4 22 2009 Fylogeneze = vývoj druhu (vývoj nových druhů) procesem evoluce. Fylogenetika = věda zkoumající fylogenezi, příbuzenské vztahy a vývoj organismů. Evoluce bioinformatika Fylogeneze Fylogeneze ^^y^, nezahrnuje pouze podobnosti a rozdíly mezi organismy (taxonomie)... Y .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. 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) = terminální (externí) uzly, vrcholy Interní uzly = rozdělení společného „předka" Délky větví = uměrné velikosti změny v průběhu evoluce Periferní větve Větve Vnitřní větve \lriWrrtil * Interní uzly Terminálni (externí) uzly Entmsl ftodtfr Fylogenetický strom (strom) „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). 2 4/22/2009 Tvorba evolučních stromů „Alignment" sekvencí - nezbytný pro vytvoření stromu. Vyhodnocení rozdílů mezi jednotlivými nukletidovými sekvencemi, většinou „multiple alignment". R-.iř fřs-^frnfSKSBfiM:---------------------rnÄmrs*«rrfifírfSfiffi gtíi Blit tACEKCSCKSffiHSCK-------------------jaSSaSSS^SSSJiSSC 3M Biic aía-iaľjjjľititstjí---------------------Tjijrjcsaaľjsjjässj 75t -^ii.4.ÍÍÄJäa:«^ÄJia^y£^JiL-£Ä^iÄi;ii^:.^ liti-. í^l^Js VÄ äCi5aSS£TiWäCCSJS^3£lJiI££I3S:S5:£riiJIÄJrC13ÄS:S5I=3SJI 30i -;t2*a?atj?:::;? t? -j :t^:?í.::?.::j^:::t::t::_.j.^::j;::;j2 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. 4/20 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 Wagnerova parsimonie (reverzibilita změn) Dollova parsimonie („novinka" může zaniknout) Caminova-Sokalova parsimonie (změny ireverzibilní) Vážená parsimonie Generalizovaná parsimonie Metoda maximální pravděpodobnosti Metoda minimální evoluce + 3 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!!! Number of tuhttutlani = x Number per lineage * Number pc r li noajc pc r Molekulární hodiny Rozdílné u různých organismů. Rozdílné i v rámci jednoho organismu! Software pro fylogenetickou analýzu • Clustal + NJPlot (Neighbor-joining method) • PAUP - Phylogenetic Analysis Using Parsimony http://paup.csit.fsu.edu/index. htm l Software pro fylogenetickou analýzu IPhylogenetic Analysis by Maximum Likelihood (PAML) I tYLD1. MOLPHY. Ptn ML. RiiML. http://abacus.gene.ucl.ac.uk/software/paml.html http://macclade.org/index.html MacClade 4 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+NJPlot, PAUP, PHYLIP, PAML 5