Filogenetyka molekularna II. Krzysztof Spalik

Transkrypt

1 Filogenetyka molekularna II Krzysztof Spalik

2 Drzewu można zawierzyć, jeśli: metoda szacowania filogenezy jest spójna w danych jest silny sygnał filogenetyczny filogeneza genu oddaje filogenezę gatunków

3 Problemy z niespójnością Metoda parsymonii może być niespójna, zwłaszcza w wypadku nierównego tempa ewolucji w poszczególnych gałęziach drzewa rodowego (efekt przyciągania długich gałęzi Metody bazujące na modelach substytucji DNA mogą być niespójne, jeśli różne miejsca sekwencji ewoluują w różnym tempie (a nie jest to uwzględnione w modelu)

4 cpdna ndna mtdna Przydatność różnych odcinków DNA Populacja Gatunek Rodzaj Rodzina Rząd Klasa Typ (Gromada)

5 Tranzycje i transwersje Tranzycje zachodzą znacznie częściej niż transwersje Jeśli oba typy zmian zachodzą losowo w sekwencji, to zależność między liczbą tranzycji a liczbą transwersji powinna być prostoliniowa Nieliniowość świadczy o heterogeniczności ewolucji sekwencji im silniejsza, tym większe niebezpieczeństwo błędnego oszacowania filogenezy, szum filogenetyczny bowiem zaczyna przeważać nad sygnałem

6 Ewolucja 16S rrna serolidów Zarówno krzywa tranzycji, jak i krzywa transwersji ulega wysyceniu, ale w wypadku transwersji relatywnie później % obserwowanych zmian Tranzycje Transwersje Odległość GTR C. Held (2000), Mol.Phyl.Evol. 15:

7 Ewolucja 18S rrna serolidów Zarówno tranzycje, jak i transwersje układają się wzdłuż linii prostej ale odległości sekwencji są małe % obserwowanych zmian Tranzycje Transwersje Odległość HKY C. Held (2000), Mol.Phyl.Evol. 15:

8 Metody szacowania wewnętrznego wsparcia drzewa Metoda pseudo-próbkowania (bootstrap) stosowana dla metod parsymonii, odległościowych i największej wiarygodności Prawdopodobieństwo a posteriori obliczane z rozkładu stacjonarnego w analizie bayesowskiej

9 Bootstrap jak się wyciągnąć z filogenetycznego bagna Bootstrap polega na tworzeniu prób pseudo-losowych (losowanie ze zwracaniem) Wygenerowane macierze są poddawane takiej samej analizie, jak macierz oryginalna Zliczane są wystąpienia takich samych grup na drzewach; przyjmuje się, że dobrze wsparte grupy to takie, które pojawiły się w 95% drzew (przez analogię ze statystyką)

10 Kiedy filogeneza genu nie oddaje filogenezy gatunków? Drzewo genu nie oddaje filogenezy gatunków w wypadku: horyzontalnego przepływu genów (transferu horyzontalnego) rekombinacji genów paralogicznych niepełnego sortowania linii genealogicznych silnego doboru premiującego polimorfizm alleli w loci hybrydyzacji i introgresji Zjawiska te można wychwycić porównując drzewa uzyskane za pomocą różnych genów (filogenomika)

11 Filogeneza genu a filogeneza gatunków Drzewo genu jest identyczne z drzewem gatunków, jeśli allele uległy pełnemu posortowaniu między gatunki potomne

12 Koalescencja i dobór Czas koalescencji zależy nie tylko od dryfu, ale i od doboru naturalnego Nadspodziewanie długi czas koalescencji może świadczyć o hybrydyzacji i introgresji albo o doborze faworyzującym polimorfizm Przykład: allele genu DRB1 (Ayala 1995) Hs allele człowieka, Pt allele szympansa

13 Koalescencja i dobór Allele genu DRB1 człowieka nie tworzą kladu, ale są przemieszane z allelami szympansa, goryla, orangutana i makaka (Ayala 1995) Hs allele człowieka, Pt allele szympansa

14 Koalescencja i dobór Czas koalescencji alleli genu DRB1 człowieka to ok. 60 milionów lat (Ayala 1995)

15 Która grupa okrytonasiennych jest najstarsza? Dwuliścienne są parafiletyczne Najwięcej cech pierwotnych mają przedstawiciele podklasy magnoliowych PYTANIE: które z nich reprezentują najstarszą linię okrytonasiennych?

