4/22/2009 Fylogenetická evoluční analýza Pro zajímavost, nebude součástí zkoušky... Důležité, pravděpodobně bude u zkoušky... Fylogeneze = vývoj druhu (vývoj nových druhů) procesem evoluce. Fylogenetika = věda zkoumající fylogenezi, příbuzenské vztahy a vývoj organismů. Evoluce bioinformatika Fylogeneze rlodfrajfvdn Fylogeneze nezahrnuje pouze podobnosti a rozdíly mezi organismy (taxonomie)... my 1K ...ale také jejich evoluční vztahy. Fylogenetická data Fylogenetická data jsou získávána zkoumáním charakteristických znaků studovaných organismů. Prvotně používány MORFOLOGICKÉ znaky. Problém - fosilní pozůstatky většinou NEKVALITNÍ, neposkytují žádané informace nebo se VŮBEC nedochovají. */ Molekulární fylogenetická data Jediný experiment může poskytnout informace o mnoha znacích. Každá nukleotidová pozice v sekvenci může být považována za jeden ZNAK, který se vyskytuje ve ČTYŘECH rozdílných STAVECH. Jednotlivé stavy jsou jednoznačné a nezaměnitelné (A x C x G x T). Na rozdíl od morfologických znaků (tvar), u nichž existuje mnoho přechodových forem. Molekulární data se dají snadno převést do „Číselné" formy. Vhodné pro matematické a statistické analýzy. Proteinové sekvence x DNA sekvence Pro fylogenetickou analýzu využívány PŘEVÁŽNĚ DNA sekvence. DNA poskytuje mnohem více fylogenetických informací než protein. -í~,lv- Air. - lb -Lnu-Asp -Ar.- ,I,l.t,f.t,t, -GGAGCCATATTAGATAGA--GGAGľÄATŤTTŤGATAGA- Ti'iTiT - G Ijf - Ali - I le ■ Phe ■ Asp - Arg - Tiché mutace Variabilita uspořádání genomu (kódující x nekódují oblasti) PCR, automatické sekvencování 1 4/22/2009 Fylogenetický strom Cíl fylogenetické analýzy - fylogenetický strom popisující evoluční vztahy mezi studovanými organismy. Současné taxony (geny) = terminálni (externí) uzly, vrcholy Interní uzly = rozdělení společného „předka" Délky větví = úměrné velikosti změny v průběhu evoluce Periferní větve Větve -*■ Branch* nt Vnitřni větve Interní uzly Terminálni (externí) uzly ~^< Erttmal *o4tt Fylogenetický strom (strom) Fylogenetický strom ^^ in «ti« ^^ > V -ť Fylogenetický strom BEZ KORENE (unrooted). Není známý nejstarší společný předek (bod). Vypovídá pouze o příbuzenských vztazích mezi geny, ne o „cestě" kterou se evoluce ubírala Fylogenetický strom S KOŘENEM (rooted). Nutný alespoň jeden gen, který je méně příbuzný s A,B,C,D, než jsou tyto geny mezi sebou navzájem = „outgroup" v, y V« v" v> r Fylogenetický strom V-ť y Fylogenetický strom S KOŘENEM (rooted). Nutný alespoň jeden gen, který je méně příbuzný s A,B,C,D, než jsou tyto geny mezi sebou navzájem = „outgroup" v, X ľ „Genový" strom x „druhový strom" ■ Genový strom - odvozen ze srovnání ortologních genů. Předpokládá se, že bude přesnější než strom získaný pomocí morfologických dat. ■ Genový strom ^ druhový strom. Genový strom -vnitřní uzly představují rozdělení původního GENU (mutace). Druhový strom -vnitřní uzly představují rozdělení populace původního DRUHU do dvou skupin (geografická izolace). „Genový" strom x „druhový strom' Mutace a vznik nového druhu se s největší pravděpodobností neodehrají současně. Mutace předchází separaci — v populaci se nacházejí obě alely genu. Po rozdělení populací může dojít ke ztrátě jedné alely. „Genový" strom x „druhový strom' Tvorba evolučních stromů „Alignment" sekvencí - nezbytný pro vytvoření stromu. Vyhodnocení rozdílů mezi jednotlivými nukletidovými sekvencemi, většinou „multiple alignment". R-.iK fí*-íÄ"fľnfSKaRfiM:---------------------------rnÄmrs*«rrfifírfSfiffi a-ni BilE «CKÄSCSCSäfiCäaSCK-------------------------lasscissacrasciissc 304 Biic sa-is^imiaiaaaic---------------------ijiiiicsaarjsiiäea 75t Hill -CSoi£3ÄSS3ľíií:aSSSC3EJií££SuíaSľ£I^ISISClíaaľa*^j£]" SSI Dill! äCi5äSS£IiWäCCi£Ii^5£lJiI£SI3£:äiCiri5IIÄirZlSÄ5:S5I=3S3I äfli □sie -cisiaiÄ7??:::?