ΦΥΣΙΚΗ ΑΝΘΡΩΠΟΛΟΓΙΑ. Πρωτεύοντα ΙΙΙ Χρήση µοριακών δεδοµένων

Transcript

1 ΦΥΣΙΚΗ ΑΝΘΡΩΠΟΛΟΓΙΑ Πρωτεύοντα ΙΙΙ Χρήση µοριακών δεδοµένων

2 Φυλογένεση Η φυλογένεσης αφορά την ανεύρεση των συνδετικών εκείνων κρίκων που συνδέουν τα διάφορα είδη µεταξύ τους εξελικτικά, σε µονοφυλετικές οµάδες, αντικατοπτρίζοντας ένα κοινό πρόγονο. Τα είδη αποτελούνται από γεωγραφικά δοµηµένους πληθυσµούς, µερικοί από τους οποίους µπορεί να έχουν µικρή ή καθόλου γενετική επαφή για µεγάλο χρονικό διάστηµα.

3 Φυλογενετικά πρότυπα Όταν ένας πληθυσµός χωρίζεται σε δύο αποµονωµένους υποπληθυσµούς, τότε οι απλότυποι του αρχικού πληθυσµού µοιράζονται στους υποπληθυσµούς µε λίγο - πολύ τυχαίο τρόπο. Σε µια τέτοια περίπτωση τα πιθανά παρατηρούµενα φυλογενετικά πρότυπα είναι τρία: 1)Μονοφυλετικότητα, όπου όλοι οι απλότυποι µέσα σε κάθε θυγατρικό πληθυσµό είναι πιο συγγενικοί µεταξύ τους παρά µε τους απλότυπους του άλλου πληθυσµού. 2)Παραφυλετικότητα, όταν ενώ όλοι οι απλότυποι του ενός πληθυσµού είναι πιο συγγενικοί µεταξύ τους, ορισµένοι απλότυποι του δεύτερου πληθυσµού είναι συγγενικότεροι µε κάποιους απλότυπους του πρώτου πληθυσµού 3)Πολυφυλετικότητα, όπου οι απλότυποι του ενός πληθυσµού είναι πιο συγγενικοί µε κάποιους του άλλου πληθυσµού παρά µεταξύ τους

4 Φυλογενετικά πρότυπα Όταν ένας πληθυσµός χωρίζεται σε δύο αποµονωµένους υποπληθυσµούς, τότε οι απλότυποι του αρχικού πληθυσµού µοιράζονται στους υποπληθυσµούς µε λίγο - πολύ τυχαίο τρόπο. Σε µια τέτοια περίπτωση τα πιθανά παρατηρούµενα φυλογενετικά πρότυπα είναι τρία: 1)Μονοφυλετικότητα, όπου όλοι οι απλότυποι µέσα σε κάθε θυγατρικό πληθυσµό είναι πιο συγγενικοί µεταξύ τους παρά µε τους απλότυπους του άλλου πληθυσµού. 2)Παραφυλετικότητα, όταν ενώ όλοι οι απλότυποι του ενός πληθυσµού είναι πιο συγγενικοί µεταξύ τους, ορισµένοι απλότυποι του δεύτερου πληθυσµού είναι συγγενικότεροι µε κάποιους απλότυπους του πρώτου πληθυσµού 3)Πολυφυλετικότητα, όπου οι απλότυποι του ενός πληθυσµού είναι πιο συγγενικοί µε κάποιους του άλλου πληθυσµού παρά µεταξύ τους

5 Φυλογενετικά δέντρα Δενδροειδής αναπαράσταση που απεικονίζει τις εξελικτικές σχέσεις ανάµεσα σε µια οµάδα οργανισµών Ειναι ένα γράφηµα από 1.Κόµβους (λειτουργικές ταξινοµικές οµάδες) και 2. Κλάδους (γράµµή που συνδέει δυο κόµβους)