16 Analiza rbcl najstarszy jest rogatek Przeprowadzona w 1993 r. analiza filogenetyczna genu rbcl wskazała na rogatka (Ceratophyllum) jako na pierwsze odgałęzienie drzewa okrytonasiennych Inne analizy tego nie potwierdziły Ceratophyllum demersum

17 Zakorzenienie w samym sobie U okrytonasiennych występuje para genów fitochromu A i C która powstała w wyniku duplikacji genu U nagonasiennych jest tylko jeden analogiczny gen WNIOSEK: duplikacja zaszła u wspólnego przodka okrytonasiennych drzewo fitochromu A powinno być zakorzenione drzewem fitochromu C (i na odwrót); taką strategię przyjęli Mathews i Donoghue (Science, 1999)

18 phya i phyc najstarsza jest Amborella

19 Uwaga na szum filogenetyczny! Po rozszerzeniu macierzy do sześciu genów i wyeliminowaniu szumu filogenetycznego, grupa Amborella+Nympheales jest lepszą niż sama Amborella kandydatką na najstarszą linię okrytozalążkowych (Barkman i wsp. 2000) Inni autorzy jednak nie potwierdzają tych wyników

20 Podsumowanie Skuteczność oszacowania filogenezy organizmów zależy od: wyboru odpowiedniego locus lub loci (drzewo genów powinno odpowiadać drzewu gatunków) mocy sygnału filogenetycznego (tempa ewolucji sekwencji w czasie oraz zróżnicowania tego tempa w obrębie sekwencji) spójności metody rekonstrukcji filogenezy (metody mogą być niespójne w wypadku dużego szumu filogenetycznego lub niedoszacowania długości gałęzi) dobrego wyboru grupy zewnętrznej

21 Wybrane przykłady zastosowania filogenetyki molekularnej Filogeografia

22 Filogeografia Filogeografia to analiza powinowactwa obszarów geograficznych Dokonujemy jej, podstawiając zamiast nazw taksonów ich zasięgi Jeśli drzewa dla różnych taksonów są spójne, to oznacza to, iż dana topologia odzwierciedla ogólny wzorzec wikariancji (spowodowany np. wydarzeniami geologicznymi)

23 Atlantyk i Zatoka Meksykańska Wiele gatunków organizmów morskich (albo związanych z morzem) żyje zarówno w Zatoce Meksykańskiej, jak i na Wybrzeżu Atlantyckim Stanów Zjednoczonych Czy w okresie zlodowaceń Zatoka Meksykańska była izolowana?

24 Skrzypłocz (Limulus polyphemus) Analiza mtdna wskazuje na rozdzielenie populacji z Zatoki Meksykańskiej i z Atlantyku [na podstawie Avise, Molecular markers, natural history and evolution]

25 Strzępiel (Centropristis striata) Analiza mtdna wskazuje na rozdzielenie populacji z Zatoki Meksykańskiej i z Atlantyku

26 Ammodramus maritimus Analiza mtdna wskazuje na rozdzielenie populacji z Zatoki Meksykańskiej i z Atlantyku

27 Malaclemys terrapin Podobnie jak u innych gatunków, analiza mtdna wskazuje na rozdzielenie populacji z Zatoki Meksykańskiej i z Atlantyku WNIOSEK: Takie rozmieszczenie haplotypów odzwierciedla prawdopodobnie izolację w okresie plejstocenu

28 Historia lasów w Europie Podczas zlodowaceń roślinność leśna zachowała się jedynie w ostojach na południu Europy W okresie interglacjałów rośliny migrowały na północ Na terenie Polski drzewa pojawiły się ok tys. lat temu

29 Dęby w Europie DNA chloroplastowe europejskich gatunków dębów jest zróżnicowane na 3 podstawowe haplotypy, wykazujące odmienne rozprzestrzenienie geograficzne

30 Migracja dębów z ostoi Na podstawie rozmieszczenia haplotypów DNA zaproponowano hipotezę o migracji dębów z 3 głównych ostoi flory w Europie: Bałkanów, południowych Włoch i Płw. Pirenejskiego

31 Azjatycki Adam? W kilku krajach azjatyckich występuje w stosunkowo dużej częstości pewien haplotyp chromosomu Y, którego czas koalescencji oszacowano na ok lat temu (Zerjal et al. 2003)

32 Dziedzictwo mongolskie? Występowanie badanego haplotypu pokrywa się mniej więcej z zasięgiem mongolskiego imperium Czyngis-Chana

