Wykład Bioinformatyka 2012-09-24. Bioinformatyka. Wykład 7. E. Banachowicz. Zakład Biofizyki Molekularnej IF UAM. Ewolucyjne podstawy Bioinformatyki



Podobne dokumenty
Genomika Porównawcza. Agnieszka Rakowska Instytut Informatyki i Matematyki Komputerowej Uniwersytet Jagiellooski

PODSTAWY BIOINFORMATYKI WYKŁAD 5 ANALIZA FILOGENETYCZNA

plezjomorfie: podobieństwa dziedziczone po dalszych przodkach (c. atawistyczna)

Mechanizmy zmienności ewolucyjnej. Podstawy ewolucji molekularnej.

Teoria ewolucji. Podstawy wspólne pochodzenie.

Zmienność ewolucyjna. Ewolucja molekularna

Teoria ewolucji. Podstawowe pojęcia. Wspólne pochodzenie.

Filogenetyka molekularna. Dr Anna Karnkowska Zakład Filogenetyki Molekularnej i Ewolucji

Dopasowanie sekwencji (sequence alignment)

Konstruowanie drzew filogenetycznych. Magda Mielczarek Katedra Genetyki Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu

Teoria ewolucji. Podstawowe pojęcia. Wspólne pochodzenie.

Porównywanie i dopasowywanie sekwencji

Podstawy biologii. Informacja genetyczna. Co to jest ewolucja.

Teoria ewolucji. Losy gatunków: specjacja i wymieranie. Podstawy ewolucji molekularnej

Mitochondrialna Ewa;

Bioinformatyka Laboratorium, 30h. Michał Bereta

Podstawy biologii. Informacja genetyczna. Co to jest ewolucja.

Analizy filogenetyczne

Porównywanie i dopasowywanie sekwencji

Acknowledgement. Drzewa filogenetyczne

PODSTAWY BIOINFORMATYKI 6 ANALIZA FILOGENETYCZNA

Historia informacji genetycznej. Jak ewolucja tworzy nową informację (z ma ą dygresją).

Badanie doboru naturalnego na poziomie molekularnym

Zmienność ewolucyjna. Ewolucja molekularna

Ewolucja informacji genetycznej

Spis treści. Przedmowa... XI. Wprowadzenie i biologiczne bazy danych. 1 Wprowadzenie Wprowadzenie do biologicznych baz danych...

Urszula Poziomek, doradca metodyczny w zakresie biologii Materiał dydaktyczny przygotowany na konferencję z cyklu Na miarę Nobla, 14 stycznia 2010 r.

Ewolucja molekularna człowieka okiem bioinformatyka. Justyna Wojtczak Jarosław Jeleniewicz

wykład dla studentów II roku biotechnologii Andrzej Wierzbicki

Wstęp do Biologii Obliczeniowej

wykład dla studentów II roku biotechnologii Andrzej Wierzbicki

Zmienność ewolucyjna. Ewolucja molekularna

Bioinformatyka Laboratorium, 30h. Michał Bereta

Filogenetyka molekularna I. Krzysztof Spalik

klasyfikacja fenetyczna (numeryczna)

Podstawy ewolucji molekularnej. Ewolucja sekwencji DNA i białek

Podstawy ewolucji molekularnej. Ewolucja sekwencji DNA i białek

Ewolucja człowieka. Ostatnie 5 milionów lat

Podstawy teorii ewolucji. Informacja i ewolucja

Ewolucja człowieka. Ślady w ziemi i ślady w genach

Ewolucjonizm NEODARWINIZM. Dr Jacek Francikowski Uniwersyteckie Towarzystwo Naukowe Uniwersytet Śląski w Katowicach

Filogenetyka molekularna I

Ewolucja informacji genetycznej

życia na Ziemi dr Joanna Piątkowska

Ewolucja człowieka. Ślady w ziemi i ślady w genach

Filogenetyka molekularna I. Krzysztof Spalik Zakład Filogenetyki Molekularnej i Ewolucji

BIOLOGIA EGZAMIN KLASYFIKACYJNY 2015/16. KLASA III Gimnazjum. Imię:... Nazwisko:... Data:...

