Модели молекулярной эволюции, кладистика по Хеннигу

Модели молекулярной эволюции
ДНК:
1 5 10
tagcaaaatg

Соотношения между нуклеотидными
заменами и нуклеотидными различиями
Единичная замена
Множественные замены
Параллельные замены
Конвергентные замены
Обратная замена
Одновременные замены
в разных линиях

Единичная замена
Множественные замены
Параллельные замены
Конвергентные замены
Обратная замена
Одновременные замены
в разных линиях
Число нуклеотидных замен ≥ числа наблюдаемых нуклеотидных различий

явные и скрытые генетические дистанции
1
10
20
30
Что такое генетическая дистанция?
d = p, где p – доля различающихся сайтов
d – это “сырая” дистанция
d = 3/32=9.375%

Единичная замена
Множественные замены
Число нуклеотидных замен ≥ числа наблюдаемых нуклеотидных отличий
Проблема дистанций состоит в том, что наблюдаемые дистанции
могут быть меньше, чем реальные дистанции, так как не все
замены видны при сравнении сиквенсов

Наблюдаемые генетические дистанции как правило меньше реальных эволюционных дистанций, так как есть скрытые замены
Но как выявить эти реальные эволюционные дистанции?
Нужно знать возраст таксонов (время дивергенции) и скорость замен

Закономерности накопления замен

ACGTACGTAC
CCGTACGTAC
ACGTACGTAC
Первая замена - в сайте 1. d=0.1
Наблюдаемая дистанция = реальной дистанции

CCGAACGTAC
ACGTACGTAC
Вторая замена –
Имеется вероятность 0.1, что она будет повторной
(т.е. тоже в сайте 1) и вероятность 0.9, что она будет неповторной
Если она все же будет в первой позиции, то
Наблюдаемая дистанция = 0.1 (или даже 0),
а истинная дистанция = 0.2
Но скорее всего (с вероятностью 0.9), вторая замена не будет в сайте 1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

CGTACGTACG
ACGTACGTAC
Третья замена имеет большую вероятность быть повторной,
четвертая – еще большую, и. т.д.
Т.е. чем больше замен, тем больше вероятность повторных замен.
Если все 10 позиций испытали замены,
то любая следующая замена будет повторной.
После этого замены продолжают накапливаться,
а наблюдаемые различия не растут

Зависимость между временем дивергенции и числом наблюдаемых
нуклеотидных отличий в гене CytB у жвачных копытных животных
Происходит насыщение нуклеотидными заменами –
число замен растет, но уровень отличий выходит
на плато и не меняется
NB: каждая точка – это пара особей разных линий

“Сырые” (нескорректированные)
генетические дистанции легко
вычислить, но они могут быть
сильно занижены.
Необходима коррекция
Ее можно сделать с
использованием моделей,
которые учитывают разницу
в эволюции разных признаков

Purines = adenin and guanine
Pirimidines = cytosine and thymine

Кривые накопления повторных замен для транзиций и трансверсий
Каждая точка –
это сравнение,
т.е. пара видов

Кривая накопления транзиций по отношению к трансверсиям

Генетический код
Замена в первой позиции кодона ведет к замене аминокислоты
Замена в третьей позиции кодона как правило синонимична
—› нуклеотиды в третьей позиции эволюционируют быстрее

Кривые накопления повторных замен для третьей и первой позиций кодона

Какие параметры можно извлечь из нуклеотидного выравнивания?
1
10
20
30

Какие параметры можно извлечь из нуклеотидного выравнивания?
(1) Длина
(2) Доля изменчивых сайтов
(3) Доля инвариантных сайтов
(4) Соотношение нуклеотидов разных типов
(5) Доля транзиций и трансверсий
(6) Доля нуклеотидных замен разных типов
(7) Все это (2-6) отдельно для каждой позиции кодона
(8) Доля синонимичных и несинонимичных замен
(9) Доля синонимичных и несинонимичных замен
отдельно для каждой позиции кодона
(10) Распределение замен по длине нуклеотидной последовательности
1
10
20
30

Какие параметры можно извлечь из нуклеотидного выравнивания?
Длина выравнивания
Зависит от задач и технических возможностей
1
10
20
30

Какие параметры можно извлечь из нуклеотидного выравнивания?
(2) Доля изменчивых сайтов
(3) Доля инвариантных сайтов
1
10
20
30

Какие параметры можно извлечь из нуклеотидного выравнивания?
(4) Соотношение нуклеотидов разных типов (A C G T)
1
10
20
30

Какие параметры можно извлечь из нуклеотидного выравнивания?
(5) Доля транзиций и трансверсий
1
10
20
30

