IV семестр «Функция и эволюция» БЛОК 1 «Эволюция» – 4 занятия Молекулярная филогенетика. Задачи и подходы

IV семестр «Функция и эволюция» БЛОК 1 «Эволюция» – 4 занятия

• Молекулярная филогенетика. Задачи и подходы. Лекция-семинар, 13.02. (АБР)

• Реконструкция филогенетических деревьев. 2 практических занятия, 20.02 и 27.02 (САС, АБР)

• «Алгоритмы реконструкции филогенетических деревьев». Лекция, семинар, обсуждение полученных результатов, 6.03 (САС).

Срок сдачи основного отчета – 5.03 БЛОК 2 «Функции генов и их

продуктов» – 4 занятия БЛОК 3 «Эволюция белкового

семейства» – 5 занятий

Biologists must constantly keep in mind that what they see was not designed, but rather evolved. It might be thought, therefore, that evolutionary arguments would play a large part in guiding biological research, but this is far from the case. Francis Crick What Mad Pursuit (1988) pp.138-139

Вы это уже делали! Прокомментируйте…

Весна, 2007, А.Б.Рахманинова

MYG_HETPO/ : MYG_GALGA/ : MYG_ALLMI/ : MYG_CYPCA/ : HBA_HETPO/ : HBA1_TORMA : HBA_SQUAC/ : HBA_LEPPA/ : HBA1_BOSMU : HBAT_HORSE : HBA1_IGUIG : HBAZ_CAPHI : HBA3_PLEWA : HBAD_PASMO : HBAD_LIOMI : HBA1_XENBO : HBA1_PLEWA : HBA_CATCL/ : HBB1_XENBO : HBB_RANCA/ : HBB2_XENLA : HBB0_MOUSE : HBBN_AMMLE : HBB_ALLMI/ : HBB1_CYGMA : HBB_LEPPA/ : HBB_SQUAC/ : HBB_HETPO/ : HBAM_RANCA :

