Analiza filogenetyczna

Jacek Dabert

Zakład Morfologii Zwierząt

[e-mail]

Z czego się uczyć

• Wiley i in. (1991). The Compleat Cladist.
• Lipscomb (1998). Basics of Cladistic Analysis.
• Felsenstein (2004). Inferring phylogeny.
• Hall (2008).

Łatwe drzewa filogenetyczne.

•

Wykłady ....

Tematyka wykładów

1. Drzewa filogenetyczne - podstawowe terminy stosowane w rekonstrukcji

filogenii

2. Algorytmy do konstrukcji drzew filogenetycznych

a.

metody dystansowe

b.

maksymalna parsymonia

c.

metody wiarygodnościowe (maximum likelihood, wnioskowanie
Bayesowskie)

3. Poszczególne etapy komputerowej analizy filogenetycznej danych

molekularnych

a.

przygotowanie matrycy danych

b.

przyrównanie (alignment)

c.

matryca danych

d.

parametry wejściowe (np. modele ewolucji sekwencji i cech
morfologicznych)

e.

analiza statystyczna rezultatów

f.

prezentacja wyników

4. Procedura total evidence
5. Współbieżne zdarzenia ewolucyjne (rekoncyliacja, parsymonia Brooksa,

jungle)

TTTTTTTT

AAAAA

TTTTTTT

C

TTTT

AAA

#1 Drzewa

filogenetyczne

Podstawowe pojęcia

Filogeneza (filogenia)

Powiązania historyczno-genealogiczne pomiędzy taksonami

Filogenetyka

(grecki phylon -

gałąź +genesis – pochodzenie)

Dziedzina wiedzy zajmująca się badaniem powiązań

ewolucyjnych pomiędzy gatunkami i rekonstruująca historię
ich dywersyfikacji od momentu powstania do chwili obecnej

Drzewo filogenetyczne

Graficzny obraz filogenezy badanych organizmów, genów i
innych OTU (operational taxonomic unit)

Liniowa koncepcja „filogenezy”

Arystoteles

(IV w. p.n.e)

Scala Naturae

(drabina jestestw naturalnych)

Jehovah

Christus

Angeli

Beati (święci)

Genius (duchy)

Quadrupes
Aves
Insecta
Vermes („robaki”)
Phytozoa (np. hydra)
Sensitiva (np.mimoza
Herbae
Gramina
Filices
Mucus
Litophyta (np.korale)
Praetiosa
Terra

wg Charles Bonnet, 1780 (skrócone)

wzrastająca

doskonałość

Teoria ewolucji Darwina

Tezy teorii Darwina

1.

Wszystkie gatunki

pochodzą od jednego lub
kilku wspólnych
przodków.

2.

Zasadniczym
mechanizmem ewolucji
jest dobór naturalny.

24.11.1859

„O powstawaniu gatunków w

drodze doboru naturalnego
albo o utrzymywaniu si

ę

doskonalszych ras w walce
o byt”

Współczesna koncepcja przebiegu filogenezy

Drzewo filogenetyczne

jest

hipotezą

Ernst Haeckel - Tree of life (1891)

Karol Darwin – Origin of Species (1859)

Historia filogenetyki (najkrótsza z możliwych)

Rozwój algorytmów
filogenetycznych

Robert Sokal (z prawej) i Peter Sneath
-

pierwsze podejście algorytmiczne –

taksonomia numeryczna (fenetyka)

bazująca na podobieństwie
morfologicznym

Luca Cavalli-

Sforza (powyżej) i Anthony Edwards

– ich studia filogenetyczne nad populacjami

ludzkimi bazujące na frekwencji alleli krwi

wprowadziły maksymalną parsymonię, metody

dystansowe i wiarygodnościowe

•

W aplikacjach biomedycznych np. epidemiologii i medycynie

sądowej

•

W badaniach molekularnych nad organizacj

ą genomu i

struktur

ą genów.

•

W badaniach nad powstawaniem nowych alleli i szczepów

laboratoryjnych

•

W studiach porównawczych w ekologii i etologii

•

W badaniu procesów fizjologicznych

•

Generalnie na wszystkich polach, w których dokonuje si

ę

porówna

ń między obiektami lub procesami.

