> mutanty.fasta  
  cat E.fasta >> mutanty.fasta  
  cat F.fasta >> mutanty.fasta  

• Реконструированные деревья

  Алгоритм максимального правдоподобия

  Чтобы реконструировать дерево алгоритмом максимального правдоподобия, запустила программу fdnaml:

  fdnaml mutanty.fasta -ttratio 1 -auto

  
    +---------B         
    |  
    |                     +--------------------F         
    |             +-------4  
    |       +-----3       +---------------------E         
    |       |     |  
    1-------2     +-------------------------D         
    |       |  
    |       +------------------C         
    |  
    +------------A         
  
  

  Чтобы реконструировать дерево алгоритмами UPGMA или Neighbor-joining, сначала посчитала попарные расстояния между последовательностями программой fdnadist:

  fdnadist mutanty.fasta -ttratio 1 -auto

  Алгоритм Neighbor-joining

  Чтобы реконструировать дерево алгоритмом Neighbor-joining, запустила программу fneighbor:

  fneighbor mutanty.fdnadist -auto

  
    +--------B         
    ! 
    !       +-----------------C         
    2-------3 
    !       !      +-------------------------D         
    !       +------4 
    !              !         +----------------------E         
    !              +---------1 
    !                        +-------------------F         
    ! 
    +-------------A         
  
  

  Алгоритм UPGMA

  Чтобы реконструировать дерево алгоритмом UPGMA, запустила программу fneighbor:

  fneighbor mutanty.fdnadist -treetype u -auto

  
                                     +----------------------A         
                      +--------------1 
        +-------------2              +----------------------B         
        !             ! 
    +---4             +-------------------------------------C         
    !   ! 
  --5   +---------------------------------------------------D         
    ! 
    !            +------------------------------------------E         
    +------------3 
                 +------------------------------------------F         
  
  

  Надо заметить, что только алгоритм UPGMA из нами рассмотренных отображает возможный корень дерева.

  Топология всех трёх деревьев одинакова и совпадает с топологией исходного древа.

  Ветвь	Исходное дерево модели	Максимальное правдоподобие	Neighbor-joining	UPGMA
  ABCDEF
  **....	+	+	+	+
  ***...	+	+	+	+
  ....**	+	+	+	+

• Бутстреп-анализ выравнивания мутированных последовательностей

  Программой fseqboot создала 100 бутстреп-реплик выравнивания:

  fseqboot mutanty.fasta -auto

  Далее я подала полученные 100 выравниваний на вход программе fdnaml. В выходном файле (.treefile) оказалось 100 скобочных формул, соответствующих реконструкциям, сделанным по каждому из выравниваний. Затем я запустила программу fconsense. В выходной файл были помещены результаты бутстреп-анализа.

  Консенсусное дерево:

  
                         +------E
                  +-94.0-|
           +-84.0-|      +------F
           |      |
    +------|      +-------------D
    |      |
    |      |             +------A
    |      +--------95.0-|
    |                    +------B
    |
    +---------------------------C
  
  

  Консенсусное дерево совпало по топологии с реальным деревом.

  Бутстреп-значения внутренних ветвей консенсусного и реального деревьев:

  
    1. C
    2. D
    3. F
    4. E
    5. B
    6. A
  
   ....**                     95.00
   ..**..                     94.00
   .***..                     84.00
  
  

  Это значит, что ветвь АВ была найлена в 95 деревьях их 100, ветвь EF - в 94 и ветвь DEF - в 84.

• Изображение моего дерева программой fdrawtree