Молекулярная эволюция и филогенетика

Содержание

Слайд 2

Лухтанов Владимир Александрович

кафедра энтомологии СПбГУ
отделение кариосистематики Зоологического института РАН
Тел. +7(960) 2758672
[email protected]

Лухтанов Владимир Александрович кафедра энтомологии СПбГУ отделение кариосистематики Зоологического института РАН Тел. +7(960) 2758672 lukhtanov@mail.ru

Слайд 3

V. Lukhtanov

University of Florida: curator at the Lepidoptera collection (Palearctic butterflies) http://www.flmnh.ufl.edu/mcguire/profiles/lukhtanov.htm
Harvard

V. Lukhtanov University of Florida: curator at the Lepidoptera collection (Palearctic butterflies)
University: associated researcher at Museum of Comparative Zoology
http://www.mcz.harvard.edu/Departments/Entomology/people.html

Слайд 4

CV

http://www.entomology.bio.pu.ru/lukhtanov_front.htm
http://www.bio.spbu.ru/staff/id110_val.php

CV http://www.entomology.bio.pu.ru/lukhtanov_front.htm http://www.bio.spbu.ru/staff/id110_val.php

Слайд 5

Прогресс в науке связан с появлением и развитием новых методов научного анализа
Сравнительный

Прогресс в науке связан с появлением и развитием новых методов научного анализа
метод (XVIII и XIX век)

Слайд 6

генетический анализ (1865, начало XX века) выявление генетических связей между особями и популяциями

Gregor

генетический анализ (1865, начало XX века) выявление генетических связей между особями и популяциями Gregor Mendel (1822-1884)
Mendel
(1822-1884)

Слайд 7

Однако за рамками генетического (гибридологического) анализа остается гигантский круг проблем и биологических

Однако за рамками генетического (гибридологического) анализа остается гигантский круг проблем и биологических
объектов:

генетические связи существуют не только между особями и популяциями, они есть и между видами и эволюционными линиями
Но как эти связи выявить, если скрещивания между отдаленно родственными организмами невозможны?

Слайд 8

Филогенетический анализ: выявление генетических (генеалогических) связей между видами и эволюционными линиями более высокого ранга

Филогенетический анализ: выявление генетических (генеалогических) связей между видами и эволюционными линиями более высокого ранга

Слайд 9

В чем отличие этого курса от других подобных?

Поваренные книги (cookbooks)
Серьезные монографии

В чем отличие этого курса от других подобных? Поваренные книги (cookbooks) Серьезные монографии

Слайд 10

http://www.tok.ro/toksite/downloads/Bioinformatika/Konyvek/konyvek%20bioinfo%20fejezetekkel%20+%20bioinfo%20konyvek/halado/Molecular%20Evolution%20A%20Phylogenetic%20Approach.pdf

http://www.tok.ro/toksite/downloads/Bioinformatika/Konyvek/konyvek%20bioinfo%20fejezetekkel%20+%20bioinfo%20konyvek/halado/Molecular%20Evolution%20A%20Phylogenetic%20Approach.pdf

Слайд 11

Структура курса

Лекции
Практические занятия по освоению программ филогенетического анализа
Самостоятельная работа: филогенетический анализ собственных

Структура курса Лекции Практические занятия по освоению программ филогенетического анализа Самостоятельная работа:
(или самостоятельно извлеченных из ГенБанка) молекулярных данных
Зачет: обсуждение самостоятельной работы + вопросы по курсу

Слайд 12

Задача курса: не просто рассказать, что можно сделать с использованием молекулярных признаков, но и

Задача курса: не просто рассказать, что можно сделать с использованием молекулярных признаков,
показать, как это можно сделать вообще и своими руками в частности

Слайд 13

ДНК хранит информацию о плане строения организма,
и эту информацию организм использует

ДНК хранит информацию о плане строения организма, и эту информацию организм использует
для построения самого себя.
Прочесть ее не очень трудно – есть буквы (нуклеотиды), и есть генетический год, который однозначно определяет связь между ДНК и белком
Хотя в реальности все сложнее, но суть остается прежней: мы читаем эту запись в ДНК как книгу.

Слайд 14


Но эта не единственная информация, хранящаяся в ДНК и других макромолекулах,

Но эта не единственная информация, хранящаяся в ДНК и других макромолекулах, есть
есть еще информация об истории организмов, об их прошлом.
Но извлечь ее гораздо труднее, более того – извлечь ее можно только при сравнении нескольких объектов
В курсах генетики и молекулярной биологии говорилось об информации первого типа (кодирование белков)
В филогенетике – расшифровка информации второго типа – об истории.

Слайд 15

Документы (ДНК)

Документы
(ДНК)

Материальные свидетельства
(ископаемые формы)

+

+

Реконструкция истории

Эволюционная биология – историческая наука.

Документы (ДНК) Документы (ДНК) Материальные свидетельства (ископаемые формы) + + Реконструкция истории

Общая методология всех исторических наук: использованием вещественных свидетельств
(археология, палеонтология) + документы (записи).
В биологии до недавнего времени документов не было, пока нее научились читать ДНК

Слайд 16

- Что можно делать с использованием ДНК?
– Расшифровывать эволюционную историю организмов!