Podstawy ewolucji molekularnej. Ewolucja sekwencji DNA i białek

Konspekt do zajęć z przedmiotu Genetyka dla kierunku Położnictwo dr Anna Skorczyk-Werner Katedra i Zakład Genetyki Medycznej

Nuttall przeprowadził testy precypitacyjne białek surowicy, aby wykazać związek filogenetyczny między różnymi grupami zwierząt.

Analizy DNA in silico - czyli czego można szukać i co można znaleźć w sekwencjach nukleotydowych???

Ograniczenia środowiskowe nie budzą wielu kontrowersji, co nie znaczy że rozumiemy do końca proces powstawania adaptacji fizjologicznych.

Biologiczne podstawy ewolucji. Informacja genetyczna. Co to jest ewolucja.

ANTROPOGENEZA KARTA PRACY DLA UCZNIA

Podstawy teorii ewolucji. Informacja i ewolucja

PODSTAWY BIOINFORMATYKI WYKŁAD 4 DOPASOWANIE SEKWENCJI

MACIERZE MUTACYJNE W ANALIZIE GENOMÓW czy możliwa jest rekonstrukcja filogenetyczna? Aleksandra Nowicka

Różnorodność życia na Ziemi

Teoria ewolucji. Ślady wspólnego pochodzenia. Dobór sztuczny i naturalny.

Bioinformatyka. (wykład monograficzny) wykład 5. E. Banachowicz. Zakład Biofizyki Molekularnej IF UAM

Podstawy biologii. Podstawy biologii molekularnej

PODSTAWY BIOINFORMATYKI WYKŁAD 4 DOPASOWANIE SEKWENCJI

Ewolucja człowieka. Ślady w ziemi i ślady w genach

Bioinformatyka. Rodzaje Mutacji

Analizy DNA in silico - czyli czego można szukać i co można znaleźć w sekwencjach nukleotydowych???

Ewolucja człowieka. Ślady w ziemi i ślady w genach

KONSEKWENCJE PŁCIOWOŚCI (dlaczego osobniki są podobne?)

Biologia medyczna, materiały dla studentów

Przyrównanie sekwencji. Magda Mielczarek Katedra Genetyki Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu

Ewolucja człowieka. Ślady w ziemi i ślady w genach

Podstawy ewolucji molekularnej. Ewolucja sekwencji DNA i białek

Ewolucja człowieka. Ślady pozostawione w genach

PODSTAWY BIOINFORMATYKI 8 DOPASOWYWANIE SEKWENCJI AMINOKWASÓW

Politechnika Wrocławska. Dopasowywanie sekwencji Sequence alignment

Ewolucja człowieka. Ślady w ziemi i ślady w genach

KARTA KURSU. Punktacja ECTS* Dr Marek Guzik

Analizy DNA in silico - czyli czego można szukać i co można znaleźć w sekwencjach nukleotydowych???

PRZYRÓWNANIE SEKWENCJI

Szczegółowy harmonogram ćwiczeń Biologia medyczna w Zakładzie Biologii w roku akademickim 2017/2018 Analityka Medyczna I rok

Kierunek i poziom studiów: Biologia, poziom drugi Sylabus modułu: Filogenetyka i taksonomia roślin i zwierząt dla EKOP

Ewolucja człowieka 1

Ewolucja człowieka. Ślady w ziemi i ślady w genach

Zmienność ewolucyjna. Ewolucja molekularna

Białowieża, Prof. dr hab. Jan M. Wójcik Instytut Biologii Ssaków PAN w Białowieży

Mechanizmy ewolucji. SYLABUS A. Informacje ogólne

PODSTAWY BIOINFORMATYKI

Podstawy teorii ewolucji. Informacja i ewolucja

Przyrównywanie sekwencji

KARTA KURSU. Kod Punktacja ECTS* 2

Bioinformatyka Laboratorium, 30h. Michał Bereta

o cechach dziedziczonych decyduje środowisko, a gatunki mogą łatwo i spontanicznie przechodzić jedne w drugie

Bioinformatyka Laboratorium, 30h. Michał Bereta

Podstawy biologii. Informacja genetyczna. Co to jest ewolucja.

