Fülogeneesi rekonstrueerimine Eva-Liis Loogväli 17.05.2012

1. Fülogeneesi rekonstrueerimine Eva-Liis Loogväli 17.05.2012

2. Fülogeneetika (phylogenetics) – bioloogia haru, mis uurib organismi(rühma)de päritolu ja põlvnemiskäiku. Fülogenees (phylogeny) – organismi(rühma)de päritolu; fülogeneetiline puu ja selle teke phylē (kr.k.) – hõim genesis (kr.k.) – sünd Willi Hennig (1913-1976) Grundzüge einer Theorie der phylogenetischen Systematik, 1950.

3. Fülogeneetika (kladistika) on selline bioloogiline süstemaatika, mis klassifitseerib organisme nende ühise päritolu põhjal. Fülogeneetika erineb teistest taksonoomilistest süsteemidest (nt feneetikast) selle poolest, et rõhk on ühiselt esivanemalt päritud uutel tunnustel. Feneetika klassifitseerib üldise sarnasuse alusel, eesmärgiks pole fülogeneesi rekonstrueerimine, kuigi feneetilisi meetodeid saab selleks kasutada.

4. from: Carl Zimmer. Evolution (William Heinemann, 2002) Elu puu Tree of Life Web: http://tolweb.org

5. Tegelik puu – reaalselt toimunud fülogeneesi kujutis. Enamasti pole teada. ÜKS ja ainus • Tuletatud e. konstrueeritud puu – fülogeneesi mudel, hüpotees. Konstrueeritakse olemasolevate andmete põhjal. Võib, kuid ei pruugi olla identne tegeliku puuga. Tavaliselt saab andmetest tuletada mitu puud.

6. =tipp e Operational Taxonomic Unit, OTU =sõlm =sisemine haru =juur(MRCA) Puu välimine haru Puu on matemaatiline struktuur, mida kasutame fülogeneesi mudelina.

7. küülikud hiired kängurud küülikud hiired kängurud Puud on pööratavad, oluline on ainult lahknemistejärjekord evolutsiooniline puu ehk fülogeneetiline puu ehk kladogramm ehk dendrogramm

8. Klaad on monofüleetiline klaster Nt karu ja inimese viimane ühine eellane ning kõik tema järglased. • Fülogeneetilised klastrid jagunevad: • monofüleetiline • parafüleetiline • polüfüleetiline monofüleetiline parafüleetiline parafüleetiline polüfüleetiline

9. imetajad kahepaiksed linnud kalad roomajad amnioodid tetrapoodid selgroogsed

10. Kladistilised meetodid käsitlevad iga tunnust eraldi ja eeldusel, et need on sõltumatud ja diskreetsed, näiteks: • morfoloogilised (purihammaste kuju) • füsioloogilised (imetamine, munemine) • molekulaargeneetilised (nukleotiidid DNA järjestuses).

11. Tunnuse seisund on homoloogne, kui see on päritud ühiselt eellaselt ja homoplaasne, kui on tekkinud sõltumatult. homoloogia homoplaasia Fülogeneetilisi suhteid peegeldavad ainult ühiselt eellaselt päritud tunnused ehk homoloogsed tunnused.

12. lind krokodill sisalik kilpkonn lind krokodill sisalik kilpkonn • kehakatted • jalgade arv • soojasus • kolju • jalgade asend

13. sisalik krokodill lind aeg fenotüüp • Krokodill ja sisalik jagavad ürgseid, plesiomorfseid tunnuseid • Lindude evolutsioon on olnud kiirem

14. vanemad ja uuemad tunnuse seisundid apomorfne plesiomorfne autapomorfne sünapomorfne homoplaasne homoloogne uuem seisund (derived state) vanem seisund (ancestral state)

15. Homoloogiate äratundmiseks on mitu võimalust: • samasugune anatoomiline põhistruktuur • sarnased ühendused kõrvalasetsevate struktuuridega • sarnane embrüoloogiline päritolu ja areng • molekulaarsete andmete puhul tuleb lähtuda enamuskonsensusest ja statistikast.