•

Do rekonstrukcji historycznych zwi

ązków filogenetycznych

pomi

ędzy taksonami.

Gdzie stosuje się metodykę analizy filogenetycznej?

Zastosowania analizy filogenetycznej

tree house

baum haus

treow hus

tre hus

strom domovni

arbol casa

albero casa

arbore casa

arbre maison

arbor domus casa

dom na drzewie

Angielski

Niemiecki

Anglosaski

Norweski

Czeski

Polski

Hiszpański

Włoski

Rumuński

Francuski

Łacina

Taksony

naturalne

i

sztuczne

a.

grupa monofiletyczna

, b.

grupa parafiletyczna

, c.

grupa polifiletyczna

Systematyka filogenetyczna

Terminologia dotycząca drzew filogenetycznych

Topologia drzewa

–

kształt drzewa, porządek rozgałęziania się pomiędzy

węzłami

Taksony terminalne

reprezentują współcześnie żyjące organizmy lub

analizowane fosylia,

węzły

natomiast reprezentują: (1) hipotetycznych

wymarłych przodków, (2) zjawiska specjacji, (3) klastry gatunków w danym
poddrzewie (kladzie, subtree)

Ewolucyjna interpretacja drzewa filogenetycznego

kladogeneza

anageneza
gatunku A

anageneza
gatunku A’’

anageneza
gatunku A’

specjacja

czas

Układ gałęzi

Kolejność taksonów terminalnych nie ma
znaczenia –

każdą gałąź można „obracać”

A B C

D

A

B

C

D

=

A

B

C D

=

Politomia

Miękka politomia (soft polytomy)

–

niepewność co do powiązań

filogenetycznych lub kolejności dywergencji = brak dowodów powiązań, często

w wyniku niewystarczających danych

Twarda politomia (hard polytomy)

– jednoczesna „eksplozywna” dywergencja =

wszystkie potomne gatunki wyewoluowały w tym samym czasie (radiacja)

Jeden

Dwa

Trzy

Cztery

Jeden

Dwa

Trzy

Cztery

Drzewo dychotomiczne
–

w pełni rozwiązane

Drzewo politomiczne
–

brak rozwiązania

Politomia

Jeden

Dwa

Trzy

Cztery

Drzewo politomiczne
–

brak rozwiązania

Ile jest drzew dla n taksonów?

Dla dichotomicznych ukorzenionych drzew:

)

3

2

(

...

11

9

7

5

3

−

×

×

×

×

×

×

n

)!

2

(

2

)!

3

2

(

2

−

−

−

n

n

n

[1]

[2]

Dla dichotomicznych nieukorzenionych drzew:

)

5

2

(

...

11

9

7

5

3

−

×

×

×

×

×

×

n

Jest to ta sama formuła jak [2] tylko dla n-1

[3]

10 395 drzew

n=8

n=7

Ile jest drzew dla n taksonów?

Dla drzew, w których

dopuszczamy możliwość
politomii musimy jeszcze

uwzględnić liczbę węzłów
(m). Dla drzew

ukorzenionych posługujemy

się formułą Felsensteina.

Analogicznie jak dla
dichotomicznych
nieukorzenionych drzew

posługujemy się tą formułą
dla n-1

T

n,m

=

(n+m-2)T

n-1,m-1

+ mT

n-1,m

dla m>1

T

n-1,m

dla m=1

Rodzaje drzew

kladogram

(=topologia) –

długość gałęzi równa, nie jest
proporcjonalna do dystansu
ewolucyjnego = brak informacji o
tempie ewolucji

k. prostokątny k. ukośny

0.01

skala –

np. liczba substytucji/pozycję

filogram

–

długość gałęzi różna,

proporcjonalna do dystansu
ewolucyjnego = jest informacja
o tempie ewolucji

Rodzaje drzew

Ten sam kladogram może

reprezentować bardzo różne filogramy.

Filogramy te mają taką samą topologię,

ale różną wagę.

