PODSTAWY BIOINFORMATYKI 6 ANALIZA FILOGENETYCZNA

Transkrypt

1 PODSTAWY BIOINFORMATYKI 6 ANALIZA FILOGENETYCZNA

2 ANALIZA FILOGENETYCZNA 1. Wstęp - filogenetyka 2. Struktura drzewa filogenetycznego 3. Metody konstrukcji drzewa - przykłady 4. Etapy konstrukcji drzewa filogenetycznego 5. Oprogramowanie Copyright 2010, Joanna Szyda

3 WSTĘP - FILOGENETYKA METODY KONSTRUKCJI DRZEW FILOGENETYCZNYCH KLASTROWANIA KLADYSTYCZNE nie uwzględnia powiązań ewolucyjnych uwzględnia powiązania ewolucyjne (mutacje) UPGMA - Unweighted pair Group Method with Arithmetic Mean Neighbour joining Maximum parsimony - Maksymalne podobieństwo Maximum likelihood - Najwyższe prawdopodobieństwo

4 METODY KONSTRUKCJI DRZEWA METODA KLASTROWANIA

5 METODY KONSTRUKCJI DRZEWA - UPGMA PRZYKŁAD TWORZENIA DRZEWA METODĄ UPGMA 1. Obliczyć macierz zróżnicowania pomiędzy osobnikami 2. Wybór najbardziej podobnych osobników = węzeł 3. Obliczenie nowej macierzy zróżnicowania powrót do punktu 2 5.

6 METODY KONSTRUKCJI DRZEWA - UPGMA 1. Obliczyć macierz zróżnicowania pomiędzy osobnikami ATGC TTCG TCGG ATGC TTCG TCGG

7 METODY KONSTRUKCJI DRZEWA - UPGMA 2. Wybór najbardziej podobnych osobników = węzeł ATGC TTCG TCGG ATGC TTCG TCGG

8 METODY KONSTRUKCJI DRZEWA - UPGMA 2. Wybór najbardziej podobnych osobników = węzeł ATGC TTCG TCGG ATGC TTCG TCGG ATGC

9 METODY KONSTRUKCJI DRZEWA - UPGMA 3. Obliczenie nowej macierzy zróżnicowania + ATGC TTCG TCGG + ATGC 0 (2+3)/2=2.5 (4+3)/2=3.5 TTCG TCGG 0 2 0

10 METODY KONSTRUKCJI DRZEWA - UPGMA 4. Wybór najbardziej podobnych osobników = węzeł + ATGC TTCG TCGG + ATGC 0 (2+3)/2=2.5 (4+3)/2=3.5 TTCG TCGG 0 2 0

11 METODY KONSTRUKCJI DRZEWA - UPGMA 4. Wybór najbardziej podobnych osobników = węzeł + ATGC TTCG TCGG + ATGC TTCG TCGG 0 (2+3)/2=2.5 (4+3)/2= ATGC TTCG TCGG

12 METODY KONSTRUKCJI DRZEWA - UPGMA 5. Obliczenie nowej macierzy zróżnicowania + ATGC TTCG + TCGG + ATGC + ATGC 0 ( )/4=3 0

13 METODY KONSTRUKCJI DRZEWA - UPGMA 6. Wybór najbardziej podobnych osobników = wierzchołek + ATGC TTCG + TCGG ATGC + ATGC 0 ( )/4= ATGC TTCG TCGG

14 METODY KONSTRUKCJI DRZEWA - UPGMA 1. Najprostsza metoda tworzenia drzew 2. Bardzo szybka 3. Przyjmuje działanie mechanizmu ZEGARA MOLEKULARNEGO

15 METODY KONSTRUKCJI DRZEWA - NEIGHBOUR JOINING 1. Uwzględnia zróżnicowane tempo ewolucji organizmów 2. Stosunkowo szybka 3. Oszacowanie długości krawędzi 4. Wyniki zależne od założonego modelu ewolucyjnego

16 METODY KONSTRUKCJI DRZEWA METODA KLADYSTYCZNA

17 METODY KONSTRUKCJI DRZEWA - MAKS. PODOBIEŃSTWO PRZYKŁAD TWORZENIA DRZEWA METODĄ MAKSYMALNEGO PODOBIEŃSTWA 1. Dopasowanie sekwencji kilku organizmów 2. Konstrukcja (wszystkich) możliwych drzew 3. Wybór drzewa wymagającego najmniejszej liczby mutacji