- Что можно делать с использованием ДНК? – Расшифровывать эволюционную историю организмов!

Слайд 17

Расшифровка истории на разных уровнях

Расшифровка истории на разных уровнях

Слайд 18

The time will come, I believe, though I shall not live to

The time will come, I believe, though I shall not live to
see it, when we shall have fairly true genealogical trees of each great kingdom of Nature. Charles Darwin

Слайд 19

Филогенетические отношения между живыми организмами (на основании анализа рибосомальной РНК)

Филогенетические отношения между живыми организмами (на основании анализа рибосомальной РНК)

Слайд 20

(по: Клюге, 2000,
с изменениями)

Представление о филогении членистоногих, которое недавно считалось классическим: насекомые

(по: Клюге, 2000, с изменениями) Представление о филогении членистоногих, которое недавно считалось
(Hexapoda) и многоножки (Myriapoda) – сестринские группы

Слайд 21

Молекулярная филогения членистоногих (Regier et al., 2008

Молекулярная филогения членистоногих (Regier et al., 2008

Слайд 22

Glenner H. et al. 2006 (Science, vol. 314) Происхождение насекомых: Морские раки >пресноводные

Glenner H. et al. 2006 (Science, vol. 314) Происхождение насекомых: Морские раки >пресноводные раки>насекомые
раки>насекомые

Слайд 23

даман

даман

Слайд 26

Прыгунчики

Златокроты

Даманы

Трубкозуб

Сирены

Клада Afrotheria выделяется на основании молекулярных
данных

Прыгунчики Златокроты Даманы Трубкозуб Сирены Клада Afrotheria выделяется на основании молекулярных данных

Слайд 27

Молекулярная систематика отряда китопарнокопытных

Молекулярная систематика отряда китопарнокопытных

Слайд 28

Происхождение
человека

До появления молекулярных данных

После появления
первых молекулярных
данных

Происхождение человека До появления молекулярных данных После появления первых молекулярных данных

Слайд 29

Молекулярная эволюция и филогенетика

Молекулярная эволюция и филогенетика

Слайд 30

Истрия

История одной
ВИЧ-
инфекции
(история
флоридского
стоматолога)
(Science, 1992,
256:1165-1171)

Истрия История одной ВИЧ- инфекции (история флоридского стоматолога) (Science, 1992, 256:1165-1171)

Слайд 31

Молекулярные филогении

В систематике
В молекулярной биологии
В эволюционной биологии
Систематика – молекулярная филогенетика ее естественная

Молекулярные филогении В систематике В молекулярной биологии В эволюционной биологии Систематика –
часть
Молекулярная биология - молекулярная филогенетика также ее естественная часть, если говорить об эволюции макромолекул
Эволюционная биология - молекулярная филогенетика также ее естественная часть, костяк для любой эволюционной идеи

Слайд 32

Но и
Экология, этология… да и все остальные разделы биологии
Медицина, ветеринария, криминалистика и

Но и Экология, этология… да и все остальные разделы биологии Медицина, ветеринария, криминалистика и многое другое
многое другое

Слайд 33

Основные понятия филогенетики и свойства филогенетических деревьев: термины, определения, аксиомы и некоторые

Основные понятия филогенетики и свойства филогенетических деревьев: термины, определения, аксиомы и некоторые теоремы
теоремы

Слайд 34

Деревья (trees)

«…великое Дерево Жизни заполняет земную кору своими мертвыми и сломанными ветвями

Деревья (trees) «…великое Дерево Жизни заполняет земную кору своими мертвыми и сломанными
и покрывает поверхность вечно ветвящимися и прекрасными побегами»
Ч. Дарвин

Слайд 35

Задача построения филогенетического дерева

Математическая задача – задача комбинаторной оптимизации: на основе [биологических]

Задача построения филогенетического дерева Математическая задача – задача комбинаторной оптимизации: на основе
данных получить дерево, возможно лучше согласованное с этими данными.

Биологические задачи:
сравнение 3-х и более объектов
(кто на кого более похож .... )
реконструкция эволюции
(кто от кого, как и когда произошел…)

Слайд 36

Реальные события : Признаки: Построенное дерево

эволюция в природе или

Реальные события : Признаки: Построенное дерево эволюция в природе или в например,
в например, древовидный граф,
лаборатории, а.к. последо- вычисленный на основе
компьютерная симуляция вательности или данных, может
количество отражать или не
щетинок отражать реальные
события

>Seq4 GCGCTGFKI
. . . . .

>Seq1 ASGCTAFKL
. . .