0.01

Rodzaje drzew

C

o

llo

h

N

o

th

ru

H

e

rma

n

N

e

h

y

p

o

M

al

a

co

P

lat

y

n

T

rh

yp

o

A

rc

heg

G

ym

no

d

Ere

ma

e

Ac

ro

ga

Sc

uto

v

Tec

toc

Xenill

Liodes

Adoris

Euzete

Nanher

Allon

o

Steg

a1

Ste

ga2

Ac

ar

us

R

hiz

og

C

ho

rto

C

ar

p

o

g

B

o

n

o

m

o

H

is

tio

A

n

a

lg

e

P

te

ro

n

O

to

d

e

c

C

h

o

ri

o

D

e

rma

t

Kn

e

m

id

A

v

en

z

o

T

ro

u

e

s

P

ro

ct

o

M

o

n

o

ju

G

eh

yp

o

Hy

po

c1

Hy

po

c2

Lo

hm

an

Me

rist

Micr

oc

Rhagid

Anysti

Torotr

Neuman

Megal

u

Labid

o

Tetr

an

Lin

op

o

Alic

or

C

ry

pto

C

h

an

b

r

E

u

si

m

o

E

u

k

o

e

n

O

lig

o

l

kladogram cyrkularny filogram cyrkularny

C

o

llo

h

N

o

th

ru

H

e

rma

n

N

e

h

y

p

o

M

al

a

co

P

lat

y

n

T

rh

yp

o

A

rc

heg

G

ym

no

d

Ere

ma

e

Ac

ro

ga

Sc

uto

v

Tec

toc

Xenill

Liodes

Adoris

Euzete

Nanher

Allon

o

Steg

a1

Ste

ga2

Ac

ar

us

R

hiz

og

C

ho

rto

C

ar

p

o

g

B

o

n

o

m

o

H

is

tio

A

n

a

lg

e

P

te

ro

n

O

to

d

e

c

C

h

o

ri

o

D

e

rma

t

Kn

e

m

id

A

v

en

zo

T

ro

u

e

s

P

ro

ct

o

M

o

n

o

ju

G

eh

yp

o

Hy

po

c1

Hy

po

c2

Lo

hm

an

Me

rist

Micr

oc

Rhagid

Anysti

Torotr

Neuman

Megal

u

Labid

o

Tetr

an

Lin

op

o

Alic

or

C

ry

pto

C

h

an

b

r

E

u

si

m

o

E

u

k

o

e

n

O

lig

o

l

0.01

Drzewa ukorzenione vs. nieukorzenione

drzewo ukorzenione
- jest informacja o kierunku
ewolucji

Zarówno kladogramy jak i filogramy mogą być ukorzenione lub nie.

Przypadek ukorzenionego filogramu, w którym każdy takson terminalny

ma taką samą odległość od korzenia nazywamy

dendrogramem

drzewo nieukorzenione
- brak informacji o kierunku ewolucji

Ukorzenianie drzew

Ukorzenianie drzew

1. ukorzenianie za pomocą grupy zewnętrznej

Włączenie do analizy grupy znanej a priori jako grupa zewnętrzna do

badanych taksonów powoduje, że korzeń siłą rzeczy stanowi gałąź

łącząca grupę zewnętrzną z grupą wewnętrzną.

korzeń

Ukorzenianie drzew

2. ukorzenianie za pomocą zegara molekularnego

•

Koncepcja zegara molekularnego (Zuckerlandl i Pauling,
1965) postuluje równe tempo substytucji we wszystkich

liniach ewolucyjnych. Dzięki danym fosylnym możliwe jest

kalibrowanie zegara i określanie bezwzględnego czasu
dywergencji.

13

2

×

x

człowiek 13 mln lat orangutan

Jeżeli wszystkie linie ewolucyjne wykazują taką samą prędkość zmian

ewolucyjnych od czasu dywergencji od ich wspólnego przodka, to korzeń

znajduje się w punkcie równo odległym od wszystkich taksonów

terminalnych (liści)

Określanie kierunku zmian ewolucyjnych - definiowanie cech ancestralnych

Grupa zewnętrzna

Grupa zewnętrzna (lub lepiej kilka grup zewnętrznych) z definicji muszą łączyć

się z naszą grupą wewnętrzną u jej nasady poniżej wspólnego przodka. Cechy,

które definiują grupę wewnętrzna i są odmienne od grupy zewnętrznej są
cechami nowymi (wg. kladystów apomorfiami). Cechy takie same jak u grupy

wewnętrznej są cechami ancestralnymi (plezjomorficznymi). Jest to obecnie
podstawowa metoda ustalania cech apomorficznych i plezjomorficznych dla
sekwencji DNA.