18 METODY KONSTRUKCJI DRZEWA - MAKS. PODOBIEŃSTWO 1. Dopasowanie sekwencji kilku organizmów sekwencja 1 A A C C G A T 2 A A C C G C A 3 A G T C G T T 4 A G T C G G A Jednakowe wartości sekwencja nieinformatywna Różne wartości sekwencja nieinformatywna Powtarzalne wartości sekwencja informatywna

19 METODY KONSTRUKCJI DRZEWA - MAKS. PODOBIEŃSTWO 2. Konstrukcja (wszystkich) możliwych drzew Liczba możliwych drzew: ukorzenionych (2n - 3)!! nieukorzenionych (2n - 5)!! n - liczba sekwencji n!! = 1*3*5*7*...*n n l.ukorzenionych l.nieukorzenionych liczba potencjalnych topologii rośnie wykładniczo poszukiwanie odpowiedniego drzewa = duży koszt obliczeniowy (jak zmniejszyć koszt?)

20 METODY KONSTRUKCJI DRZEWA - MAKS. PODOBIEŃSTWO 2. Konstrukcja (wszystkich) możliwych drzew ACT GTA GTA ACA GTA GTT ACA GTT ACT GTT ACA ACT

21 METODY KONSTRUKCJI DRZEWA - MAKS. PODOBIEŃSTWO 3. Wybór drzewa wymagającego najmniejszej liczby mutacji ACT GTA GTA 3 1 GTA ACA 3 GTT GTA GTT GTA 2 ACA GTT 1 GTT GTT 1 ACT ACT GTT ACA ACT

22 METODY KONSTRUKCJI DRZEWA - MAKS. PODOBIEŃSTWO Inaczej metoda największej oszczędności wybiera drzewa z najmniejszą ilością zmian ewolucyjnych opiera się na zasadzie brzytwy Ockhama Wykorzystuje pozycje informatywne (skrócenie czasu obliczeń) Czy wszystkie mutacje są równocenne? Problem przyciągania się długich gałęzi

23 METODY KONSTRUKCJI DRZEWA - NAJWYŻSZE PRAWDOP. 1. Uwzględnia zróżnicowane prawdopodobieństwo poszczególnych mutacji 2. Uwzględnia każda pozycję (nie tylko informatywne) 3. Bardzo wolna 4. Daje dokładne wyniki (małe prawdopodobieństwo uzyskania błędnego drzewa) 5. Wykorzystuje modele substytucyjne 6. Określa prawdopodobieństwa poprawności danego drzewa

24 METODY KONSTRUKCJI DRZEWA UPGMA MAKS. PODOBIEŃSTWO łatwa, szybka powolna, duża liczba możliwych drzew analiza dużych zbiorów danych możliwa analiza dużych zbiorów danych problematyczna nie uwzględnia powiązań ewolucyjnych uwzględnia powiązania ewolucyjne (mutacje)

25 ETAPY KONSTRUKCJI DRZEWA FILOGENETYCZNEGO 1. Znalezienie sekwencji wybranych organizmów 2. Dopasowanie sekwencji 3. Konstrukcja drzewa (Clustal W) 4. Prawdopodobieństwo poprawności drzewa (bootstrap)

26 ETAPY KONSTRUKCJI DRZEWA FILOGENETYCZNEGO 1. Znalezienie sekwencji wybranych organizmów

27 ETAPY KONSTRUKCJI DRZEWA FILOGENETYCZNEGO 2. Dopasowanie sekwencji

28 ETAPY KONSTRUKCJI DRZEWA FILOGENETYCZNEGO 3. Konstrukcja drzewa (Clustal W) dystans pomiędzy sekwencjami

29 ETAPY KONSTRUKCJI DRZEWA FILOGENETYCZNEGO 4. Prawdopodobieństwo poprawności drzewa (bootstrap) STWORZENIE SZTUCZNEGO ZBIORU DANYCH zamiana kolejności nukleotydów 1000 STWORZENIE DRZEWA FILOGENETYCZNEGO OKREŚLENIE POWTARZALNOŚCI DANEGO ROZGAŁĘZIENIA = PRAWDOPODOBIEŃSTWO

30 OPROGRAMOWANIE PHYLIP -

31 OPROGRAMOWANIE PHYLIP online:

32 OPROGRAMOWANIE MEGA -

33 OPROGRAMOWANIE PAUP

34 OPROGRAMOWANIE Treefinder -

35