>Seq3 GCGCTLFKI

A -> G

I -> L

Слайд 37

Типы филогенеза

Типы филогенеза

Слайд 38

В ходе филогенеза возникают и меняются признаки. Признаки – это следы филогенеза,

В ходе филогенеза возникают и меняются признаки. Признаки – это следы филогенеза,
которые мы можем использовать для реконструкции филогении

Слайд 39

Аксиома филогенетики: Филогения таксонов и траектории эволюционных трансформаций признаков, характерных для этих таксонов,

Аксиома филогенетики: Филогения таксонов и траектории эволюционных трансформаций признаков, характерных для этих таксонов, конгруэнтны
конгруэнтны

Слайд 40

Носители нового признака могут погибнуть, и эволюционная траектория признака останется в виде

Носители нового признака могут погибнуть, и эволюционная траектория признака останется в виде точки
точки

Слайд 41

Филогения таксонов и траектория трансформаций признака не тождественны, однако они конгруэтны, поскольку

Филогения таксонов и траектория трансформаций признака не тождественны, однако они конгруэтны, поскольку траектория остается внутри филогении
траектория остается внутри филогении

Слайд 42

Филогенетические траектории признаков (1 и 2) не вполне совпадают с реальной филогенией

Филогенетические траектории признаков (1 и 2) не вполне совпадают с реальной филогенией
(A+B)+C

Это приводит к разным
реконструкциям одной филогении

Слайд 43

Поскольку траектории отдельных признаков не выходят за пределы филогении, то они конгруэнтны,

Поскольку траектории отдельных признаков не выходят за пределы филогении, то они конгруэнтны,
и восстановлении филогении по их совокупности возможно

Слайд 44

Дерево: основная терминология

Дерево: основная терминология

Слайд 45

Деревья (и их части) можно вращать в районе любого узла

Деревья (и их части) можно вращать в районе любого узла

Слайд 46

“Разрешенная” и “неразрешенная” филогения

Что такое “частично разрешенная филогения?”

“Разрешенная” и “неразрешенная” филогения Что такое “частично разрешенная филогения?”

Слайд 47

Политомия
бывает
“жесткая”
и
“мягкая”

Политомия бывает “жесткая” и “мягкая”

Слайд 48

Представление филогении в виде дерева

Графические и буквенное представления
одного и того же

Представление филогении в виде дерева Графические и буквенное представления одного и того же дерева
дерева

Слайд 49

Топология дерева — только листья, узлы, (корень) и связывающие их ветви

Топология дерева — только листья, узлы, (корень) и связывающие их ветви (топология
(топология не зависит от способа изображения дерева)

A

B

C

D

E

A

B

C

C

D

E

Два изображения одной и той же топологии

Слайд 50

Филограмма:
длина ветвей пропорциональна эволюционному расстоянию между узлами

Кладограмма:
представлена только топология, длина ветвей

Филограмма: длина ветвей пропорциональна эволюционному расстоянию между узлами Кладограмма: представлена только топология,
игнорируется

0.1 substitutions per site

Arabidopsis

Caenorhabditis

Drosophila

Anopheles

Tenebrio

Trout

Mus

Как измерить расстояние?

Слайд 51

Филогения и ее представления в виде кладограммы, аддитивного дерева и ультраметрического дерева

Филогения и ее представления в виде кладограммы, аддитивного дерева и ультраметрического дерева

Слайд 52

Что означают горизонтальная и вертикальная оси?

Что означают горизонтальная и вертикальная оси?

Слайд 53

Укорененное дерево

Неукорененное дерево

Укорененное дерево Неукорененное дерево

Слайд 55

Число таксонов (сиквенсов) и число топологий, которые можно получить на их основе

Если

Число таксонов (сиквенсов) и число топологий, которые можно получить на их основе
число таксонов равно n, существует (2n-3)!!
разных бинарных укоренных деревьев.
(2n-3)!! – это нечто вроде факториала, но
учитываются только четные числа.

Сколько из них правильных ?

Слайд 56

Три способа изображения эволюционных изменений на дереве

Три способа изображения эволюционных изменений на дереве

Слайд 57

Части дерева: группы и клады

Части дерева: группы и клады

Слайд 58

Монофилетическая группа называется кладой

Предковый таксон и ВСЕ его потомки

Монофилетическая группа называется кладой Предковый таксон и ВСЕ его потомки

Слайд 59

Монофилетический таксон = клада =
ветвь = ветка = линия

Монофилетический таксон = клада = ветвь = ветка = линия

Слайд 60

Произвольное объединение двух и более терминальных таксонов

Произвольное объединение двух и более терминальных таксонов

Слайд 61

Парафилия: из явно монофилетической группы вычитаем один или
более таксонов
Одни считают, что

Парафилия: из явно монофилетической группы вычитаем один или более таксонов Одни считают,
это частный случай полифилии
Другие – неполноценная монофилия
Ветка – это естественная часть дерева
Обламанная ветка не вполне естественна

Слайд 62

Sauropsida

Sauropsida

Слайд 63

Консенсусные деревья

H – human; C – chimpanzee; G – gorilla; O –

Консенсусные деревья H – human; C – chimpanzee; G – gorilla; O
orangutan; B - gibbon

Слайд 64

H – human; C – chimpanzee; G – gorilla; O – orangutan;

H – human; C – chimpanzee; G – gorilla; O – orangutan;
B - gibbon

Строгий консенсус и консенсус по правилу большинства

Имя файла: Молекулярная-эволюция-и-филогенетика-.pptx
Количество просмотров: 436
Количество скачиваний: 4