Mapowanie genów cz owieka. podstawy

Podstawy teorii ewolucji. Informacja i ewolucja

Polimorfizm genu mitochondrialnej polimerazy gamma (pol γ) w populacjach ludzkich Europy

Selekcja, dobór hodowlany. ESPZiWP

Bioinformatyka Laboratorium, 30h. Michał Bereta

Teoria ewolucji. Ślady wspólnego pochodzenia. Dobór sztuczny i naturalny.

GENETYKA POPULACJI. Ćwiczenia 1 Biologia I MGR /

Transkrypt:

Bioinformatyka Wykład 7 E. Banachowicz Zakład Biofizyki Molekularnej IF UAM http://www.amu.edu.pl/~ewas 1 Plan Bioinformatyka Ewolucyjne podstawy Bioinformatyki Filogenetyka Bioinformatyczne narzędzia Filogenetyki Wykład 7, 2011 1

Ewolucyjne podstawy Bioinformatyki Nic w Biologii (Bioinformatyce) nie ma sensu jeśli rozpatruje się to w oderwaniu od ewolucji. Theodosius Dobzhansky (1900-1975) porównywanie sekwencji białkowych macierze PAM porównywanie RNA znajomość struktury tasowanie domen mechanizm ewolucji białek porównywanie genomów specjacja i duplikacja porównywanie genomów transfer poziomy DNA itd. duplikacja oryginalny gen duplikacja specjacja b 3 gatunek 2 b 2,c,a c 2 gen b b 2 b 1 gen a a 2 a 1 t 0 t 1 t 2 gatunek 1 b 1,a 1 Dywergencja (homologi): paralogi (wspólny przodek w czasie duplikacji) ortologi (wspólny przodek w czasie specjacji: a1-a2) Konwergencja (analogi) Wykład 7, 2011 2

pokolenia Wykład Bioinformatyka 2012-09-24 Ewolucja (jedna z definicji, wg.p.g.higgs&t.k.attwod): Zmiany w populacji dziedziczone przez wiele pokoleń. cechy: podatność na błędy samopowielania zmienność powodzenia procesu samopowielania (różnicowa przeżywalność) Rozwój formy biologicznej na skutek doboru naturalnego i występowania modyfikacji Drzewo filogenetyczne - koalescencja kopie genu koalescencja punkty rozgałęziania się linii przodków (droga w dół do współczesności) koalesecencja miejsca zbiegania się linii (wspólny przodek na drodze w górę) (np. chromosom Y, i mitochondrialny DNA po wyskalowaniu drzewa mtdna punkt koalescencji przypada na 200 000 lat temu, w Afryce dla chromosomu Y- ok. 60 000) Wykład 7, 2011 3

Mutacje (definicje z perspektywy ewolucji): Locus oznaczenie miejsca na chromosomie allele różne warianty sekwencji występujące w tym samym locus polimorfizm występowanie znaczącej liczby różnych alleli dla jednego locus (>1% w populacji) mutacja dowolna zmiana sekwencji DNA przekazana potomstwu Mutacje mutacje punktowe: substytucje, insercje, delecje mutacje na poziomie chromosomów: inwersje, transolkacje mikrosatelity sekwencje zawierające powtórzenia krótkich fragmentów sekwencji mutacje przystosowawczo neutralne nie mające wpływu na dostosowanie organizmu mutacje przystosowawczo szkodliwe mutacje przystosowawczo korzystne Wykład 7, 2011 4

