Филогенетические деревья.

  1. Оценка достоверности реконструированной топологии с помощью бутстреп-анализа

    Работа состоит из следующих этапов:

fseqboot offsprings.fasta -auto

В результате получился offsprings.fseqboot. Полученный в предидущем пункте файл подаётся на вход программе fdnaml:
fdnaml offsprings.fseqboot -ttratio 1 -auto
Подробнее об опциях программы fdnaml написано здесь. Опция "-ttratio" определяет коэффициент отношения числа транзиций к трансверсиям.
Результатом работы программы является файл offsprings.treefile, содержащий 100 скобочных формул, соответствующих реконструкциям, сделанным по каждому из выравниваний. 
fconsense
Majority-rule
and strict consensus tree
Phylip
tree file: offsprings.treefile
Phylip
consense program output file [offsprings.fconsense]: offsprings.fconsense
Consensus
tree written to file "offsprings.treefile"
Output
written to file "offsprings.fconsense"

Done.
На вход подаётся файл, полученый в предидущем пункте, в результате получен файл offsprings.fconsense.
Полученное консенсусное дерево:
 
                       +-------------D
                +-62.0-|
                |      |      +------E
         +-97.0-|      +-47.0-|
         |      |             +------F
  +------|      |
  |      |      +--------------------A
  |      |
  |      +---------------------------C
  |
  +----------------------------------B
Данное дерево является бескорневым, представленным в виде филограммы. Значения длин, приведённые для внутренних веток, соответствуют числу разделений "видов" на два множества этой веткой из 100 деревьев.

Сравним полученное консенсусное дерево с исходным.

Рисунок дерева в бескорневом виде Описание ветвей дерева как разбиения множества листьев
Исходное дерево 
BCDFEA
..****
***...
...*.*
Консенсусное дерево (bootstrap) 
BCDFEA
..****
..***.
...**.
По таблице видно, что консенсусное дерево не совпадает по топологии с реальным деревом.

Полученный файл с консенсусным деревом в текстовом формате можно посмотреть здесь.

Проанализируем достоверность рекострукции при помощи бутстреп-значений ветвей консенсусного дерева. Бутстреп-значения внутренних ветвей соответствуют числу деревьев, содержащих данную ветвь. Чем больше бутстреп-значения, тем больше деревьев содержат денную ветвь, значит, такая ветвь будет в консенсусном дереве. 

Консенсусное дерево "Реальное" дерево 
Set (BCDFEA)     How many times out of  100.00

   ..****                97.00
   ..***.                62.00
   ...**.                47.00
 
Set (BCDFEA)     How many mutations out of  100.00

   ..****                90.00
   ..***.                 0.00
   ...**.                 0.00
 
Sets NOT included in consensus tree:

Set (BCDFEA)     How many times out of  100.00

   ..**..                30.00
   ...***                26.00
   ...*.*                17.00
   ....**                 6.00
   ..**.*                 6.00
   ..*..*                 5.00
   .****.                 3.00
   ..*.*.                 1.00
 

   
Set (BCDFEA)     How many mutations out of  100.00

   ..**..                 0.00
   ...***                 5.00
   ...*.*                 5.00
   ....**                 0.00
   ..**.*                 0.00
   ..*..*                 0.00
   .****.                 0.00
   ..*.*.                 0.00

Две "реальные" ветки рассматривались программой, но не вошли в консенсусное дерево. Как видно из таблицы бутстреп-значений, ветки, со значениями меньше где-то 40 не входят в консенсусное дерево. Поэтому в реконструкцию вошла только одна "реально" существующая ветка. Стоит правда отметить, что две другие ветки имеёт всё-таки не минимальные бутстреп-значения, хотя и не близки к "порогу".
Отсюда можно сделать вывод, что данный метод можно применять только при бОльших эволюционных расстояниях - от 40 мутаций на 100 нуклеотидов, то есть для анализа "дальних родственников", при очень же похожих последовательностях полученное консенсусное дерево будет не правдоподобным.

  1. Изображение филогенетического дерева в графическом формате

Скобочная формула заданного ("реального") дерева помещена в файл tree_Formula.txt. Этот файл подан на вход программе fdrawtree:
fdrawtree
Plots an unrooted tree diagram
Phylip tree file: tree_Formula.txt
Phylip drawtree output file [tree_formula.fdrawtree]: tree_Formula.ps
DRAWTREE from PHYLIP version 3.6b
Reading tree ...
Tree has been read.
Loading the font ...
Font loaded.

Writing plot file ...

Plot written to file "tree_Formula.ps"

Done.

 Получившийся в результате файл имеет формат postscript и содержит графическое изображение заданного дерева:


Данное дерево - неукоренённое.
Программа fdrawtree не написала букву "A" на картинке и её пришлось подрисовывать вручную.

Исходное дерево
Нарисованное программой fdrawtree
Из рисунка видно, что по топологии полученное дерево полностью совпадает с исходным, что неудивительно, ведь на вход программе подаётся скобочная формула. Единственное, что кажется странным, почему бы в таком случае не рисовать дерево укоренённым, как это делает программа в соответствии с описанием?
Было изменено положение корня при помощи изменения скобочной формулы: tree_Formula2.txt, однако на выданном программой изображении это никак не сказалось.

