Filogenetine analize

1

Filogenetin analiz

2

Filogenetin analiz

Klausimai:

Kas tai yra?

Kokie duomenys yra naudojami?

Kokie daniausiai naudojami metodai?

Kaip vertinti patikimum?

2

3

Kas tai yra?

Filogenez bendru protviu grindiamas organizm evoliucinis sryis

Filogenetika tyrinjim sritis, kurios tikslas aptikti ri evoliucinius sryius

(Graikikai: phylon = ris and genetic = gimimas)

4

Susijusios sritys

Filogenetika tiria evoliucinius sryius tarp populiacij

Filogenomika filogenetini metod taikymas pilnai sekvenuot genom analizei

Filogeografija tiria populiacijos evoliucijos proces (reikalingi isams populiaciniai duomenys)

Delsuc F, Brinkmann H, Philippe H.

Phylogenomics and the reconstruction of the tree of life. Nat Rev Genet. 2005 6(5):361-75.

Brito, P.H., Edwards, S.V.,

Multilocus phylogeography and phylogenetics using sequence-based markers. Genetica. 2008.

3

5

Filogenetika kas tai?

Evoliucin biologija

Graf teorija

Kompiuteriniai algoritmai

Filogenetika

6

Filogenetika, kur tai taikoma?

Galima iskirti dvi filogenetikos ris:

Klasikin lygina fizines ir morfologines savybes

Molekulin naudoja informacij gaut tiriant DNR ir baltymus

Molekulin filogenetika taikoma:

Iekant panaumo tarp tiriam genetini sek

Iekant bendros struktros

Iekant bendros funkcijos

Iekant susijusi genetini sek ar poseki

Iekant bendro protvio

Iekant informatyvi sek element

Tiriant iraiking genetini sek pasikartojim danius

Tiriant evoliucijos konservatyvum

4

7

Filogenetinis medis

Orangutan Gorilla Chimpanzee Human

From the Tree of the Life Website,

University of Arizona

Did the Florida Dentist infect his patients with HIV?

DENTIST

DENTIST

Patient D

Patient F

Patient C

Patient A

Patient G

Patient B

Patient E

Patient A

Local control 2

Local control 3

Local control 9

Local control 35

Local control 3

Yes: The HIV sequences from

these patients fall within

the clade of HIV sequences

found in the dentist.

No

No

From Ou et al. (1992) and Page & Holmes (1998)

Phylogenetic tree

of HIV sequences

from the DENTIST,

his Patients, & Local

HIV-infected People:

5

9

Datos nustatymas (angl. dating)

akn turintis filogenetinis medis yra tiktinas genetini pokyi chronologijos variantas

Vienoje pokyiai vienoje evoliucijos akoj (angl. clade) vaizduojami ariau medio lap yra vyk vliau nei esantys ariau aknies

10

Filogenetiniai mediai

Mediai esybi ryiams vaizduoti

Intuityvus, patrauklus vaizdavimas

Naudojamas daugelyje disciplin

6

11

Filogenetiniai mediai svokos

12


7

13


14

Filogenetiniai mediai galimi variantai

n = duomen skaiius

Medi skaiius turini aknis for n = 3.

akn turini medi NR = (2n-3)!/2n-2(n-2)!

aknies neturini medi NU = (2n-5)!/2n-3(n-3)!

1 1 3

2 3 2

3 -> ((1, 2), 3) 2 -> ((1, 3), 2) 1 -> ((3, 2), 1)

Newicko formatas

n NR NU

2 1 1

3 3 1

5 105 15

10 34x106 2x106

15 213x1012 7x1012

20 8x1021 0.2x1021

8

15

Filogenetins analizs ingsniai

Galima iskirti iuos filogenetins analizs ingsnius:

Duomen sek filogenetinei analizei parinkimas

Duomen sek sulygiavimas (angl. multiple sequence alignment)

Medio konstravimas

Medio vertinimas

Jonathan Pevsner Bioinformatics and Functional Genomics 2003

16

Duomen sek filogenetinei analizei

parinkimas

Filogenetinei analizei parenkamos homologins sekos:

Nukleotidins sekos

Baltym sekos

Baltym sek analiz informatyvesn tiriant labiau nutolusius objektus

Nukleotid sek analiz informatyvesn tiriant labiau susijusius objektus

9

17

Duomen sek filogenetinei analizei

parinkimas

Baltym sekose:

Yra 20 galim bsen (aminorgi)

Nukleotidini sekose:

Sinonimins ir nesinonimins pakaitos

Nekoduojanios sritys

Pseudogenai

Galima vertinti vairi pakait danius (pvz.: tranzicijos vs transversijos)

18

Duomen sek sulygiavimas

Prie atliekant palyginamj analiz sekos turi bti sulygiuojamos

Maksimizuojant sutampanias lygiuojamas bazes (panaumo metodas)

Minimizuojant nesutampanias lygiuojamas bazes (atstumo metodas)

Tarpai atsirandantys dl ikrit ar intarp, kur sekos nesutampa minimizuojami

10

19

Duomen sek sulygiavimas,

panaumo matai Paprasiausi panaumo matai:

Hemingo (angl. Hamming) atstumas skaiius pozicij, kuriose sekos skiriasi (tinka tik vienodo ilgio sekoms)

Leventeino (angl. Levenshtein) arba redagavimo (angl. edit) atstumas skaiius redagavimo operacij vienoje sekoje, kad sekos tapt lygiom (tinka ir skirtingo ilgio sekoms)

Pvz.:

20


panaumo matai Sek palyginimas

11

21


panaumo matai

Sudtingesni modeliai leidia atsivelgti daugiau vairi kriterij, pavyzdiui, kad kintant nukleotid sekoms tranzicijos yra danesns negu transversijos:

Amino rgi sekoms pakait matricos gali bti sudaromas vertinant pakait danius (Pvz.: Dayhoff, BLOSUM matricos)

Arthur M. Lesk Introduction to Bioinformatics 2 ed. 2005.

22

Sulygiavimo su ClustaW pavyzdys

12

23

Filogenetinio medio formavimas

24

Genetiniai atstumai

Genetinis atstumas tai statistika leidianti vertinti, kaip populiacijos ar atskiros molekuls yra susij tarpusavyje.

Taip pat tai atstumas genolapyje

apibriamas rekombinacij daniu ir matuojamas santimorganomis (cM)

13

25

Genetiniai atstumai

Kuo didesnis evoliucinis atstumas tarp populiacij

ar molekuli, tuo didesn genetinio atstumo

statistikos reikm

Genetinio atstumo statistikos veriai leidia

pasakyti ne tik, kad C ir D yra kil i ankstesnio

protvio nei A ir B, bet kad j protvis yra,

pavyzdiui, dvigubai senesnis

Pagal genetinius atstumus galima sudarinti

filogenetinius medius

26

Genetiniai atstumai tarp sulygiuot sek

Hemingo atstumas

Juke-Cantor atstumas

Kimura atstumas

skaiius srii kuriose tiriamos sekos skiriasi

tiriam nukleotid ar amino rgi sek ilgis

)3

41ln(

4

3HJC DD

N

nDH

)21

1ln(

4

1)

21

1ln(

2

180

QQPDK

N

nQ

josTransverti

N

nP

sTranzicijo

14

27

Genetiniai atstumai tarp sulygiuot sek

1. AGGCC ATGAA TTAAG AATAA

2. AGCCC ATGTA TAAAG AGTAA

2,020

4HD

23,0)10

2

3

41ln(

4

3JCD

23,0)

20

321

1ln(

4

1)

20

3

20

121

1ln(

2

180

KD

28

Genetiniai atstumai tarp populiacij

Paprasiausias genetinio atstumo matas tarp dviej populiacij X ir Y, yra suma pasirinktos genetins srities (angl. locus) aleli dani skirtum

io mato trkumas, kad daniams esant arti 0% arba 100% yra suteikiamas

nepakankamas svoris.