6 Φυλογενετικά δέντρα Κόµβοι Κλάδοι Εξωτερικοί: Αρτίγονες ταξινοµικές µονάδες Εσωτερικοί: Προγονικές ταξινοµικές µονάδες Εξωτερικοί: Κλάδοι που καταλήγουν σε εξωτερικό κόµβο Εσωτερικοί: Κλάδοι που καταλήγουν σε εσωτερικό κόµβο Εσωτερικοί Κόµβοι Διχοτοµούµενοι: έχει µόνο δυο άµεσους απογόνους Πολυτοµούµενοι: έχει περισσότερους από δυο απογόνους

7 Φυλογενετικά δέντρα Εσωτερικοί κλάδοι Προγονική γενεαλογική γραµµή. Διαφοροποιείται σε δυο γενεαλογικές γραµµές απογόνων. Συγγένεια Οι απόγονοι g και h µοιράζονται τον ίδιο πρόγονο που δεν µοιράζονται µε τον απόγονο i Επόµενως οι g και h είναι πιο κοντά συγγενικά µεταξύ τους από ότι ο i µε καθένα από αυτούς και αντίστροφα

8 Τύποι Φυλογενετικών Δέντρων Έριζα δένδρα: Υπάρχει ένας κόµβος (ρίζα) από τον οποίο ξεκινάει ένα µοναδικό µονοπάτι που οδηγεί σε καθένα από τους άλλους κόµβους. Ο κόµβος αυτός αντιστοιχεί στον κοινό πρόγονο όλων των ταξινοµικών µονάδων και η κατεύθυνση κάθε µονοπατιού αντιστοιχεί στον εξελικτικό χρόνο. Άρριζα δένδρα: Καθορίζονται οι εξελικτικές σχέσεις (συγγένειες) µεταξύ των λειτουργικών ταξινοµικών µονάδων, αλλά δεν καθορίζονται εξελικτικά µονοπάτια. ( Δεν µπορούµε να διακρίνουµε απογόνους και προγόνους)

9 Έριζα δέντρα Συγγένεια-Συσχέτιση και Οµοιότητα Β είναι πιο συγγενικό µε το C από ότι µε το A Επειδή ο πιο κοντινός πρόγονος του Β και του C (Ζ) είναι πιο πρόσφατος από ότι ο κοινός πρόγονος του A και C ή Β και A (Y) A ισαπέχει των C και Β Μοιράζεται τον ίδιο κοινό πρόγονο µε τα C και B (Y) To B είναι πιο όµοιο µε το Α από ότι µε το C. Το συνδυασµένο µήκος του κλάδου από το Β στο Α είναι µικρότερο από ότι από το C στο Β.

10 Άρριζα δέντρα Για ένα άρριζο δέντρο υπάρχουν πολλά έριζα. Ο αριθµός των πιθανών έριζων τοπολογικών δέντρων είναι ο αριθµός των κλάδων του άρριζου δέντρου

11 ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΦΥΛΟΓΕΝΕΤΙΚΩΝ ΔΕΝΤΡΩΝ

12 Δηµιουργία Φυλογενετικών Δέντρων Τα βήµατα για την δηµιουργία ενός δέντρου από νουκλεοτιδικές αλληλουχίες είναι: 1.Προσδιορισµός της αλληλουχίας DNA 2.Προσδιορισµός των αλληλουχιών σχετικών µε τις αλληλουχίες που εξετάζονται και απόκτηση σε ηλεκτρονική µορφή 3.Ευθυγράµµιση των αλληλουχιών 4.Χρήση του αποτελέσµατος της ευθυγράµµησης για τη δηµιουργία του δέντρου

13 Βάσεις δεδοµένων νουκλεοτιδικών αλληλουχιών Βάσεις δεδοµένων: Χώρος αποθήκευσης και άντλησης πληροφοριών. Έχουν επίσης τη δυνατότητα αναζήτησης και ανταλλαγής δεδοµένων µε άλλες βάσεις. Βάσεις έχουν δηµιουργηθεί σε Ευρώπη, Ιαπωνία και Αµερική. α) EMBL (European Molecular Biology laboratory) β) GenBank (Genetic Sequence Data Bank) NCBI γ) DDBJ (DNA Data Bank of Japan)