* 20 * 40 * 60 * 80 EWEHVNKVWAVVEPDIPAVGLAILLRLFKEHKETKDLFPKF-KE-IPVQQLGNNEDLRKHGVTVLRALGNILKQ------KGKHSTNVKDWDKVNSVWSAMEANITAVGQNILLRLFEQYPESQSYFPKL-KN-KSLGELKDTADIKAQADTVLKALGNIVKK------KGNHSQPVKEWKHVLDIWTKVESKLPEHGHEVIIRLLQEHPETQERFEKF-KHMKTADEMKSSEKMKQHGNTVFTALGNILKQ------KGNHAEVLKDAELVLKCWGGVEADFEGTGGEVLTRLFKQHPETQKLFPKF-VG-IASNELAGNAAVKAHGATVLKKLGELLKA------RGDHAAILKDRAELAALSKVLAQNAEAFGAEALARMFTVYAATKSYFKDY-KDFT-----AAAPSIKAHGAKVVTALAKACDHL-----D-DLKTHLHNKKAIKNLLQKIHSQTEVLGAEALARLFECHPQTKSYFPKF-SGFS-----ANDKRVKHHGALVLKALVDTNKHL-----D-DLPHHLNDKTAIKHLTGSLRTNAEAWGAESLARMFATTPSTKTYFSKF-TDFS-----ANGKRVKAHGGKVLNAVADATDHL-----D-NVAGHLDDEVLIKEAWGLL-HQIPNAGGEALARMFSCYPGTKSYFPHFGHDFS-----ANNEKVKHHGKKVVDAIGQGVQHL-----H-DLSSCLHDKGNVKAAWGKVGGHAAEYGAEALERMFLSFPTTKTYFPHF--DLS-----QGSAQVKGHGAKVAAALTKAVEHL-----D-DLPGALSDRATVRALWKKMGSNVGVYATEALERMFLGFPSTTTYFLHL--DLS-----LGSTQVKAHGQKVADALTLAVEHL-----E-DLPRALSDKNHIRAIWGHVDNNPEAFGVEALTRLFLAYPATKTYFAHF--DLN-----PGSAQIKAHGKKVVDALTQAVNNL-----D-DIPDALAERTIILSLWSKISTQADVIGTETLERLFSCYPQAKTYFPHF--DLH-----SGSAQLRAHGSKVVAAVGDAVKSI-----D-NVTSALSEKALVVGLCGKISGHCDALGGEALDRLFASFGQTRTYFSHF--DLS-----PGSADVKRHGGKVLSAIGEAAKHI-----D-SMDQALSDKKLIQQIWGKLGGAEEEIGADALWRMFHSYPSTKTYFPHF--DLS-----QGSDQIRGHGKKVVAALSNAIKNL-----D-NLSQALSDRRLLQASVGKLGCRLEDIGADALNRLLITFPQSKTYFSHF--NLS-----PGSKDIIHQGEKVGKALDSALKHL-----D-DIRGTLSDKKHIKAIMPSIAAHGDKFGGEALYRMFLVNPKTKTYFPTF--DFH-----HNSKQISAHGKKVVDALNEASNHL-----D-NIAGSLSDKHNVKAIWDHVKGHEEAIGAEALYRMFCCMPTTRIYFPAK--DLS-----ERSSYLHSHGKKVVGALTNAVAHI-----D-DIDTAFSDKADVKIAWAKISPRADEIGAEALGRMLTVYPQTKTYFAHW-ADLS-----PGSGPVKHGKKVIMGAIGDAVTKF-----D-DLLGGLADRQLINSTWGKV--CAKTIGKEALGRLLWTYPWTQRYFSSF-GNLNSADAVFHNEAVAAHGEKVVTSIGEAIKHM-----D-DIKGYYAGGSDVSAFLAKV--DKRAVGGEALARLLIVYPWTQRYFSTF-GNLGSADAISHNSKVLAHGQRVLDSIEEGLKHP-----Z-BLKAYYAEKAAITSVWQKV--NVEHDGHDALGRLLIVYPWTQRYFSNF-GNLSNSAAVAGNAKVQAHGKKVLSAVGNAISHI-----D-SVKSSLQEKAAITSIWDKV--DLEKVGGETLGRLLIVYPWTQRFFDKF-GNLSSAQAIMGNPRIKAHGKKVLTSLGLAVKNM-----D-NLKETFABKALITGFWSKV--KVBZVGAZALGRLLVVYPWTZRFFZHF-GBLSSABAVMBBAKVKAHGKKVLBSFSBGLKHL-----B-BLKGAFAERKFIVDLWAKV--DVAQCGADALSRMLIVYPWKRRYFEHF-GKMCNAHDILHNSKVQEHGKKVLASFGEAVKHL-----D-NIKGHFAELTIINDIFSHL--DYDDIGPKALSRCLIVYPWTQRHFSGF-GNLYNAEAIIGNANVAAHGIKVLHGLDRGLKNM-----D-NIVDAYAEKQYIVSVFSKI--DVDHVGANTLERVLIVFPWTKRYFNSF-GDLSSPGAIKHNNKVSAHGRKVLAAIIECTRHF-----G-NIKGHLAEKALVNAVWTKT--DHQAVVAKALERLFVVYPWTKTYFVKFNGKFH-----ASDSTVQTHAGKVVSALTVAYNHI-----D-DVKPHFVELHEITTTWKSI--DKHSLGAKALARMFIVYPWTTRYFGNL-KEFT-----ACSYGVKEHAKKVTGALGVAVTHL-----G-DVKSQFTEKSAVASLWEKIAPQTNKLGAESMERLFKNHPETKSFFSRF--DIS-----PGSQDLLTHGGKIFGALGEAIKSL----------DNLQ 6 g 6 R p F 6 hg 6

: 81 : 81 : 82 : 81 : 77 : 77 : 77 : 77 : 76 : 76 : 76 : 76 : 76 : 76 : 76 : 76 : 76 : 77 : 80 : 80 : 80 : 80 : 80 : 80 : 80 : 80 : 76 : 75 : 72


Молекулярная эволюция (молекулярная филогенетика)

Молекулярная филогенетика

─ изучение филогенеза и эволюции путем анализа нуклеотидных и аминокислотных последовательностей

Основные этапы биоинформатического анализа молекулярной эволюции Выбор последовательностей и их выравнивание Построение/выбор эволюционной модели Реконструкция эволюции

реконструкция филогенетического дерева оценка силы давления и направления отбора сравнение скоростей эволюции ...

Оценка статистической значимости реконструкции

?


Что будет?