16. Homoplaasia põhjused paralleelne / konvergentne sekundaarne kaotus ehk reversioon

17. Lindude, pterosauruste ja nahkhiirte tiivad on homoloogsed kui esijäsemed, aga homoplaassed kui lennuvahendid! Lind Nahkhiir 1 2 3 8 9 6 7 4 5 10 1 2 3 8 9 6 7 4 5 10

18. juur juurimata puu juuritud puu juur Tunnuste polaarsuse määramiseks tuleb puud juurida Juur annab puule ajalise mõõtme

20. evolutsioon suht.täielik suht.ebatäielik fossiilide seeria fossiilide seeria Puude juurimiseks ja tunnuste polaarsuse määramiseks sobivad fossiilsed andmed, juhul kui neid on rikkalikult. Näiteks imetajasarnaste roomajate fossiilseid leiud Enamasti on fossiilide seeriad (väga) ebatäielikud ja tekitavad tunnuste polaarsuse määramisel segadust.

21. välisrühm Juurimine välisrühma abil Välisrühma kasutamine eeldab eelteadmisi fülogeneesist - lindude ja imetajate MRCA on vanem kui imetajate MRCA. Välisrühma abil juurimine kasutab parsimoonsuse ehk säästuprintsiipi Antud näitest selgub, et jänestel on lindudega rohkem ühiseid plesiomorfisme kui teistel imetajatel.

22. Universaalse elu puu juurimine Iwabe et a. 1989 kasutades paraloogseid geene, mis olid olemas juba LUCA-l Elongatsioonifaktorite EF-Tu/1α ja EF-G/2 fülogeneesipuu

23. Molekulaarses fülogeneetikas kasutatakse DNA järjestusi (A, T, C, G) või aminohappelisi järjestusi • + • saab võrrelda väga erinevaid organisme • informatsiooni suur hulk, mutatsioone on palju • tunnused on omavahel võrreldavad, on võimalus kasutada matemaatilisi mudeleid • - • homoplaasiate hulk on suur • molekulaarseid homoplaasiaid saab lahendada enamasti ainult konsensuse alusel

24. Fülogeneesi rekonstrueerimine eri tasemeil: • Geeniperekonnad geeniduplikatsioonid, -deletsioonid • Haplotüübid (liigisisene) genealoogia mitterekombineerunud DNA lõikude põhjal • Liigid ja kõrgemad taksonid paljude lookuste põhjal, fülogenoomika

25. Molekulaarse fülogeneetika metoodika (http://evolution-textbook.org -> content -> online chapters):

26. Vali geen: näiteks: ss-rRNA valk geenidevaheline Oluline on, et järjestused varieeruksid piisavalt, et neid eristada, kuid mitte sel määral, et see segab joondamist. Joondamine (alignment) – järjestuste paigutamine selliselt, et kohakuti on homoloogilised nukleotiidid või aminohapped

27. Samade järjestuste kaks võimalikku joondust. Indelitega ja ilma. Joondus on hüpotees. Samadest järjestustest saab teha erinevaid joondusi. Positsiooniliselt homoloogilised nukleotiidid võivad olla identsed konvergentsi tõttu (homoplaasia).

28. liigiteke Homoloogsed geenid: Ortoloogsed - ühisest eellasgeenist liigitekke käigus Paraloogsed - ühisest eellasgeenist duplitseerumise tulemusena Ksenoloogsed - horisontaalse ülekande tulemusena

29. Kui analüüsi satuvad tuvastamata paraloogid: Liigipuid rekonstrueerib fülogenoomika – paljude geenide samaaegne analüüs liikide puu (1(2,3)) geenide puu ((1,2)3)

30. Molekulaarse fülogeneetika metoodika: arvuta puu

31. Fülogeneesipuude konstrueerimise meetodite klassid: • säästumeetod ehk parsimoonsus • distantsmeetod • suurima tõepära ja Bayes`i meetodid

32. Säästumeetod järgib Occami habemenoa ehk säästuprintsiipi - muude asjaolude võrdsuse korral tuleb eelistada lihtsamat hüpoteesi. Otsitakse puud, mis on kõige lühem.

