Московский Государственный Университет имени М.В.Ломоносова Факультет Биоинженерии и Биоинформатики Учебный сайт Сеферяна Мелика

Полезные ссылки

Реконструкция и сравнение деревьев.

Занятие 1

Отобранные бактерии:

Название	Мнемоника
Burkholderia cenocepacia	BURCA
Neisseria meningitidis	NEIMA
Bradyrhizobium japonicum	BRAJA
Escherichia coli	ECOLI
Rhodobacter sphaeroides	RHOS4
Vibrio cholerae	VIBCH
Pseudomonas aeruginosa	PSEAE
Salmonella typhimurium	SALTY

Скобочная формула дерева

(((((ECOLI, SALTY), VIBCH), PSEAE), (NEIMA, BURCA)), (PHOS4, BRAJA));

Изображение дерева

Ветви дерева

Дерево содержит 5 нетривиальных ветвей:

1) {SALTY, ECOLI} против {VIBCH, PSEAE, NEIMA, BURCA, RHOS4, BRAJA}
2) {SALTY, ECOLI, VIBCH} против {PSEAE, NEIMA, BURCA, RHOS4, BRAJA}
3) {SALTY, ECOLI, VIBCH, PSEAE} против {NEIMA, BURCA, RHOS4, BRAJA}
4) {SALTY, ECOLI, VIBCH, PSEAE, NEIMA, BURCA} против {RHOS4, BRAJA}
5) {SALTY, ECOLI, VIBCH, PSEAE, RHOS4, BRAJA} против {NEIMA, BURCA}

Занятие 2

1) Пользуясь таксономическим сервисом NCBI: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/taxonomy/, можно определить, к каким таксонам относятся отобранные бактерии:

Название	Мнемоника	Таксономия
Burkholderia cenocepacia	BURCA	Bacteria; Proteobacteria; Betaproteobacteria; Burkholderiales; Burkholderiaceae; Burkholderia; Burkholderia cepacia complex
Neisseria meningitidis	NEIMA	Bacteria; Proteobacteria; Betaproteobacteria; Neisseriales; Neisseriaceae; Neisseria
Pseudomonas aeruginosa	PSEAE	Bacteria; Proteobacteria; Gammaproteobacteria; Pseudomonadales; Pseudomonadaceae; Pseudomonas; Pseudomonas aeruginosa group
Escherichia coli	ECOLI	Bacteria; Proteobacteria; Gammaproteobacteria; Enterobacteriales; Enterobacteriaceae; Escherichia
Salmonella typhimurium	SALTY	Bacteria; Proteobacteria; Gammaproteobacteria; Enterobacteriales; Enterobacteriaceae; Salmonella; Salmonella enterica; Salmonella enterica subsp. enterica
Vibrio cholerae	VIBCH	Bacteria; Proteobacteria; Gammaproteobacteria; Vibrionales; Vibrionaceae; Vibrio
Rhodobacter sphaeroides	RHOS4	Bacteria; Proteobacteria; Alphaproteobacteria; Rhodobacterales; Rhodobacteraceae; Rhodobacter
Bradyrhizobium japonicum	BRAJA	Bacteria; Proteobacteria; Alphaproteobacteria; Rhizobiales; Bradyrhizobiaceae; Bradyrhizobium

На рисунке определенные ветви подписаны соответствующими названиями таксонов:

2) Для реконструкции этого дерева в качестве функции была выбрана омега-субъединица ДНК-зависимой РНК-полимеразы. последовательности сохранены в файле 4tree_seqs.fasta.

3) Программой muscle было построено множественное выравнивание этих последовательностей. Кроме того названия белков были заменены на мнемонику организмов для более удобной дальнейшей работы с деревьями.
Выравнивание в fasta-формате: 4tree_aln.fasta.
В формате msf (для просмотра в GeneDoc): 4tree_aln.msf.

5) Используя это выравнивание реконструируем филогенетическое дерево с помощью программы fprotpars:
Программа построила единственное, "максимально бережливое" дерево.

Скобочная формула:
(((((BRAJA,RHOS4),((BURCA,NEIMA),PSEAE)),VIBCH),SALTY),ECOLI);

Изображение:


                    +--BRAJA     
           +--------7  
           !        +--RHOS4     
        +--6  
        !  !        +--BURCA     
        !  !     +--5  
     +--3  +-----4  +--NEIMA     
     !  !        !  
     !  !        +-----PSEAE     
  +--2  !  
  !  !  +--------------VIBCH     
  1  !  
  !  +-----------------SALTY     
  !  
  +--------------------ECOLI

Данное дерево также содержит 5 нетривиальных ветвей:

1) {SALTY, ECOLI} против {VIBCH, PSEAE, NEIMA, BURCA, RHOS4, BRAJA}
2) {SALTY, ECOLI, VIBCH} против {PSEAE, NEIMA, BURCA, RHOS4, BRAJA}
3) {SALTY, ECOLI, VIBCH, RHOS4, BRAJA} против {NEIMA, BURCA, PSEAE}
4) {SALTY, ECOLI, VIBCH, PSEAE, NEIMA, BURCA} против {RHOS4, BRAJA}
5) {SALTY, ECOLI, VIBCH, PSEAE, RHOS4, BRAJA} против {NEIMA, BURCA}