Fosylia

Jeśli mamy dobrze udokumentowane i zachowane dane fosylne (kopalne), co do

których jesteśmy pewni, że są ancestralne w stosunku do grupy wewnętrznej, to

rozumujemy analogicznie jak w przypadku grupy zewnętrznej.

Ontogeneza

Wczesne etapy rozwoju embrionalnego zdają się być podobne dla szerokiego

spektrum organizmów. Bardziej progresywne cechy, które definiują różne

taksony pojawiają się później w ontogenezie. Jeżeli jest to prawdą (nie zawsze),

to cechy ancestralne naszej grupy wewnętrznej powinny być tymi, które

pojawiają się na wczesnych etapach ontogenezy.

Konotacja tekstowa drzewa

,

)

(

,

)

(

( A

( , B

)

) , C

A

C

B

Formaty zapisu

Takson 1

Takson 2

Takson 3

Takson 4

Phylip/Newick

((Takson_1,Takson_2),(Takson_3,Takson_4));

Nexus

#NEXUS

BEGIN TREES;

TRANSLATE

1

Takson_1,

2

Takson_2,

3

Takson_3,

4

Takson_4

;

UTREE * PHYLIP_1= ((1,2),(3,4));

ENDBLOCK;

Hennig 86

tread

((0 1 )(2 3 ));

proc/;

kladogram

Formaty zapisu

((((((((((((((Hyd14_Lebe:0.022672,(Hyd11_Torr:0.

000518,Torrentico:0.001431):0.162006):0.010563,H

yd5_Front:0.046552):0.009222,(Hyd12_Limn:0.02006

4,(Hyd13_Limn:1.883e-008, Hyd6_Limne:0.001526)

:0.012873):0.021439):0.005219,(Hyd9_Mideo:0.0286

24,(((Hyd7_Hydra:0.016235,Hydrachna_:0.010107):0

.144794,((Hyd1_Neuma:0.039715,Neumania_d:0.02296

1):0.015615,((Hyd2_Piona:0.355877,Hyd15_Pion:0.0

61876):0.138478,Tiphys_sp:0.014139):0.008958):0.

013667):0.010696,(Horreolanu:0.001928,((Arrenuru

s_:0.001521,Hyd4_Arren:0.000746):0.003149,Hyd3_A

rren:0.008264):0.009890):0.008199):0.006716):0.0

05096):0.005425,Sperchon_s:0.023146):0.004681,Ch

imerathy:0.037079):0.000347,Thyas_barb:0.006470)

:0.008888,Hydryphant:0.024106):0.016748,Hyd6_Hyd

ro:0.446658):0.100423,(Limnochare:0.098468,Eylai

s_sp:0.111426):0.048096):0.032619,((Platythrom:0

.039664,Microtromb:0.051667):0.005902,Valgoperuv

:0.037742):0.018412):0.008891,Chyzeria_s:0.02251

4):0.024864,(Balaustium:0.076184,(Lasioeryth:0.0

04966,Erythraeus:0.021553):0.011638):0.004029):0

.018571,Sphaerotar:0.022422,Anystis_sp:0.147512)

;