Дополнительное задание

  1. Оценить достоверность полученной топологии с помощью метода jackknife
fseqboot offsprings1.fasta -test j -auto
Результатом является файл offsprings1.fseqboot. Этот файл подаётся на вход программе fdnaml:
fdnaml offsprings1.fseqboot -ttratio 1 -auto
Результатом является файл offsprings1.treefile, содержащий 100 скобочных формул, соответствующих реконструкциям, сделанным по каждому из выравниваний.
Далее при помощи программы fconsense получаем консенсусное дерево:
fconsense
Majority-rule and strict consensus tree
Phylip tree file: offsprings1.treefile
Phylip consense program output file [offsprings.fconsense]: offsprings1.fconsense

Consensus tree written to file "offsprings.treefile"

Output written to file "offsprings.fconsense"

Done.
На вход подаётся файл, полученый в предидущем пункте, в результате получен файл offsprings1.fconsense.
Полученное консенсусное дерево:
                +--------------------A
         +100.0-|
         |      |      +-------------D
         |      +-95.0-|
  +------|             |      +------E
  |      |             +-90.0-|
  |      |                    +------F
  |      |
  |      +---------------------------C
  |
  +----------------------------------B
Данное дерево является бескорневым, представленным в виде филограммы.
Сравним полученное консенсусное дерево с исходным.
Рисунок дерева в бескорневом виде Описание ветвей дерева как разбиения множества листьев
Исходное дерево 
ABCDEF
-**---
-***--
*----*
Консенсусное дерево (bootstrap) 
ABCDEF
-**---
***---
----**
Консенсусное дерево (jackknife) 
ABCDEF
-**---
***---
----**
Как видно из таблицы, различий между результатами работы двух алгоритмов нет (исходя только из сравнения топологии).

Проанализируем достоверность рекострукции по аналогии с упражнением про бутстреп-анализ.

Консенсусное дерево (bootstrap) "Реальное" дерево Консенсусное дерево (jackknife) 
Set(BCDFEA)  How many times out of 100.00

   ..****                97.00
   ..***.                62.00
   ...**.                47.00
 
Set(BCDFEA)  How many mutations out of 100.00

   ..****                90.00
   ..***.                 0.00
   ...**.                 0.00
 
Set(BCDFEA)  How many times out of 100.00

   ..****                100.00
   ..***.                 95.00
   ...**.                 90.00
 
Sets NOT included in consensus tree:

Set(BCDFEA)  How many times out of 100.00

   ..**..                30.00
   ...***                26.00
   ...*.*                17.00
   ....**                 6.00
   ..**.*                 6.00
   ..*..*                 5.00
   .****.                 3.00
   ..*.*.                 1.00
 

   
Set(BCDFEA)  How many mutations out of 100.00

   ..**..                 0.00
   ...***                 5.00
   ...*.*                 5.00
   ....**                 0.00
   ..**.*                 0.00
   ..*..*                 0.00
   .****.                 0.00
   ..*.*.                 0.00
 
Sets NOT included in consensus tree:

Set(BCEFDA)  How many times out of 100.00
   

   ...***                 5.00
   ..**..                 5.00
   ...*.*                 5.00

Как видно из полученной таблицы, несмотря на сходство топологии полоченных деревьев, программы всё-таки дали различные результаты. По сравнению с бутстреп анализом, единственная совпавшая с "реальной" ветвь при использовании jackknife-анализа имеет большее бутстреп-значение, а, значит, большую статистическую достоверность. Кроме того, уменьшилось и количество рассматриваемых веток за счёт скорости алгоритма (не рассматриваются ВСЕ варианты, как в бутстреп-анализе), при этом ветки, "реально" встречающиеся всё же остались, хоть и с маленькими значениями и не внесены в консенсусное дерево, всё же рассматривались программой. Более того, jackknife приводит те же 2 "не правильные" ветви, что и бутстреп, но их "достоверность" возросла, что не очень хорошо в конкретном случае, ведь дерево неверно. Видимо, как и бутстреп, jackknife следует применять в случае бОльших  эволюционных расстояний, причём при очень большом числе мутаций лучше применять jackknife из-за его большей скорости.

  1. Укоренение дерева в среднюю точку.
На вход программе fretree подаётся дерево, реконструированное методом Neighbor-joining.
Отчёт о работе с программой fretree в текстовом формате.
Полученный в результате файл offsprings_out.treefile содержит скобочную формулу укоренённого дерева:
  ,-----------------------------------------------------------------------6:A
  !
-11                                          ,-----1:B
  !                 ,------------------------8
  !                 !                        `---2:C
  `-----------------7
                    !       ,---------------------------------------3:D
                    `-------9
                            !  ,--------------------------------------------4:E
                            `-10
                               `--------------------------------------------5:F
Данное дерево укоренено в среднюю точку, неультраметрическое, представлено в виде филограммы.
  1. Изображение филогенетического дерева в графическом формате
     
Создаётся изображение переукорененного дерева из предыдущего упражнения как филограммы (phenogram), ориентированной вправо при помощи программы fdrawgram. 
fdrawgram -style p offsprings_out.treefile
Была выбранна именно опция -style, потому что именно она имеет атрибут "phenogram" - "p":
-style              menu       [c] Tree style output (Values: c (cladogram
                                  (v-shaped)); p (phenogram (branches are
                                  square)); v (curvogram (branches are 1/4 out
                                  of an ellipse)); e (eurogram (branches
                                  angle outward, then up)); s (swooporam
                                  (branches curve outward then reverse)); o
                                  (circular tree))
Получился файл offsprings_out_2.fdrawgram, содержащий изображение дерева:
Полученное дерево - укоренённое, неультраметрическое, изображённое в виде филограммы, ориентированной вправо.
Интересно то, что в месте пересечения веточек, несущих листья D,E и F, практически возникла трихотомия!
Отчёт в текстовом формате.


Главная  Первый семестр  Второй семестр  Третий семестр