BRCA1 Białko BRCA1 uczestniczy w naprawie uszkodzonego DNA - 1863 aminokwasy gen - 80 kpz DNA (24 egzony) lokalizacja: długie ramie 17 chromosomu w locus 17q21 mrna - 7,8 kpz http://pl.wikipedia.org/wiki/brca1 BRCA1 domena wiążąca białko BARD1 domeny często spotykane w białkach zaangażowanych w procesy naprawy DNA Schemat budowy polipeptydu białka BRCA1 i miejsc wiązania innych białek. Zaznaczono także reszty aminokwasowe BRCA1 fosforylowane przez kinazy http://pl.wikipedia.org/wiki/brca1 Wykład 7, 2011 5

Zmienność sekwencji w obrębie jednego gatunku i między gatunkami efekt założyciela (szczególny przypadek dryftu genetycznego) - wysoka częstość mutacji w populacjach jednorodnych etnicznie w Polsce 91% mutacji w genie BRCA1 to: 300T>G 5382insC, C61G 4153delA http://en.wikipedia.org/wiki/brca1 Zmienność sekwencji w obrębie jednego gatunku i między gatunkami Wykład 7, 2011 6

Zmienność sekwencji w obrębie jednego gatunku i między gatunkami A schemat sekwencji białkowej i CDS ludzkiego BRCA1 B pozycje insercji i delecji w sekwencji Rhesus macaque C pozycje substytucji w zestawieniu sekwencji Zmienność sekwencji w obrębie jednego gatunku i między gatunkami Wykład 7, 2011 7

Zmienność sekwencji w obrębie jednego gatunku i między gatunkami Zmienność sekwencji w obrębie jednego gatunku i między gatunkami Wykład 7, 2011 8

Zmienność sekwencji w obrębie jednego gatunku i między gatunkami zmienność sekwencji wewnątrz gatunku szkodliwe mutacje, które z czasem będą wyeliminowane (?) drogą doboru naturalnego zmienność sekwencji (różnice) między gatunkami utrwalone zmiany w genomach, które nie zostały wyeliminowane drogą doboru naturalnego (neutralne lub korzystne) Filogeneza/Filogenetyka Badanie drogi rozwoju rodowego, pochodzenia i relacji między istniejącymi (i kopalnymi) gatunkami Cele i zastosowania: tworzenie drzew filogenetycznych (relacje i wspólny przodek) wnioskowanie dotyczące wspólnego pochodzenia i wspólnych cech śledzenie ścieżek rozprzestrzeniania się infekcji Wykład 7, 2011 9

Filogenetyka drzewo filogenetyczne reprezentuje relacje między pomiędzy poszczególnymi taksonami filogenetyka molekularna wykorzystanie informacji zawartej w sekwencjach (aa lub DNA) do konstrukcji drzew filogenetycznych taksony konary tempo przemian ewolucyjnych pień wspólny przodek takson organizmy w obrębie jednej jednostki klasyfikacyjnej, posiadające wspólną, wyróżniającą je cechę Klasyfikacja biologiczna klasyfikacja obiektów biologicznych ze względu na różne kryteria Klasyfikacja sztuczna ze względu na cechy siedliskowe lub morfologiczne (lądowe/wodne, kręgowce/bezkręgowce) Klasyfikacja naturalna oparta o analizę filogenetyczną założenie klasyfikacji naturalnej: wszystkie organizmy powstały na drodze ewolucji (jedne wymierały, a inne dawały początek nowym) Wykład 7, 2011 10

Analiza filogenetyczna Filogeneza bada drogi rozwoju rodowego. pochodzenie i ewolucję w obrębie jakiejś grupy Drzewo filogenetyczne ilustracja pochodzenia i relacji pomiędzy poszczególnymi taksonami taksony konary tempo przemian ewolucyjnych pień wspólny przodek Filogenetyczne Drzewo Życia http://nai.arc.nasa.gov/news_stories/news_detail.cfm?id=274 Wykład 7, 2011 11