Жирным шрифтом отмечена ветвь которой нет в "правильном" дереве.
Вместо нее там была ветвь:
{SALTY, ECOLI, VIBCH, PSEAE} против {NEIMA, BURCA, RHOS4, BRAJA}

6) Оценим эволюционные расстояния между последовательностями с помощью программы fprotdist.
Матрица расстояний:

              ECOLI     SALTY     VIBCH     RHOS4     BRAJA     NEIMA     BURCA     PSEAE
  ECOLI       0.000000  0.000010  0.172863  1.067151  1.195937  0.693086  0.923107  0.920843
  SALTY       0.000010  0.000000  0.172863  1.067151  1.195937  0.693086  0.923107  0.920843
  VIBCH       0.172863  0.172863  0.000000  1.096424  1.206144  0.670077  0.911574  0.901334
  RHOS4       1.067151  1.067151  1.096424  0.000000  0.579830  0.893611  0.797429  0.949981
  BRAJA       1.195937  1.195937  1.206144  0.579830  0.000000  0.892055  0.922853  0.976538
  NEIMA       0.693086  0.693086  0.670077  0.893611  0.892055  0.000000  0.622256  0.844143
  BURCA       0.923107  0.923107  0.911574  0.797429  0.922853  0.622256  0.000000  0.644093
  PSEAE       0.920843  0.920843  0.901334  0.949981  0.976538  0.844143  0.644093  0.000000

Отклонение от ультраметричности:

1.Выберем 3 объекта: ECOLI, NEIMA, BRAJA
d (ECOLI, NEIMA) = 0.693086
d (ECOLI, BRAJA) = 1.195937
d (NEIMA, BRAJA) = 0.892055
Условие ультраметричности:
Если d (ECOLI, BRAJA) > d (ECOLI, NEIMA), то d (ECOLI, BRAJA) = d (NEIMA, BRAJA)
Видно, что эти расстояния не равны между собой, а разница между ними составляет 0,303882

2. Теперь рассмотрим 3 более близких организма: ECOLI, VIBCH, NEIMA
d (ECOLI, VIBCH) = 0.172863
d (ECOLI, NEIMA) = 0.693086
d (VIBCH, NEIMA) = 0.670077
Условие ультраметричности:
Если d (ECOLI, NEIMA) > d (ECOLI, VIBCH), то d (ECOLI, NEIMA) = d (VIBCH, NEIMA)
Равенство все так же не выполняется, но разница стала намного меньше: 0,023009

Отклонение от аддитивности:

Выберем 3 объекта: ECOLI, VIBCH, BRAJA, RHOS4:
d(ECOLI, VIBCH) + d (BRAJA, RHOS4) = 0.752693
d(ECOLI, BRAJA) + d (VIBCH, RHOS4) = 2.292361
d(ECOLI, RHOS4) + d (VIBCH, BRAJA) = 2.273295
Условие аддитивности: из 3 перечисленных сумм 2 равны между собой и больше третьей.
Видим, что d(ECOLI, RHOS4) + d (VIBCH, BRAJA) ~ d(ECOLI, BRAJA) + d (VIBCH, RHOS4)
и больше d(ECOLI, VIBCH) + d (BRAJA, RHOS4)
Условие аддитивности не выполняется вточности, но отклонение составляет всего 0,019066

7) Теперь реконструируем дерево с помощью программы fneighbor, используя алгоритмы UPGMA и Neighbor-Joining.

Результаты: NJ.treefile, NJ.fneighbor, UPGMA.treefile, UPGMA.fneighbor

1. UPGMA

                                 +ECOLI     
                           +-----1 
       +-------------------2     +SALTY     
       !                   ! 
       !                   +-----VIBCH     
  +----6 
  !    !      +------------------NEIMA     
  !    !  +---4 
  !    +--5   +------------------BURCA     
--7       ! 
  !       +----------------------PSEAE     
  ! 
  !            +-----------------RHOS4     
  +------------3 
               +-----------------BRAJA

  +SALTY     
  ! 
  !  +--VIBCH     
  !  ! 
  1--2          +------NEIMA     
  !  !          ! 
  !  +----------4           +-------RHOS4     
  !             !   +-------3 
  !             !   !       +---------BRAJA     
  !             +---5 
  !                 ! +-------BURCA     
  !                 +-6 
  !                   +-----------PSEAE     
  ! 
  +ECOLI

Нетривиальные ветви:
1) {SALTY, ECOLI} против {VIBCH, PSEAE, NEIMA, BURCA, RHOS4, BRAJA}
2) {SALTY, ECOLI, VIBCH} против {PSEAE, NEIMA, BURCA, RHOS4, BRAJA}
3) {SALTY, ECOLI, VIBCH, NEIMA} против {RHOS4, BRAJA, BURCA, PSEAE}
4) {SALTY, ECOLI, VIBCH, PSEAE, NEIMA, BURCA} против {RHOS4, BRAJA}
5) {SALTY, ECOLI, VIBCH, NEIMA, RHOS4, BRAJA} против {BURCA, PSEAE}

Жирным шрифтом отмечены ветви которых нет в "правильном" дереве.

Таким образом, ни одному из алгоритмов не удалось реконструировать "правильное" дерево. Результаты программ fprotpars и fneighbor (UPGMA) совпали и отличались от правильного одной ветвью. Хуже всех показал себя алгоритм Neighbor-Joining, результат отличался от правильного двумя ветвями.