Выбор последовательностей и их выравнивание Построение/выбор эволюционной модели Реконструкция эволюции

реконструкция филогенетического дерева оценка силы давления и направления отбора сравнение скоростей эволюции ...

Оценка статистической значимости реконструкции

!


Выбор последовательностей и их выравнивание


# Length: 502 # Identity: 286/502 (57.0%) # Similarity: 286/502 (57.0%) # Gaps: 119/502 (23.7%) # Score: 678.5 #======================================= CAA32220| 1 atggttcatttcacagctgaggagaaggcagct-atcacaagcatctggg 49 |||| .|||.|||||..|.|| ..|.||||| ||||..||||.||||| AAA49655| 1 atgg---gtttgacagcacatga-tcgtcagctgatcaacagcacctggg 46 CAA32220| 50 ataaagt--------ggac--ttggaaaaagttggaggagaaactctggg 89 ..||||| .||| |.|||||| |||| |.||.|| AAA49655| 47 gcaaagtatgtgccaagactataggaaaa-----gagg-----cccttgg 86 CAA32220| 90 aaggctcctgattg--tttacccatggactcagaggttctttgacaaa-- 135 |.|.||.||| || .|||.||.|||||.||.||.|.|||| | AAA49655| 87 acgtctgctg--tggacttatccctggacccaaagatacttt-----agt 129 CAA32220| 136 ---tttggaaacctctcttctgcccaagccatcatgggtaatcccagaat 182 |||||.||||||.....|||..|.|||.|| |.|||.||| AAA49655| 130 tcttttgggaacctcaacagtgctgacgccgtc--------ttccacaat 171 CAA32220| 183 caa--------agcccatggcaagaaagtgctgacatccctgggcttggc 224 .|| .||.|||||..|.||.|||.|||||||..|.||...||| AAA49655| 172 gaagcagtggctgctcatggtgaaaaggtggtgacatctattggagaggc 221

Выравнивание ?


# Length: 444 # Identity: 248/444 (55.9%) # Similarity: 248/444 (55.9%) # Gaps: 3/444 ( 0.7%) # Score: 468.0 #======================================= CAA32220| 1 atggttcatttcacagctgaggagaaggcagctatcacaagcatctggga 50 .|...|||.|||||..|.||..........||||..||||.|||||. AAA49655| 1 ---atgggtttgacagcacatgatcgtcagctgatcaacagcacctgggg 47 CAA32220| 51 taaagtggacttggaaaaagttggaggagaaactctgggaaggctcctga 100 .|||||........|.|...|.|||..|||..|.||.|||.|.||.|||. AAA49655| 48 caaagtatgtgccaagactataggaaaagaggcccttggacgtctgctgt 97 CAA32220| 101 ttgtttacccatggactcagaggttctttgacaaatttggaaacctctct 150 ....|||.||.|||||.||.||.|.||||......|||||.||||||... AAA49655| 98 ggacttatccctggacccaaagatactttagttcttttgggaacctcaac 147 CAA32220| 151 tctgcccaagccatcatgggtaatcccagaatcaaagcccatggcaagaa 200 ..|||..|.|||.||.|....|||.....|.|....||.|||||..|.|| AAA49655| 148 agtgctgacgccgtcttccacaatgaagcagtggctgctcatggtgaaaa 197 CAA32220| 201 agtgctgacatccctgggcttggcagttaagaacatggacaacctcaagg 250 .|||.|||||||..|.||...|||..|.|||.|||||||..||.|.|||| AAA49655| 198 ggtggtgacatctattggagaggccatcaagcacatggatgacattaagg 247

Выбор последовательностей и их выравнивание


Что делать?


tranalign

PAL2NAL (

http://coot.embl.de/pal2nal/)

!

Эволюционная модель - математическая модель, описывающей изменения последовательностей во времени.

Число эволюционных событий оценивают, сравнивая 2 родственные последовательности

Наблюдаемое число различий между последовательностями меньше реального числа из-за повторных мутаций

Резюме: чтобы оценить реальное число событий нужна модель.

Нужна поправка

Однопараметрическая модельДжукса-Кантора (1969)

PA(t=0) =PA(0) =1

P A(1) =1-3

PA(2) = PA(1) (1-3) +(1- PA(1) ) ……………..