Какие параметры можно извлечь из нуклеотидного выравнивания?
(6) Доля нуклеотидных замен разных типов
1
10
20
30

Какие параметры можно извлечь из нуклеотидного выравнивания?
(7) Все это (2-6) отдельно для каждой позиции кодона
1
10
20
30

Какие параметры можно извлечь из нуклеотидного выравнивания?
(8) Доля синонимичных и несинонимичных замен
(9) Доля синонимичных и несинонимичных замен
отдельно для каждой позиции кодона
(10) Распределение замен по длине нуклеотидной последовательности
1
10
20
30

Предпосылки
1) нуклеотидные замены одного типа равновероятны в разных частях одного гена
2) нуклеотидные замены обратимы (здесь не работает принцип необратимости эволюции) (A <-> T)
Модели нуклеотидных замен

Если вероятности нуклеотидных замен (p) и частоты нуклеотидов (f) константны во времени, то суммарная эволюционная дистанция ( доля измененных нуклеотидов) =
Где t это время, PAC –
PAC = PCA

Если вероятности нуклеотидных замен (p) и частоты нуклеотидов (f) константны во времени, то суммарная эволюционная дистанция ( доля измененных нуклеотидов) =

частоты нуклеотидов и доли замен разного типа берутся непосредственно из выравнивания

JC
Вероятности всех замен одинаковы, частоты нуклеотидов равны
D=
D = -(3/4)ln(1-4/3
где p – это сырая дистанция

Двухпараметрическая модель Кимуры K2P
Вероятности транзиций и трансверсий разные,
частоты нуклеотидов равны
α – транзиция
β - трансверсия

F81
Вероятности всех замен одинаковы, но частоты нуклеотидов разные

HKY model
Вероятности транзиций и трансверсий разные,
частоты нуклеотидов разные

REV
Вероятности ВСЕХ ЗАМЕН разные,
частоты нуклеотидов разные

Чем хороши и чем плохи сложные и простые модели?

Условия, при которых работают эти модели
Это стохастические модели, которые предполагают, что все замены случайны и независимы друг от друга
А если нет …

Структура 18S rDNA

18S rDNA
(фрагмент)
18S rDNA
(фрагмент)

Условия, при которых работают эти модели
Все замены случайны и независимы друг от друга
А если нет …
Зависимые компенсаторные замены

Общие принципы построения филогений
1) Анализ признаков,
2) выбор оптимальной модели эволюции признака,
3) выбор методов и алгоритмов для построения дерева

Подходы к выявлению филогений
традиционный (Геккелевский, эмпирико-интуитивный)
традиционная кладистика (Hennig, 1950, 1966)
фенетика
метод максимальной парсимонии
метод максимального правдоподобия
метод Байеса
методы, основанные на анализе генетических дистанций

Традиционный (эмпирико-интуитивный) метод выведения филогений
Строго научный и, как правило, очень качественный анализ признаков сочетается с частично или полностью интуитивным методом их филогенетического обобщения,
то есть с отсутствием универсальных, четких и формализованных алгоритмов филогенетического анализа
Модели эволюции примитивны и не формализованы

По Геккелю филогенетика – наука о путях,
закономерностях и причинах исторического
развития организмов
Ernst Haeckel (1834-1919)

Н.Я.Кузнецов. Насекомые чешуекрылые. Т. 1. Фауна России. Петроград, 1915
Однако обоснование филогений ограничивается словами: «Я предлагаю принять филогенетические отношения, представленные на рисунках»
великолепный анализ морфологии
Выявление гомологий

“Недавно в лабораторию [Моргана]пришла почта с произведениями Северцова с многочисленными филогенетическими древесами, на которые я указал Моргану. Его реплика была такова: “Я думал, что такие идиоты могут существовать только в Museum of Natural History”. После этого я со сладострастием наблюдал, как все это пошло на свалку”
Ф.Г. Добржанский (из письма к Ю.А.Филипченко, 23 июля 1928)
Ф.Г.Добржанский
фото 1935 г.

Традиционная кладистика (Hennig, 1950, 1966)
Хенниг предложил строго научные принципы перехода от анализа признаков к реконструкции филогений
Willi Hennig
(1913-1976)

Признаки
Негомологичные (гомоплазии)
Гомологичные
Плезиоморфии
Апоморфии
Синапоморфии

Гомоплазии – независимо возникшие признаки. Они не несут никакой информации о филогении
1 - гомоплазия

Плезиоморфии – древние (=исходные; =примитивные) гомологичные признаки. Они не несут никакой информации о топологии поздних ветвлений.

