IV семестр «Функция и эволюция» БЛОК 1 «Эволюция» – 4 занятия Молекулярная филогенетика. Задачи и подходы. Лекция- семинар, (АБР) Реконструкция филогенетических деревьев. 2 практических занятия, и (САС, АБР) «Алгоритмы реконструкции филогенетических деревьев». Лекция, семинар, обсуждение полученных результатов, 6.03 (САС). Срок сдачи основного отчета – 5.03 БЛОК 2 «Функции генов и их продуктов» – 4 занятия БЛОК 3 «Эволюция белкового семейства» – 5 занятий

Biologists must constantly keep in mind that what they see was not designed, but rather evolved. It might be thought, therefore, that evolutionary arguments would play a large part in guiding biological research, but this is far from the case. Francis Crick What Mad Pursuit (1988) pp

Вы это уже делали! Прокомментируйте… Весна, 2007, А.Б.Рахманинова

Молекулярная эволюция (молекулярная филогенетика)

Молекулярная филогенетика изучение филогенеза и эволюции путем анализа нуклеотидных и аминокислотных последовательностей

Основные этапы биоинформатического анализа молекулярной эволюции Выбор последовательностей и их выравнивание Построение/выбор эволюционной модели Реконструкция эволюции реконструкция филогенетического дерева оценка силы давления и направления отбора сравнение скоростей эволюции... Оценка статистической значимости реконструкции ? Весна, 2007, А.Б.Рахманинова

Что будет? Выбор последовательностей и их выравнивание Построение/выбор эволюционной модели Реконструкция эволюции реконструкция филогенетического дерева оценка силы давления и направления отбора сравнение скоростей эволюции... Оценка статистической значимости реконструкции ! Весна, 2007, А.Б.Рахманинова

Выбор последовательностей и их выравнивание Весна, 2007, А.Б.Рахманинова

Выравнивание ? Весна, 2007, А.Б.Рахманинова

Выбор последовательностей и их выравнивание Весна, 2007, А.Б.Рахманинова

Что делать? Весна, 2007, А.Б.Рахманинова tranalign PAL2NAL ( !

Эволюционная модель - математическая модель, описывающей изменения последовательностей во времени. Число эволюционных событий оценивают, сравнивая 2 родственные последовательности Наблюдаемое число различий между последовательностями меньше реального числа из-за повторных мутаций Резюме: чтобы оценить реальное число событий нужна модель. Нужна поправка

Однопараметрическая модель Джукса-Кантора (1969) P A(t=0) =P A(0) =1 P A(1) =1-3 P A(2) = P A(1) (1-3 ) +(1- P A(1) ) …………….. D jc = -b ln (1 - D/b) D jc – расстояние по Джуксу-Кантору (число событий за время t) b – константа, для нуклеотидных последовательностей b=3/4 D – неоткорректированные расстояния (в простейшем случае, это доля несовпадающих букв)

Вероятность А в момент t P A(t=0) =P A(0) =1 P A(1) =1-3 P A(2) = P A(1) (1-3 ) +(1- P A(1) ) P A(t+1) = P A(t) (1-3 ) + (1- P A(t) ) = - 4 P A(t) + P A(t) = 1/4 + (P A(0) -1/4) e -4 t P A(t) = 1/4 + 3/4 e -4 t для P A(0) =1 P A(t) = 1/4 - 1/4 e -4 t для P A(0) =0 dP A(t) dt Расстояние до предковой последовательности 1.Модель предполагает, что в 1 позиции в единицу времени происходит 3 замен. 2.Прошло время t, D jc – общее число замен/позицию за время t. 3.Доля совпадений/позицию между предковой и настоящей последовательностью? 4.Доля несовпадений/позицию между предковой и настоящей последовательностью? 5.Расстояние между предковой и настоящей последовательностью в смысле ожидаемого числа замен за время t (Djc ) - ? Однопараметрическая модель Джукса-Кантора

Двухпараметрическая модель М.Кимура (1980) distance = -0.5 ln[ (1-2P-Q)*sqrt(1-2Q)] P = transitions/npos Q = transversions/npos трансверсия транзиция

Чем точнее модель, тем лучше результат? ? по материалам Simon Whelan, Pietro Lio and Nick Goldman "Molecular phylogenetics: state-of-theart methods for looking into the past" TRENDS in Genetics Vol.17 No.5 May 2001

Сравнение скоростей эволюции разных генов 1. Thr-Ser-Ala… 2. Thr-Ser-Ala…2.Pro-Arg-Asp… 1. ACT AGT GCC… 2. ACA AGC GCT…2. CCT AGA GAC… ? Весна, 2007, А.Б.Рахманинова

K A /K S – мера давления естественного отбора Сравниваем 2 наблюдения: ATG GGG GCT GGG ATA GGA GAT GGA Несинонимичные замены 1 1 Синонимичные замены 1 1 K A /K S =1 K A /K S =1 ? Ожидаемые значения: P A 5/6 4/6 P s 1/6 2/6 K A /K S =5 K A /K S = 2 Нормируем на мутабильность последовательностей: K A /K S = 1/5 K A /K S = 1/2

K A /K S – мера давления естественного отбора K A – число несинонимичных замен на 1 несинонимичный сайт K s – число синонимичных замен на 1 синонимичный сайт Пример: Ka= 1 / 8.67= 0.12 Ks= 2/ 3.33= 0.6 Ka/Ks=0.12 / 0.6 =0.19 (стабилизирующий отбор?)

K A /K S, опять все не просто....

K A /K S – мера давления естественного отбора K A – число несинонимичных замен на 1 несинонимичный сайт K s – число синонимичных замен на 1 синонимичный сайт K A / K s 1 положительный (движущий) отбор

K A /K S ; какие бывают? Из Hurst, L.D. (2002) Trends in Genet. 18,

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПАТОГЕН-ХОЗЯИН ВОСПРОИЗВОДСТВО ПРИСПОСОБЛЕНИЕ К ПИТАНИЮ ВНЕШНОСТЬ СЕНСОРНЫЕ СИСТЕМЫ ПОВЕДЕНИЕ ОРГАНИЗАЦИЯ МОЗГА НЕИЗВЕСТНОГО НАЗНАЧЕНИЯ E.J. Vallender, B.T. Lahn. Hum.Mol.Gen. 2004, V.13, Rev.Issue 2, R245-R254 КАТЕГОРИИ ГЕНОВ ЧЕЛОВЕКА, ОБНАРУЖИВАЮЩИХ ПРИЗНАКИ ПОЛОЖИТЕЛЬНОГО ОТБОРА

Ждите лекций А.В.Алешина по теории эволюции и лекций М.С.Гельфанда по сравнительной геномике!!