33. Säästumeetodil rekonstrueeritud fülogeneesipuul rekonstrueeritakse ka eellasseisundid

34. Probleemid: võimalike puude arv, mille seast otsida, on väga suur

35. Puude otsingu meetodeid on palju. Neid kasutatakse koos säästu-, distants- ja tõepära meetoditega. Otsingualgoritmid alustavad etteantud puust ning teevad sellesse ükshaaval ümberkorraldusi. Igale uuele puule leitakse pikkus ning kui see on lühem eelmisest, siis tehakse ümberkorraldusi omakorda sellele. Seni kuni lühemat ei leita. näiteks pruning and regrafting

36. “mägironimise” algoritm Tulemus võib sõltuda sellest, millisest alampuust alustada

37. Distantsmeetodid Distantsmeetodid lähtuvad eeldusest, et need kelle viimane ühine eellane elas hiljem, on sarnasemad kui need, kelle oma elas varem. (Distantsmeetodid on oma lähenemiselt feneetilised)

38. Distantsmeetod kasutab algandmetena distantsmaatrikseid Milline on evolutsiooniline kaugus A ja D vahel? evoluts. kaugused puu pealt paariviisilised kaugused joonduselt

39. Reaalsete andmete puhul ei lange vaadeldavad kaugused ja puu kaugused kokku (homoplaasiad) Distantsmeetod otsib puud, mille korral kokkulangevus vaadeldavate distantside ja puu distantside vahel oleks suurim. • Võib otsida paljude puude seast sobivaimat • või kasutada algoritmi, mis konstrueerib distantside põhjal ühe puu ->

40. UPGMA kaalumata paaride meetod aritmeetilise keskmisega on distantsmeetod, mis kasutab klasterdamisalgoritmi Eeldus: evolutsiooni kiirus on konstantne

41. UPGMA

42. Kui evolutsioonikiirus ei ole konstantne, siis konstrueerib UPGMA puu, mille topoloogia on vale Vale! distantsmaatriks tegelik evolutsioon UPGMA puu:

43. Naabrite ühendamise meetod kasutab klasterdamisalgoritmi puu topoloogia ja harupikkuste leidmiseks distantsmaatriksi alusel nii, et puu pikkus oleks lühim

44. naabrite ühendamise meetod

45. säästumeetod distantsmeetod

46. Mutatsiooniline küllastumine DNA erinevuse määr (%) lahknemisaeg

47. Evolutsiooniline kaugus on muutuste hulk

48. Distantsmaatriksites kasutatakse enamasti parandatud kaugusi, mis arvestavad mitmekordse muteerumisega. Eeldatav asenduste hulk parandus vaadeldav asenduste hulk lahknemisaeg tuuma rRNA mitokondr. rRNA

49. Kauguste parandamine Jukes-Cantori meetodil D – parandatud kaugus λ – vaadeldud kaugus (erinevuste osakaal) • Jukes-Cantori DNA evolutsiooni mudeli eeldused • kõik nukleotiidid võivad muutuda kõigiks nukleotiidideks sama suure tõenäosusega • järjestused sisaldavad igat nukleotiidi 25%

50. Eeldusi DNA aluspaaride muteerumiste tõenäosuste kohta nimetatakse DNA evolutsiooni mudeliks • geneetiliste kauguste parandamiseks • järjestuste joondustele skooride andmiseks • säästumeetodil saadud puule skooride andmiseks • suurima tõepära meetodi rakendamisel puudele skooride andmiseks