Апоморфия – новый
(=продвинутый; =производный; =прогрессивынй)
гомологичный признак.
Единичная апоморфия, возникшая в концевой ветви, метит только эту ветвь
и не несет никакой информации о топологии
Апоморфия является специфическим маркером эволюционной линии

Но если апоморфия возникла до разделения ветвей и передалась в обе ветки, то наличие такой апоморфии указывает на существование клады, состоящей из двух таксонов.
Такая апоморфия называется синапоморфией.
Синапоморфия несет информацию о филогении!!!

Для построения филогении трех таксонов (два ветвления) необходимо наличие одной синапоморфии
Для построения филогении трех таксонов (два ветвления) необходимо наличие одной синапоморфии

В общем виде для полного разрешения филогении, включающей n ветвлений, необходимо и достаточно n-1 синапоморфий (по одной на каждый узел, кроме базального)
В общем виде для полного разрешения филогении, включающей n ветвлений, необходимо и достаточно n-1 синапоморфий (по одной на каждый узел, кроме базального)

Филогения строится как система соподчиненных (вложенных одна в другую) клад (монофилетических групп), каждая из которых выявляется по наличию синапоморфий

Модель эволюции в кладистике по Геннигу
Топология - строгая дихотомия
Процесс – накопление синапоморфий.

Алгоритм анализа
Одна истинная синапоморфия может разрешить узел ветвления филогенетического дерева
Выявление филогении – многоступенчатый процесс выдвижения и тестирования филогенетических гипотез, в ходе которого представление о филогенезе постепенно уточняется и конкретизируется

Построение молекулярного дерева с использованием кладистики по Хеннигу
1 AAGT
2 AAGT
3 ACGT

Построение молекулярного дерева таксонов 1-4 с использованием кладистики по Хеннигу
1 AAGTT
2 AAGTT
3 ACGTT
4 ACGTA
5 ACGTA
6 ACGTA
7 ACGTA

Состояние ACGTA плезиоморфно
1 AAGTT
2 AAGTT
3 ACGTT
4 ACGTA
5 ACGTA
6 ACGTA
7 ACGTA

A во второй позиции – синапоморфия 1 + 2
1 AAGTT
2 AAGTT
3 ACGTT
4 ACGTA
5 ACGTA
6 ACGTA
7 ACGTA

T в пятой позиции –
синапоморфия 1 + 2 +3
1 AAGTT
2 AAGTT
3 ACGTT
4 ACGTA
5 ACGTA
6 ACGTA
7 ACGTA

Проблема гомоплазий
Презумпция: Синапоморфии встречаются чаще, чем гомоплазии

Конфликт между потенциальными синапоморфиями
1 AAGTT
2 AACTT
3 ACCTT
4 ACGTT

Принципы традиционной кладистики
Если возникает конфликт между потенциальными синапоморфиями, то основной путь его решения – переисследование материала, поиск и изучение дополнительных признаков и таксонов

Другие проблемы генниговской кладистики:
“Надежных” синапоморфий может быть мало, недостаточно для того, что разрешить все узлы ветвления разрабатываемой филогении

Проблемы традиционной кладистики
“Надежных” синапоморфий может быть мало, недостаточно для того, что разрешить все узлы ветвления разрабатываемой филогении
отбрасывая «ненадежные» признаки, мы теряем филогенетическую информацию, так как «ненадежные» признаки также могут содержать филогенетический сигнал

Проблемы традиционной кладистики
“Надежных” синапоморфий может быть мало, недостаточно для того, что разрешить все узлы ветвления разрабатываемой филогении
отбрасывая «ненадежные» признаки, мы теряем филогенетическую информацию, так как «ненадежные» признаки также могут содержать филогенетический сигнал
Реконструируется только топология!

Картины филогенезов, которуе создает кладистический (по Геннигу и парсимониальный) анализ, неполны и однобоки:
Анагенез не учитывается
Ретикулогенез (слияния+интрогрессии) не выявляется
Некоторые узлы принципиально не могут быть выявлены

Принцип монофилии лежит
в самой основе алгоритма
построения дерева в
хенниговской кладистике.
Сипапоморфии однозначно
определяют только
монофилетические линии,
а немонофилетические
группы, например,
парафилетические
группировки
не могут быть
определены однозначно.