Klasyfikacja biologiczna organizmów żywych Gatunek (Species) Człowiek Współczesny Człowiek Rozumny (Homo Sapiens) Neandertalczyk (Homo Sapiens Sapiensis) (Homo sapiens neanderthalensis) Rodzaj (Genus) Goryl (Gorilla) Człowiek (Homo) Szympans (Pan) Orangutan (Pongo) Rodzina (Family) Rząd (Order) Klasa (Class) Typ (Phylum/Divission) Królestwo (Kingdom) Rośliny (Plantae) Człowiekowate (Hominidae) Naczelne (Primates) Ssaki (Mammalia) Strunowce (Chordata) Zwierzęta Metazoa/Animalia Domena (Domain/Superkingdom) Bacteria (Domain/Superkingdom) Eucaryota (Domain/Superkingdom) Archaea (Domain/Superkingdom) Drzewa filogenetyczne drzewo ukorzenione z osią czasu - długość gałęzi proporcjonalna do czasu Wykład 7, 2011 12

x 2 13 Zegar molekularny Koncepcja zegara molekularnego (Zuckerlandl i Pauling, 1965) : równe tempo substytucji we wszystkich liniach ewolucyjnych. kalibrowanie zegara - dane fosylne (kopalne)- określanie bezwzględnego czasu dywergencji. 13 mln lat Kalibracja zegara duplikacja hemoglogin ok. 350 mln lat temu. kopalne ryby bezszczękowe sprzed 400 mln lat mają jednocząsteczkową hemoglobinę Wykład 7, 2011 13

Zegar molekularny założenie, że podobne odległości miedzy węzłami w różnych gałęziach odpowiadają takim samym odległościom ewolucyjnym w czasie Hipoteza zegara działa tylko dla blisko spokrewnionych sekwencji Czasami niektóre gatunki ewoluowały szybciej niż inne gałęzie nierównej długości Drzewa filogenetyczne drzewo ukorzenione - długość gałęzi proporcjonalna do liczby zmian ewolucyjnych Wykład 7, 2011 14

Drzewa filogenetyczne drzewo nieukorzenione -długość gałęzi proporcjonalna do liczby zmian ewolucyjnych -można wskazać wspólnego przodka niektórych gatunków, ale nieznany jest kolejność specjacji -takie drzewo można ukorzenić ustalenie grupy zewnętrznej Grupy zewnętrzne (Outgroups) proces ukorzeniania sekwencja grupy zewnętrznej jest dużo dalej spokrewniona z pozostałymi sekwencjami (pierwsza oddzielona) Jest przydatna jako sekwencja referencyjna (np. do opisu ssaków łożyskowych wykorzystuje się sekwencje torbaczy) Wykład 7, 2011 15

Ukorzenianie midpoint method A D B C B A D C bez grupy zewnętrznej lepiej nie ukorzeniać drzewa Analiza filogenetyczna takson grupa oparta na podobieństwie, posiadająca konkretną wyróżniającą cechę (kręgowce-bezkręgowce, ssaki lądowe-wodne, zwierzęta latające i nielatające) takson monofiletyczny takson polifiletyczny takson parafiletyczny ryby płazy ssaki żółwie ptaki monofiletyczny wszyscy potomkowie wspólnego przodka parafiletyczny niektórzy potomkowie wspólnego przodka polifiletyczny potomkowie różnych przodków http://www.enotes.com/topic/paraphyly kręgowce gady owodniowce czworonogi cdn Wykład 7, 2011 16

Poprawny MSA!!!! Analiza filogenetyczna opiera się na założeniu, że kolumny zestawienia pochodzą od wspólnego przodka Poprawny MSA jest kluczowy!!!! konieczna może być ręczna interwencja w zestawienie Programy do Analizy Filogenetycznej Ogólne Phylip PAUP MEGA DAMBE PAL Bionumerics Pakiety Parsimony MALIGN Maximum Likelihood Tree-Puzzle Distance Treecon and many others Wykład 7, 2011 17

Źródła wykorzystano materiały pochodzące z wykładów dla Szkoły Bioinformatycznej i studentów biologii Prof. Jaceka Daberta Institute Director INSTITUTE OF ENVIRONMENTAL BIOLOGY Faculty of Biology Adam Mickiewicz University Wykład 7, 2011 18