2)(

i

ii yxdxi, yi i-tojo alelio danis

atitinkamai populiacijoje X ir Y

15

29

Genetiniai atstumai tarp populiacij

)1( pp

VF

p

ST

Danai naudojami klasikiniai genetinio atstumo matai yra FST ir D

)ln(22

i

ii

i

ii

yx

yx

D

Vp gen dani populiacijose dispersija

p gen dani populiacijose vidurkis

xi, yi i-tojo alelio danis atitinkamai

populiacijoje X ir Y

30

Populiacijos ir molekulinius genetinius

atstumus skaiiuojanti programin ranga

* Mark Jobling, Matthew Hurles, Chris Tyler-Smith

Human Evolutionary Genetics: Origins, Peoples and Disease 2003

16

31

Filogenetiniai mediai metodai

Filogenetiniai metodai yra klasifikuojami

Pagal tiriam duomen tip

Medio konstravimo bd

Tiriami duomenys yra dviej klasi

Atstum

Element (angl. characters)

Skiriamos dvi medi konstravimo metod klass

Blokini sudarymo (angl. clustering) metodai

Paiekos metodai

32

Filogenetiniai metodai UPGMA

Paingsninis blokini sudarymo metodas

Privalumas

Patogus pateikimas iuo metu egzistuojani takson

Trkumas

Yra vadovaujamasi prielaida, kad evoliucijos

procesas visus taksonus veikia vienodai

Nepasvert por-grupi metodas su aritmetiniu vidurkiu (UPGMA)

Algoritmo pavyzd galima rasti: http://www.icp.be/~opperd/private/upgma.html

17

33

Filogenetiniai metodai UPGMA Jonathan Pevsner

Bioinformatics and Functional Genomics

2003

34


1. Pasirenkama maiausia Dij reikm

2. Maiausi atstum turinios reikms sujungiamos ir atstumai iki bendro

protvio priskiriami lygs Dij/2

Dij Lokys Meknas ebenktis Ruonis

Lokys - 0.26 0.34 0.29

Meknas - 0.42 0.44

ebenktis - 0.44

Ruonis -

Lokys Meknas

0.13 0.13

18

35


3. Suskaiiuoti nauj bendro tako atstum iki kit ri. Imant aritmetin vidurki vis bendr tak sudarani element atstum iki kit ri.

Lokys Meknas

0.13 0.13

365.02

44.029.0

2

38.02

42.034.0

2

)(

)(

RMRLLMR

ML

LM

DDD

DDD

Dij Lokys Meknas ebenktis Ruonis

Lokys - 0.26 0.34 0.29

Meknas - 0.42 0.44

ebenktis - 0.44

Ruonis -

36


Pradedame algoritm i pradi ir tsiame kol visi elementai bus sujungti:

Pasirenkama maiausia Dij reikm

Maiausi atstum turinios reikms sujungiamos ir atstumai iki bendro

protvio priskiriami lygs Dij/2

Dij

Lokys /

Meknas ebenktis Ruonis

Lokys /

Meknas - 0.38 0.365

ebenktis - 0.44

Ruonis -

Lokys Meknas Ruonis 0.13

0.1825 0.1825

19

37

Filogenetiniai metodai UPGMA Dij Lokys /

Meknas ebenktis Ruonis

Lokys /

Meknas - 0.38 0.365

ebenktis - 0.44

Ruonis -


0.1825 0.1825

205.02

44.038.0

2)(

RLMLMR

DDD

Dij LMR ebenktis

LMR - 0.41

ebenktis -


0.1825

0.205

0.205

ebenktis

38

20

39

40

21

41

Udavinys

Duotos 5 skirtingos sekos:

1: G G G A G G A T C A

2: G G G A G T A T C A

3: G G A T A G A C A T

4: G A T C A T G T A T

5: G T T C A T A T C T

Sudarykite atstum matric ir nubraiykite UPGMA filogenetin med.