Кладизм объявляет парафилетические группы вне закона просто по той причине, что он не умеет их выявлять
(поскольку парафилетические группы не имеют синапоморфий)

Проблемы парафилетических таксонов
1+2 = парафилетический таксон. Признак A не уникален, признак B характеризует лишь часть таксона 1+2 и тоже не уникален
1+3 = парафилетический таксон. Признак A не уникален, признак B характеризует лишь часть таксона 1+3 и тоже не уникален
Существует несколько вариантов частично
пересекающихся парафилетических таксонов

Монофилетический таксон - группа, которая включает предка и всех его потомков
Монофилетические группы могут иметь синапоморфии
A – это синапоморфия таксона 1+(2+3)
→ A однозначно характеризует таксон 1+(2+3)
B, синапоморфия таксона 2+3
→ B однозначно характеризует таксон 2+3
Другие варианты монофилетических таксонов не существуют

Перипатрическое видообразование: предковый таксон при этом не исчезает, но он становится парафилетическим.
Несмотря на парафилию, такой вид представляет собой единое репродуктивное сообщество, изолированное от дочерних видов

Филогеография медведей, основанная на кладистическом анализе (MP) нуклеотидных замен в митохондриальном геноме (Avise, 2004)

Кладистика по Геннигу остается рабочим инструментом филогенетики!

Фенетика
В кладистике процедура выявления гомологичных признаков (дифференциация от гомоплазий) не формализована. Это может быть причиной субъективизма

Фенетика
Отказ от доминирования принципа гомологии (в фенетике все признаки имеют равный вес)
Степень родства = степени сходства
+ попытка ввести объективность в систематику и филогенетику
+ широкое внедрение методов статистики в систематику

Фенетика
Кластерный анализ (выявление группировок по степени их сходства).
Иерархии таких группировок можно интерпретировать в качестве филогении.

Фенетика
Пример научной, но неправильной (неадекватной) методологии
Научность – строгое следование принципам научной логики, избегание субъективизма
Неправильность – основана на неадекватной аксиоматике (на ложных предпосылках)

Традиционная и нумерическая кладистика
Увеличение числа признаков приводит к противоречиям между предполагаемыми синапоморфиями, которые свидетельствуют о наличии гомоплазий
При наличии противоречий между “синапоморфиями” возможны разные варианты филогении
Как выбрать правильный вариант?

Если возникает конфликт между потенциальными синапоморфиями, то есть два пути его решения:
1)переисследование материала, поиск и изучение дополнительных признаков и таксонов с целью выявления “истинных” синапоморфий - Традиционная кладистика

Если возникает конфликт между потенциальными синапоморфиями, то есть два пути его решения:
1)переисследование материала, поиск и изучение дополнительных признаков и таксонов с целью выявления “истинных” синапоморфий
2) наоборот - использование большого числа признаков, получение нескольких (многих) деревьев и выбор “лучшего” из них c использованием определенного критерия -нумерическая кладистика

Нумерическая кладистика и метод максимальной парсимонии
При наличии противоречий между “синапоморфиями” возможны разные варианты филогении
Как выбрать “правильное” дерево?
- критерий максимальной парсимонии

Метод максимальной парсимонии
(наибольшей экономии)

Нет гомоплазий – одно возможное дерево
Число шагов (L) = 3
Сай4 – инвариантный, сайт 3 - вариабельный

Первое дерево более парсимониальное, оно короче
Происходит голосование “синапоморфиями”

в реальности у нас исходно нет ни топологии дерева, ни распределения признаков по нему, ни анцестрального состояния.
Как все это найти?

Шаг 1: выявление признаков и их состояний
Признак – цвет глаз
Состояния – коричневый, голубой, зеленый
Признак – группа крови
Состояния – первая, вторая, третья, четвертая

Признак – цвет глаз
Состояния – коричневый (0), голубой (1), зеленый (2)
Признак – группа крови
Состояния – первая (0), вторая (1), третья (2), четвертая (3)
Шаг 2: кодирование признаков и их состояний
0 – обычно анцестральное состояние

Шаг 3: Составление матрицы признаков

Бинарная матрица
Матрица множественных состояний

Нуклеотидное (или аминокислотное) выравнивание – это уже готовая матрица признаков
4 состояния – A C G T

Шаг 4: выбор модели эволюции
Модель Камина-Сокола (Camin- Sokal parsimony): анцестральное состояние известно, тогда 0 —› 1
Всегда дает укорененное дерево

Модель Долло (Dollo parsimony) (основана на принципе необратимости эволюции) - допускаются изменения признака в любую сторону, но только один раз (вернее повторные изменения менее вероятны)

Модель Фитча-Вагнера (Fitch-Wagner parsimony) – симметричная модель
0 <—› 1
дерево неукорененное!!!

Модель Фитча-Вагнера (Fitch-Wagner parsimony) для множественных состояний признака
0 <—› 1
0 <—› 2
0 <—› 3
1 <—› 2
1 <—› 3
2 <—› 3
дерево неукорененное!!!