Djc = -b ln (1 - D/b)

Djc – расстояние по Джуксу-Кантору (число

событий за время t)

b – константа, для нуклеотидных последовательностей b=3/4

D – неоткорректированные расстояния (в простейшем случае, это доля несовпадающих букв)

Вероятность А в момент t

PA(t=0) =PA(0)=1

PA(1) =1-3

PA(2) = PA(1) (1-3) +(1- PA(1) )

PA(t+1) = PA(t) (1-3) + (1- PA(t))

= - 4 PA(t) +

PA(t) = 1/4 + (PA(0) -1/4) e -4t

PA(t) = 1/4 + 3/4 e-4t для PA(0)=1

PA(t) = 1/4 - 1/4 e-4t для PA(0)=0

dPA(t)

dt——

Расстояние до предковой последовательности

1. Модель предполагает, что в 1 позиции в единицу времени происходит 3

замен.2. Прошло время t, Djc – общее число

замен/позицию за время t.3. Доля совпадений/позицию между

предковой и настоящей последовательностью?

4. Доля несовпадений/позицию между предковой и настоящей последовательностью?

5. Расстояние между предковой и настоящей последовательностью в смысле ожидаемого числа замен за время t (Djc ) - ?

Однопараметрическая модель Джукса-Кантора

Двухпараметрическая модельМ.Кимура (1980)

distance = -0.5 ln[ (1-2P-Q)*sqrt(1-2Q)] P = transitions/nposQ = transversions/npos

трансверсия транзиция

Чем точнее модель, тем лучше результат?

?

по материаламSimon Whelan, Pietro Lio and Nick Goldman"Molecular phylogenetics: state-of-theartmethods for looking into the past"TRENDS in Genetics Vol.17 No.5 May 2001

Сравнение скоростей эволюции разных генов

1. Thr-Ser-Ala…

1.Thr-Ser-Ala…

2. Thr-Ser-Ala…

2.Pro-Arg-Asp…

1. ACT AGT GCC…

1. ACT AGT GCC…

2. ACA AGC GCT…

2. CCT AGA GAC…

?


KA/KS – мера давления естественного отбора Сравниваем 2 наблюдения:

ATG GGG GCT GGG ATA GGA GAT GGA

Несинонимичные замены 1 1 Синонимичные замены 1 1

KA/KS =1 KA/KS =1 ?

Ожидаемые значения: PA 5/6 4/6 Ps 1/6 2/6 KA/KS =5 KA/KS = 2

Нормируем на мутабильность последовательностей: KA/KS = 1/5 KA/KS = 1/2

KA/KS – мера давления естественного отбора KA – число несинонимичных замен на 1 несинонимичный сайт

Ks – число синонимичных замен на 1 синонимичный сайт Пример:

Ka= 1 / 8.67= 0.12Ks= 2/ 3.33= 0.6 Ka/Ks=0.12 / 0.6 =0.19 (стабилизирующий отбор?)

KA/KS, опять все не просто....

KA/KS – мера давления естественного отбора

KA – число несинонимичных замен на 1 несинонимичный сайт

Ks – число синонимичных замен на 1 синонимичный сайт

KA / Ks << 1 отрицательный (стабилизирующий) отбор

KA / Ks 1 нейтральная эволюция

KA / Ks > 1 положительный (движущий) отбор

KA/KS; какие бывают?

Из Hurst, L.D. (2002) Trends in Genet. 18, 486-487

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПАТОГЕН-ХОЗЯИН

ВОСПРОИЗВОДСТВО

ПРИСПОСОБЛЕНИЕ К ПИТАНИЮ

ВНЕШНОСТЬ

СЕНСОРНЫЕ СИСТЕМЫ

ПОВЕДЕНИЕ

ОРГАНИЗАЦИЯ МОЗГА

НЕИЗВЕСТНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

E.J. Vallender, B.T. Lahn. Hum.Mol.Gen. 2004, V.13, Rev.Issue 2, R245-R254

КАТЕГОРИИ ГЕНОВ ЧЕЛОВЕКА, ОБНАРУЖИВАЮЩИХ ПРИЗНАКИ ПОЛОЖИТЕЛЬНОГО ОТБОРА

Ждите лекций А.В.Алешина по теории эволюции и лекций М.С.Гельфанда по сравнительной геномике!!

Documents

IV семестр «Функция и эволюция» БЛОК 1 «Эволюция» – 4 занятия Молекулярная филогенетика. Задачи и подходы