0.1

Sphaerotar

Anystis sp

Chyzeria s

Hyd6 Hydro

Hydryphant

Thyas barb

Chimerathy

Sperchon s

Hyd5 Front

Hyd14 Lebe

Hyd11 Torr

Torrentico

Hyd12 Limn

Hyd13 Limn

Hyd6 Limne

Hyd9 Mideo

Hyd7 Hydra

Hydrachna

Hyd1 Neuma

Neumania d

Tiphys sp

Hyd2
Piona

Hyd15 Pion

Horreolanu

Hyd3 Arren

Arrenurus

Hyd4 Arren

Limnochare

Eylais sp

Valgoperuv

Platythrom

Microtromb

Balaustium

Lasioeryth

Erythraeus

filogram

((A:v

1

, B:v

1

):v

2

, C:v

4

, D:v

5

)

v –

długość gałęzi

Formaty zapisu

Dodatkowe informacje
–

opis węzłów

(Sturnotrogus_subtrincatus,

(Scutulanyssus_dasyritidis,

(Pteronyssoides_holoplax,

((((M._glossifer, M._hordacei,

(M._plocei, M._capensis,

(M._puylaerti, M._anaplecti)

'd= 2', M._gaudi) 'd= 3') 'd=

1', M._bubalornis) 'd= 1',

(M._lonchurae, (M._angolensis,

M._amadinae) 'd= 1') 'd= 2')

'd= 1', ((M._plocepasseri,

(M._anoplonotus, M._daberti)

'd= 1') 'd= 1',

M._pseudonigritae) 'd= 1') 'd=

10') 'd= 1'));

PHYLIP_1

Sturnotrogus subtrincatus

Scutulanyssus dasyritidis

Pteronyssoides holoplax

M. bubalornis

M. glossifer

M. hordacei

M. plocei

M. capensis

M. gaudi

M. puylaerti

M. anaplecti

d= 2

d= 3

d= 1

d= 1

M. lonchurae

M. angolensis

M. amadinae

d= 1

d= 2

d= 1

M. pseudonigritae

M. plocepasseri

M. anoplonotus

M. daberti

d= 1

d= 1

d= 1

d= 10

d= 1

Formaty zapisu

Dla drzew nieukorzenionego dozwolone są różne zapisy tej samej
topologii

Zapis tekstowy zakłada drzewo ukorzenione (korzeń reprezentowany
przez skrajne nawiasy).

Kiedy drzewo filogenetyczne nie jest dobrym modelem przebiegu ewolucji?

Genealogia osobników w ramach gatunku

Dla gatunków rozmnażających się płciowo materiał genetyczny pochodzi po

połowie od każdego z rodziców, a nie od pojedynczego osobnika („wspólnego
przodka”

). Dla gatunków bezpłciowych drzewo jest odpowiednie dla analizy

genealogii, choć również tu może niekiedy zachodzić wymiana materiału
genetycznego (np. koniugacja) i drzewo jest nieodpowiednie.

Filogenia blisko spokrewnionych gatunków

W wyniku sporadycznych krzyżówek między osobnikami należącymi do ściśle

spokrewnionych gatunków może dochodzić do włączenia do ich puli genowej

materiału genetycznego obcego gatunku.

Gatunki hybrydowe (specjacja retikularna)

Szczególnie wśród roślin powstawanie nowych gatunków przez hybrydyzację

może być częstą drogą ewolucji.

Dalekie związki filogenetyczne

Istnieje wiele możliwości transferu materiału genetycznego pomiędzy daleko

spokrewnionymi lub obcymi gatunkami np. między bakteriami lub wirusami a
innymi organizmami.

Alternatywy dla drzewa filogenetycznego

Sieć (network)

–

wygenerowana za pomocą
programu SplitsTree obrazuje
alternatywne hipotezy
filogenetyczne na jednym grafie

23

17

Alpha1

16

Alpha2

Alpha3

20

19

Beta3

18

Beta1

Beta2

22

Gamma1

21

Gamma2

Gamma3

25

24

Cyanob1

Cyanob2

26

Gonyaulax

27

Cyanophora

28

Red_brown

Green

ROOT

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Alternatywy dla drzewa filogenetycznego

Retikulogram

– wygenerowany za

pomocą programu T-REX obrazuje

(czerwone strzałki) zjawiska
specjacji retikularnej (hybrydyzacja)
lub transferu horyzontalnego genów

Hipotetyczne inicjalne stadium specjacji

Graficzna prezentacja

TreeView

http://taxonomy.zoology.gla.ac.uk/rod/treeview.html

Graficzna prezentacja

WinClada

Graficzna prezentacja

TreeMe!

Graficzna prezentacja

Macclade