Моделирование и реконструкция эволюции гена

Изображение дерева, описанного скобочной формулой: ((((А:40,B:40):25,C:70):30,D:70):10,(E:60,F:60):40);

На данной картинке подписаны листья, внутренние узлы и длины ветвей. Расстояния (длины ветвей) даны как число мутаций на 100 нуклеотидных остатков.

Считая дерево бескорневым, можно описать его ветви как разбиения множества листьев:

A B C D E F
. . * * * *
. . . * * *
. . . . * *
Каждая строка полученной таблички, описывающая ветвь дерева, заполнена символами двух типов: . или *. Одним символом помечены листья, находящиеся по одну сторону от данной ветви. Поскольку ветвь, отделяющая один (любой) лист от всех остальных, есть в любом дереве, описание таких ветвей не несёт полезной информации. Поэтому строки, соответствующие указаному разбиению в таблицу не включены.

Получение искуственных мутантных последовательностей, соответствующих листьям и узлам дерева, считая, что в корне находится последовательность гена моего белка TKT1_ECOLI

Длина моего гена tktA составляет 1995 нуклеотидов. Формула для пересчёта расстояний в число мутаций в моём гене:
n/100*1995, где n - длина ветви.
Текст скрипта, которым получаются мутантные последовательности:
msbar ABCDEF.fasta ABCD.fasta -point 4 -count 200 -auto
msbar ABCDEF.fasta EF.fasta -point 4 -count 798 -auto
msbar ABCD.fasta ABC.fasta -point 4 -count 599 -auto
msbar ABCD.fasta D.fasta -point 4 -count 1397 -auto
msbar ABC.fasta AB.fasta -point 4 -count 499 -auto
msbar ABC.fasta C.fasta -point 4 -count 1397 -auto
msbar AB.fasta A.fasta -point 4 -count 798 -auto
msbar AB.fasta B.fasta -point 4 -count 798 -auto
msbar EF.fasta E.fasta -point 4 -count 1197 -auto
msbar EF.fasta F.fasta -point 4 -count 1197 -auto
Для запуска скрипта (после сохранения в Unix-формате) были выполнены следующие команды:
chmod +x msbar.pl
./msbar.pl
Полученные мутантные последовательности были сохранены в директории Term4/Practice2/msbar.

Реконструирование деревьев на основе мутантных последовательностей, полученных с помощью программы msbar и соответствующих листьям

Полученные последовательности, соответствующие листьям дерева, были помещены в виде "выравнивания" в файл fdnaml.fasta. Далее были реконструированы филогенетические деревья с помощью следующих алгоритмов:
Алгоритм максимального правдоподобия (программа fdnaml)
Дерево было получено выполнением программы: fdnaml fdnaml.fasta -ttratio 1 -auto. 

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

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

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

Использованные для построения деревьев программы:
fdnadist fdnaml.fasta -ttratio 1 -auto
fneighbor fdnaml.fdnadist -auto (полученный файл был переименован в Neighbor-joining.fneighbor)
fneighbor fdnaml.fdnadist -treetype u -auto

Сравнение деревьев и алгоритмов их построения
Ветвь дерева Исходное дерево Дерево, реконструированное алгоритмом максисмального правдопадобия Дерево, реконструированное алгоритмом Neighbor-joining Дерево, реконструированное алгоритмом UPGMA
A B C D E F
. . * * * * + + + +
. . . * * * + + + +
. . . . * * + + + +

Из полученной таблицы видно, все деревья, построенные тремя алгоритмами, имеют все ветви исходного дерева. Если же сравнивать сами алгоритмы, то можно сделать вывод, что только алгоритм UPGMA строит укорененное дерево, что является безусловно наиболее удобным и более информативным результатом. Деревья, полученные другими двумя алгоритмами можно укоренить искуственно. Это можно сделать двумя способами: укоренение средней точки - "центра тяжести" дерева, либо с помощью метода аутгрупп - выбор гена из достаточно далекого организма и предположение о наиболее вероятной близости узла, в котором ответвляется данная последовательность, к искомому корню. Также нельзя не заметить принципиальное отличие работы программ, выполнящих алгоритм маскимального правдоподобия и отстальные алгоритмы. Первая программа (алгоритм переборный, символьноориентированный) работает с полным выравниванием полученных мутанатных последовательностей гена. Другие алгоритмы, называемые эвристическими, работают с подсчитанными программой fdnadist попарными эволюционными расстояниями между генами-мутантами, что безусловно является менее информативным, нежели работа с полным выравниванием, поскольку получаемая матрица эволюционных расстояний может соответствовать разным последовательностям. Алгоритм UPGMA не взвешивает длины ветвей, в итоге строя ультраметрическое дерево. Алгоритм Neighbor-joining, являясь более прогрессивным, взвешивает длины ветвей. Данные особенности алгоритмов хорошо видны по построенным деревьям. Отсюда можно сделать вывод, что алгоритм максимального правдоподобия вполне оправдывает свое название, но его лучше использовать прежде всего для небольшого числа последовательностей. В случае же, когда необходимо как можно быстрей и в то же время правдоподобно представить дерево для большого количества последовательностей, используют алгоритмы UPGMA или Neighbor-joining.
Вернуться на страничку четвертого семестра

© Головкина Мария Сергеевна