14 Βάσεις δεδοµένων 1. entry name, locus name or identifier (ID): Κ ά θ ε αλληλουχία έχει ένα και µοναδικό ID 2. accession number (AC): Κάθε AC είναι µοναδικός στη βάση 3. version number: Προέρχεται από το AC και είναι ο αριθµός των φορών που η αλληλουχία έχει τροποποιηθεί

15 Βάσεις δεδοµένων Συνήθως έχουµε ήδη µια αλληλουχία (νουκλεοτιδική ή πρωτεϊνική) και χρειάζεται να βρούµε άλλες σχετικές µε αυτήν αλληλουχίες. Με τον όρο σχετικές αλληλουχίες εννοούµε αλληλουχίες που είναι όµοιες προς την υπό εξέταση αλληλουχία και θεωρούµε ότι µοιράζονται τον ίδιο κοινό πρόγονο. Ο ευκολότερος τρόπος για την εύρεση σχετικών αλληλουχιών είναι µε τη χρήση ενός προγράµµατος που ψάχνει µέσα στις βάσεις γενετικών δεδοµένων. Η βάση που χρησιµοποιείται για το σκοπό αυτό ονοµάζεται BLAST (Basic Local Alignment Search Tool).

16 BLAST Αποτελέσµατα έρευνας για µια αλληλουχία

17 Η κόκκινη γραµµή αντιπροσωπεύει την υποβαλλόµενη αλληλουχία. Οι αλληλουχίες της βάσης δεδοµένων εµφανίζονται ευθυγραµµισµένες ως προς αυτήν. Από αυτές οι πιο όµοιες εµφανίζονται πιο κοντά στην υποβαλλόµενη

18 Ευθυγράµµιση των Αλληλουχιών

19 Ευθυγράµµιση των Αλληλουχιών Όταν δυο αλληλουχίες συγκρίνονται, µπορούµε να υπολογίσουµε το ποσοστό οµοιότητας µετρώντας τον αριθµό ίδιων νουκλεοτιδίων ή αµινοξέων σχετιζόµενο µε το µήκος της αλληλουχίας. Ταξινοµικές συγκρίσεις δείχνουν ότι γονίδια κοντινών συγγενικών ειδών διαφέρουν συνήθως σε σηµειακές µεταλλαγές. Ο ι µ ε τ α λ λ ά ξ ε ι ς α υ τ έ ς εντοπίζονται σε µεγαλύτερο ποσοστό στη 3 η κωδική θέση του ανοικτού πλαισίου ανάγνωσης, µιας και η θέση αυτή έχει ταχύτερο εξελικτικό ρυθµό από τη 1 η και τη 2 η κωδική θέση (εκφυλισµένος γενετικός κώδικας). Γονίδια περισσότερο αποµακρυσµένων συγγενικά ειδών διαφέρουν σε µεγαλύτερο βαθµό.

20 Ευθυγράµµιση των Αλληλουχιών Στοιχεία της ίδιας σειράς προέρχονται από το ίδιο βιολογικό µακροµόριο (νουκλεϊκό οξύ ή πρωτεΐνη). Τα στοιχεία διευθετούνται µε τη σειρά που εµφανίζονται στο µακροµόριο Ø Από το N στο C άκρο στις πρωτεΐνες Ø Από το 5 στο 3 στα νουκλεϊκά οξεα

21 Ευθυγράµµιση των Αλληλουχιών Κάθε κελί περιλαµβάνει ένα µόνο στοιχείο [είτε ένα στοιχείο είτε ένα κενό (gap)] Το κενό υποδηλώνει ότι η θέση αυτή δεν αντιστοιχεί σε κανένα στοιχείο Κελί