42


2 3

4 1 1 4 3 2

Tikras medis UPGMA

Atgal prie trkum:

Metodas traktuoja, kad molekulinis laikrodis eina pastoviai (mutacijos gyjamos vienodu tempu)

iuo metodu sudaromi tik akn turintys mediai

22

43

Filogenetiniai metodai

Kaimyn-Jungimo (angl. Neighbor-Joining)

Blokini sudarymo metodas siekiantis rasti minimali ak ilgi sumos (S) reikm

Labai greitas paingsninis metodas

Pradedamas nuo vaigdinio medio

Visos galimos takson poros peririmos

Pora davusi maiausi S reikm sujungiama

Atstumas iki sujungto elemento yra vidurkis

atstum iki sudtinio elemento nari

44

Filogenetiniai metodai

Kaimyn-Jungimo (angl. Neighbor-Joining)

Pavyzdys

23

45

Kaimyn-Jungimo metodas: pavyzdys

Tarkime tiriamos rys vystsi, kaip pavaizduota evoliuciniame medyje ir atitinkama atstum matrica yra:

I atstum matricos matome, kad UPGMA metodas nra tinkamas, nes evoliucija skirtingose evoliucijos medio akose vyko skirtingais tempais, todl Kaimyn-Jungimo metodas turt duoti tikslesn rezultat

A B C D E

B 5

C 4 7

D 7 10 7

E 6 9 6 5

F 8 11 8 9 8

46


Algoritmas:

1. Suskaiiuojami kiekvienos ries nuotolis nuo kit

dij A B C D E

B 5

C 4 7

D 7 10 7

E 6 9 6 5

F 8 11 8 9 8

j

iji drdij i-tosios ries

nuotolis nuo j-tosios

rA = 5+4+7+6+8=30

rB = 42

rC = 32

rD = 38

rE = 34

rF = 44

2. Suskaiiuojame nauj atstum matric pagal formul

2

N

rrdM

ji

ijij

Mij naujos atstum

matricos elementas

N ri (angl. taxa)

skaiius

24

47


1326

42305

2

N

rrdM BAABAB

dij A B C D E

B 5

C 4 7

D 7 10 7

E 6 9 6 5

F 8 11 8 9 8

2. Suskaiiuojame nauj atstum matric pagal formul

2

N

rrdM

ji

ijij

rA = 30

rB = 42

rC = 32

rD = 38

rE = 34

rF = 44

Pavyzdiui

Mij A B C D E

B -13

C -11,5 -11,5

D -10 -10 -10,5

E -10 -10 -10,5 -13

F -10,5 -10,5 -11 -11,5 -11,5

48


3. Suporuojame tuos du elementus, kuri tarpusavio atstumas maiausias (ms atveju A ir B arba D ir E) pasirinkime A ir B.

F A B

E C

D

Mij A B C D E

B -13

C -11,5 -11,5

D -10 -10 -10,5

E -10 -10 -10,5 -13

F -10,5 -10,5 -11 -11,5 -11,5

Dabar pradsime nuo vaigdinio medio

25

49


3. Taip pat suskaiiuojame atstumus iki i element bendro protvio

dij A B C D E

B 5

C 4 7

D 7 10 7

E 6 9 6 5

F 8 11 8 9 8 1)2(22

N

rrdS BAABAU

rA = 30

rB = 42

rC = 32

rD = 38

rE = 34

rF = 44

4 AUABBU SdS

4. Suskaiiuojama vis element atstumus iki naujo elemento (jungianio A ir B)

32

ABBCACCUd

ddd Analogikai su likusiais elementais

dDU = 6

dEU = 5

dFU = 7

Suskaiiav naujus atstumus suraome juos nauj atstum matric

50


Naujai suskaiiuota atstum matrica

Vis tai galime pavaizduoti mediu:

dij U C D E

C 3

D 6 7

E 5 6 5

F 7 8 9 8 D C

A

1

4

E F B

N = N 1

Ir vis procedr kartojame i pradi

26

51

Kaimyn-Jungimo metodas

Privalumai

Greitas, tinkamas dideliems duomen kiekiams ir kokybs vertinimui Bootstrap metodu