33 A może tylko Czyngis-Chana? Duża częstość występowania omawianego haplotypu wskazuje na jego silną selekcję Zerjal i wsp. (2003) uważają, że gwiazda haplotypów to męscy potomkowie CzyngisChana a selekcja była związana z pozycją społeczną

34 Geny ze skamieniałości Czy możliwy jest Park Jurajski?

35 Imponujące rekordy mln lat: chrząszcz z bursztynu 80 mln lat: kość dinozaura mln lat: owady, bakterie i rośliny z bursztynu 17 mln lat: magnolie i cypryśniki 8 mln lat: liście różnych gatunków roślin...ale wysoce wątpliwe Nie zostały potwierdzone w niezależnych badaniach w innych laboratoriach lub okazały się ewidentnymi zanieczyszczeniami współczesnego DNA albo istnieją podejrzenia oszustwa

36 Kluczowy test powtórzenie

37 Degradacja DNA w materiale kopalnym DNA kopalne może ulec: 1) hydrolizie łańcucha cukrowego, 2) depurynacji, 3) deaminacji, 4) oksydacji podwójnych wiązań puryn lub pirymidyn 5) cross-linkingowi

38 Nosorożec włochaty Podobnie jak mamut, wytępiony przedstawiciel plejstoceńskiej megafauny Anatomia sugeruje jego pokrewieństwo z nosorożcem sumatrzańskim

39 DNA wskazuje na nosorożca sumatrzańskiego Nosorożec sumatrzański to jedyny włochaty nosorożec wśród współcześnie żyjących Sekwencje 12S rdna i cytochromu b (Orlando i wsp. 2003) potwierdzają pokrewieństwo nosorożców włochatego i sumatrzańskiego

40 Acipenser sturio Dawniej powszechny wzdłuż atlantyckiego wybrzeża Europy, a także w Bałtyku. Obecnie istnieje jedna populacja, składająca ikrę w dorzeczy Garonny (Francja)

41 Z Ameryki? Badania mtdna świadczą, że bałtycki jesiotr to amerykański A. oxyrinchus, a nie A. sturio. Zastąpienie A. sturio przez jego kuzyna zaszło w średniowieczu

42 Historia moa Badania molekularne pozwoliły nie tylko na wyróżnienie gatunków i odtworzenie filogenezy, ale i na datowanie radiacji i analizy biogeograficzna

43

44 Spór o kurczaka z El Arenal Czy archeologiczna kość kurczaka z Chile świadczy o kontaktach cywilizacji prekolumbijskich z Polinezją? Czy lokalne rasy drobiu z Ameryki Południowej (np. Araucana) mają polinezyjski rodowód?

45 Kurczaki z wykopalisk z Chile mają haplotyp nr 8, powszechny na całym świecie, a ich prekolumbijskie datowanie jest sporne

46 Najstarsze osadnictwo w Europie

47 Haplotypy kopalne nie tworzą kladu, ale grupują się ze współczesnymi sekwencjami. 25% haplotypów kopalnych to grupa N1a (na ilustracji), która występuje dziś zaledwie u 0,2% populacji Gałąź haplotypu N1a mitochondrialnego DNA. Czerwone kółka oznaczają haplotypy neolityczne

48 Współczesne rozmieszczenie grup haplotypu N1a Kolory oznaczają trzy grupy haplotypu N1a Wielkość kółek jest proporcjonaln a do częstości haplotypu najmniejsze kółko to 0,18%

49 Figure 3. Genetic matrilineal distances between 55 modern Western Eurasian populations (Table S6) and Neolithic LBK samples. Haak W, Balanovsky O, Sanchez JJ, Koshel S, et al. (2010) Ancient DNA from European Early Neolithic Farmers Reveals Their Near Eastern Affinities. PLoS Biol 8(11): e doi: /journal.pbio

50 Epidemiologia Filogenetyka pozwala odkryć pochodzenie chorób

51 Paleoepidemiologia Badania filogenetyczne podważyły hipotezę o pochodzeniu ludzkiej formy gruźlicy od bydlęcej (Brosch i wsp. 2002)

52 Filogeneza HIV Dane molekularne potwierdzają afrykańskie pochodzenie HIV i są zgodne z danymi epidemiologicznymi co do dróg jego rozprzestrzeniania

53 Figure 4. Bayes factor test for significant non-zero rates for the combined HA and NA analysis. Lemey P, Rambaut A, Drummond AJ, Suchard MA (2009) Bayesian Phylogeography Finds Its Roots. PLoS Comput Biol 5(9): e doi: /journal.pcbi