ľ t? 7?;oTii£Ä£3firag?ii£;T::7::7?.^.7::2:.22s:j& 01? Jak převést „multiple alignment" na strom? Neexistuje „nejlepší metoda". Několik metod je používáno souběžně, žádnou nelze označit za lepší než ostatní. Distanční matrice. Slouží k určení délky větví. MJiffeAl^nK.« í AOGCCftÄCftCftTAfiCTGTtľí; 4 MÄtfiAAÍftCATAftTtltt; DtAAEf ítttfri» Jak převést „multiple alignment" na strom? • Neighbor-joining method-„spojování sousedních objektů" (Saitou a Nei 1987). Využívá distanční matrici. F li Jak převést „multiple alignment" na strom? Neighbor-joining method -„spojování sousedních objektů" (Saitou a Nei 1987). Využívá distanční matrici. + Jednoduché = rychlé + Vhodné pro velké soubory dat + Vhodné pro prvotní analýzu Informace z alignmentu velmi zredukována Poskytuje pouze jeden výsledný strom Jak převést „multiple alignment" na strom? Metody maximální úspornosti - maximum parsimony method. Předpokládá (správně???), že evoluce jde nejkratší možnou cestou, tj. správný fylogenetický strom je ten, který požaduje minimum nukleotidových změn, aby bylo dosaženo daného rozdílů mezi sekvencemi. Preciznější Větší nároky na manipulaci s daty Čím vice sekvencí, tím více topologií stromů je nutné vyzkoušet 5 sekvencí = 15 stromů, 10 sekvencí = 2 027 025 stromů Jak převést „multiple alignment" na strom? Parsimonie: Fítcnova parsimonie Wagnerova parsimonie (reverzibilita změn) Dollova parsimonie („novinka" může zaniknout) Caminova-Sokalova parsimonie (změny ireverzibilní) Vážená parsimonie Generalizovaná parsimonie Metoda maximální pravděpodobnosti Metoda minimální evoluce 4/22/2009 Výsledky fylogenetické analýzy Topologie Stromu — evoluční vztahy mezi srovnávanými (DNA) sekvencemi. Kdy došlo k divergenci sekvencí? Kdy vznikly „dnešní" sekvence, tj. moderní organismy? Nutné využít MOLEKULÁRNÍ HODINY. Předpoklad: k nukleotidovým substitucím dochází s KONSTANTNÍ četností. Molekulární hodiny Rozdíl mezi sekvencemi odpovídá době, která uplynula od jejich rozdělení (divergence). Ke kolika substitucím dojde za milion let? Nutná kalibrace!!! í>J^p»m Number c^iiibsMutions * Number peľ lineeje - — Number per Uncage per millHjriy,ar5 ,_i_ Molekulární hodiny Rozdílné u různých organismů. Rozdílné i v rámci jednoho organismu! Software pro fylogenetickou analýzu • Clustal + NJPIot (Neighbor-joining method) • PAUP - Phylogenetic Analysis Using Parsimony ľ~ ^ P*d http://paup.csit.fsu.edu/index.html Software pro fylogenetickou analýzu .w -n-nt oo ti str.' dffiTítc k>wfa of ccapatr r-nu u jtttMt The c-xj *■ ■.-■■■* u asrbjrt lin í "i nd ricoAbbi ■ • PHYLIP - PHYLogeny /nference Package Mrihodí dixare x-mtiblt uiitif pacfcjpJiriVludrf pjrstnoEi1,. cks-ianct num.v uidIfceBvMdJKihodi ^ http://evolution.genetics.washington.edu/phylip.html Software pro fylogenetickou analýzu Phylogenetic Analysis by Maximum Likelihood (PAML) [o l rodíte lion U_fci ififp |i> hm i |ii I H tHjů.1ím "i ~ in üj:: li i:i : 1^ -J *' i"i|iiuiMihiii h"'"'"*'"*;-1" icp. <,kk.pky. pít. mi., huml.t MacClade http://abacus.gene.ucl.ac.uk/software/paml.html http://macclade.org/index.html 4/22/2009 Shrnutí Fylogenetika = věda zkoumající fylogenezi, příbuzenské vztahy a vývoj organismů. Morfologická data/molekulární data (sekvence). Fylogenetické stromy: topologie (příbuznost + evoluce) a molekulové hodiny. Tvorba stromů: alignment + parsimonie, Neighbor-joining method, ... Clustal+NJPIot, PAUP, PHYLIP, PAML 5