Моделирование эволюции гена

На главную страницу четвётого семестра

Модель судьбы моего гена описана в виде скобочной формулы (((А:27,В:27):23,((С:43,D:43):7,Е:50):10):40,F:100); Расстояния даны как число мутаций на 100 нуклеотидных остатков.

Создание изображение дерева, описанного заданной мне формулой.
Описание ветвей дерева как разбиений множества листьев (считая дерево бескорневым).
```
  A B C D E F
  . . * * * *
  * * . . * *
  . . * * * .
```
Получение искуственных мутантных последовательностей, соответствующих листьям(C,D,E) и узлам дерева, считая, что в корне находится последовательность гена моего белка CARA ECOLI.
Длина гена: 1149, формула для пересчёта расстояний в число мутаций в вашем гене:ОБЩЕЕ ЧИСЛО МУТАЦИЙ= 11,49*<длина ветви>, текст скрипта, которым получаются мутантные последовательности:
```
msbar 1.fasta F.fasta  -point 4 -count 1149  -auto
msbar 1.fasta 2.fasta  -point 4 -count 459  -auto
msbar 2.fasta 3.fasta  -point 4 -count 264  -auto
msbar 3.fasta A.fasta  -point 4 -count 310  -auto
msbar 3.fasta B.fasta  -point 4 -count 310  -auto
msbar 2.fasta 4.fasta  -point 4 -count 115  -auto
msbar 4.fasta E.fasta  -point 4 -count 574  -auto
msbar 4.fasta 5.fasta  -point 4 -count 80  -auto
msbar 5.fasta C.fasta  -point 4 -count 494  -auto
msbar 5.fasta D.fasta  -point 4 -count 494  -auto
```

На основе последовательностей, соответствующих листьям, реконструировано дерево алгоритмами:

UPGMA (программа fneighbor с параметром -treetype u)

fdnadist list.fasta -ttratio 1 -auto fneighbor list.fdnadist -outfile UPGMA.fneighbor -treetype u -auto



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

алгоритм Neighbor-joining (программа fneighbor с параметром -treetype n по умолчанию)

fdnadist list.fasta -ttratio 1 -auto fneighbor list.fdnadist -outfile NJ.fneighbor -auto

(программа fdnadist определяет попарные расстояния между последовательностями, выходной файл *.fdnadist)


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

алгоритм максимального правдоподобия (программа fdnaml)

fdnaml list.fasta -ttratio 1 -auto



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

Топология всех трех деревьев совпадают с истинным. Деревья, построенные алгоритмами максимального правдоподобия и Neighbor-joining идентичны, незначительно отличаются только длины некоторых ветвей. UPGMA-дерево, в отличие от двух предыдущих, укорененное. Оно также ультраметрично, то есть длины всех "полных" ветвей равны (расстояния от корня до листьев одинаковы, в отличие от моего исходного). Так же для UPGMA и Neighbor-joining была использована программа fdnadist определяющая попарные расстояния между последовательностями. Итак, все использованные алгоритмы правильно восстановили ход эволюции.

Сравнение деревьев между собой и с правильным деревом.

A B C D E F Истинное дерево Максимальное правдоподобие Neighbor-joining UPGMA

. . * * * * + + + +

* * . . * * + + + +

. . * * * . + + + +

Бутстреп-анализ выравнивания мутированных последовательностей, соответствующих листьям моего дерева.

Для этого используем программы fseqboot (построение 100 "бутстреп-реплик" дерева, при значении параметра -test b по умолчанию), fdnaml (получение скобочных структур для каждого дерева) и fconsense (вычисление "консенсусного" дерева).

DCEFBA
....**                     100.00 Ветка АВ встретилась во всех случаях
...***                     86.00  FBA встретилась в 86 случаях
..****                     69.00  EFBA в 69



Не вошедшие в дерево ветки (очень низкая частота встречи.)
.*.***                     24.00
..*.**                      6.00
.*.*..                      6.00
..**..                      6.00
.**...                      2.00
.**.**                      1.00

Ветки оригинального дерева встречаются не во всех репликах.


                              +------A
                       +100.0-|
                +-86.0-|      +------B
                |      |
         +-69.0-|      +-------------F
         |      |
  +------|      +--------------------E
  |      |
  |      +---------------------------C
  |
  +----------------------------------D

Консенсусное дерево.Совпадает с реальным. Однако странно, что не сущуствующая в дереве ветка "предсказана" 24(!) раза.

Изображение неукоренённого дерева программой fdrawtree

A B C D E F	Истинное дерево	Максимальное правдоподобие	Neighbor-joining	UPGMA
. . * * * *	+	+	+	+
* * . . * *	+	+	+	+
. . * * * .	+	+	+	+