Toleruoja skirtingus akos ilgius vienoje genetinje linijoje

Trkumai

Sekos informacija neinaudojama

Grainamas tik vienas galimas medis

52

Kaimyn-Jungimo metodas - pavyzdys

Filogenetinis medis buvo sudarytas naudojant

Phylip programin rang

http://evolution.gs.washington.edu/phylip.html

Neighbor Joining (Kaimyn-Jungimo) Metodu

Medis pavaizduotas TreeView programine ranga

http://taxonomy.zoology.gla.ac.uk/rod/treeview.html

27

53

Elementais grindiami filogenetiniai

metodai maksimalaus yktumo metodas

Maksimaliai yktus (angl. parsimony) medis

Maiausias evoliucini pokyi skaiius paaikinantis duomenis

ak ilgis individuali evoliucijos ingsni toje akoje skaiius

Iekant maksimaliai yktaus medio yra peririmos visos galimos medi topologijos, todl is metodas nra tinkamas esant dideliems duomen

54



Maksimalaus yktumo metodas gali naudoti informacij apie skirting mutacij danius:

Transversijos vyksta reiau nei tranzicijos

inomos daniausiai kintanios (angl. hypermutable) sritys

28

55



Maksimalaus yktumo metodas yra jautrus nevienodiems evoliucijos daniams

56

Maksimalaus yktumo metodas: pavyzdys

Tarkime, turime homologines

sekas

Galim aknies neturini medi skaiius yra 3

Taigi perrenkame juos tirdami,

kuris i j reikalauja maiausiai evoliucini ingsni

Seka Sritis

1 2 3 4 5 6 7 8 9

1 A A G A G T G C A

2 A G C C G T G C G

3 A G A T A T C C A

4 A G A G A T C C G

29

57

Maksimalaus yktumo metodas: pavyzdys

Labiausiai yktus medis

58

Maksimalaus yktumo metodas

Privalumai:

Nesumaina sekos informacijos iki vieno skaiiaus

Bandoma apibrti ir protvi sekas

vertinami skirtingi mediai

Trkumai:

Palyginus su atstum matricom grindiamais metodais yra ltas

Nenaudoja visos sek informacijos, tik informatyvias sritis

Neatsivelgiama grtamsias mutacijas

Nepateikia informacijos apie medio ak ilgius

30

59



Maksimaliai ykt med galima sivaizduoti, kaip hipotez siekiani paaikinti duomenis

Alternatyvs mediai = alternatyvius hipotezs

Hipotezs tikrinamos naudojant tiktinumus

Fiksuojamas evoliucijos modelis

Vertiname tikimybes, kad tikrinamas modelis

sugeneruos tiriamus duomenis

60

Programin ranga filogenetinei analizei

Joe Felsenstein, University of Washington

http://evolution.genetics.washington.edu/phylip/software.html

31

61

Filogenezs patikimumo vertinimas

Patikimumas dar gali bti vertintas naudojant Bootstrap metod

Idja jei duomenys stipriai atitinka med, tai atsitiktinai pasirinktas j poaibis turi irgi atitikti tiriam med

Naujo medio sudarymui duomenys atsitiktinai paimami i turim

duomen tai kartojama daug kart

Turimas duomen rinkinys

Naujas duomen rinkinys

Gavus naujus

duomenis yra vl sudaromas

filogenetinis medis ir

po daugelio

simuliacij irima kiek kart, kuri medio aka pasikartojo

62

Bootstrap metodo taikymo pavyzdys

Tarkime tiriamos sekos

Suskaiiuojame atstum matric ir nubraiome filogenetin med

32

63


Patikrinsime savo medio tiktinum Bootstrap metodu

Atsitiktinai sugeneruosime tris duomen rinkinius

Jiems sudarysime filogenetinius medius

vertinsime kiek kart atliekant simuliacijas pasirod virni deriniai

64


Pradins sekos

Sugeneruotos sekos

33

65


Pradins sekos

Sugeneruotos sekos

Rezultatas

66

Viso genomo analiz

Delsuc F, Brinkmann H, Philippe H. Phylogenomics and the reconstruction of the tree of life. Nat Rev Genet. 2005

Documents

Filogenetine analize