22 Στοίχιση αλληλουχιών ανά ζεύγη Pairwise Alignment: Στοίχιση 2 αλληλουχιών

23 Πολλαπλή Στοίχιση Αλληλουχιών Multiple Alignment: Στοίχιση 3+ αλληλουχιών Η διαδικασία της πολλαπλής στοίχισης περιλαµβάνει ξεχωριστές διαδικασίες στοίχισης ανά ζεύγη

24 Εκτίµηση γενετικών αποστάσεων Φυλογενετικές αναλύσεις Υπάρχουν 4 κύριες κατηγορίες µεθόδων 1)Μέθοδοι των αποστάσεων (Distance methods: Neighbor-Joining) 2)Μέγιστης Φειδωλότητας (Maximum parsimony, MP) 3)Μέγιστης Πιθανότητας (Maximum likelihood, ML) 4)Μπεϋζιανή Συµπερασµατολογία (Bayesian inference, BI) Καµία µέθοδος δεν είναι η καλύτερη για όλες τις περιπτώσεις. Το ποια θα χρησιµποιήσουµε εξαρτάται από το τι θέλουµε να µάθουµε και το µέγεθος και την πολυπλοκότητα των δεδοµένων µας

25 Εκτίµηση γενετικών αποστάσεων Το πρώτο βήµα στην ανάλυση των ευθύγραµµων αλληλουχιών είναι η εκτίµηση της γενετικής ή εξελικτικής απόστασης µεταξύ των αλληλουχιών Μέτρο του πόσο διαφορετικές είναι οι αλληλουχίες και Εκφράζει τον αριθµό των εξελικτικών αλλαγών που έχουν συµβεί από την στιγµή της απόκλισης τους

26 Εκτίµηση γενετικών αποστάσεων Δεδοµένου ότι η εξελικτική απόσταση (p) µπορεί να υποεκτίµηση την πραγµατική ποσότητα της εξελικτικής αλλαγής, έχει γίνει µεγάλη προσπάθεια ανεύρεσης µοντέλων που µετατρέπουν την παρατηρούµενη απόσταση σε πραγµατική εξελικτική απόσταση (µοντέλα εξέλιξης).

27 Εκτίµηση γενετικών αποστάσεων 1 η γενεά 2 η γενεά 3 η γενεά 4 η γενεά A G C A A T G A C G G T C T A A A G C A A T G A C G G T C C A A A T C G A T G A C G G T C C Α A A G C G A T G A T G Τ T C T G A Με την πάροδο των γενεών αυξάνει ο αριθµός των αντικαταστάσεων και η πιθανότητα η ίδια νουκλεοτιδική θέση να έχει υποστεί πολλαπλές µεταλλαγές και τελικά να επανέλθει στην αρχική της κατάσταση, έχοντας στην ουσία αποκρύψει µεγάλο βαθµό διαφοροποίησης µεταξύ των αλληλουχιών Εποµένως απαιτούνται Μέθοδοι Διόρθωσης Αποστάσεων Μοντέλα

28 Εκτίµηση γενετικών αποστάσεων

29 Φυλογενετική ανάλυση Τα µοντέλα που θα χρησιµοποιήσουµε είναι: 1.MEGA: Molecular Evolutionary Genetics Analysis 2.PAUP: Phylogenetic Analysis Using Parsimony (and other methods) 3.MrBayes 4.TreeView ή FigTree

30 Εκτίµηση γενετικών αποστάσεων Φυλογενετικές αναλύσεις Υπάρχουν 4 κύριες κατηγορίες µεθόδων 1)Μέθοδοι των αποστάσεων (Distance methods: Neighbor-Joining) 2)Μέγιστης Φειδωλότητας (Maximum parsimony, MP) 3)Μέγιστης Πιθανότητας (Maximum likelihood, ML) 4)Μπεϋζιανή Συµπερασµατολογία (Bayesian inference, BI)

31 The Balkan Wall Lizard Poulakakis et al., Molecular Ecology (2005) 14,