Реконструкция и сравнение деревьев
Расстояния между последовательностями.

Пользуясь таксономическим сервисом NCBI: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/taxonomy/ , определите, к каким таксонам относятся отобранные в предыдущем задании бактерии.

Название	Taxonomy
Bradyrhizobium japonicum	Bacteria; Proteobacteria; Alphaproteobacteria; Rhizobiales; Bradyrhizobiaceae; Bradyrhizobium
Agrobacterium tumifaciens	Bacteria; Proteobacteria; Alphaproteobacteria; Rhizobiales; Rhizobiaceae; Rhizobium/Agrobacterium group; Agrobacterium
Rhizobium etli	Bacteria; Proteobacteria; Alphaproteobacteria; Rhizobiales; Rhizobiaceae; Rhizobium/Agrobacterium group; Rhizobium
Rhodobacter sphaeroides	Bacteria; Proteobacteria; Alphaproteobacteria; Rhodobacterales; Rhodobacteraceae; Rhodobacter
Burkholderia cenocepacia	Bacteria; Proteobacteria; Betaproteobacteria; Burkholderiales; Burkholderiaceae; Burkholderia; Burkholderia cepacia complex
Ralstonia pickettii	Bacteria; Proteobacteria; Betaproteobacteria; Burkholderiales; Burkholderiaceae; Ralstonia
Neisseria meningitidis	Bacteria; Proteobacteria; Betaproteobacteria; Neisseriales; Neisseriaceae; Neisseria

Теперь наложим таксономию данных бактерий на филогенетическое дерево из предыдущего задания:



Отсюда видим, что привиденные бактерии делятся на две большие таксономические группы (класса): Alphaproteobacteria и Betaproteobacteria. В свою очередь класс Alphaproteobacteria делится на два порядка: Rhizobiales и Rhodobacterales. К последнему относится семейство Rhodobacteraceae, род Rhodobacter, вид Rhodobacter sphaeroides.
К порядку Rhizobiales относятся две из предложенных бактерий: семейство Bradyrhizobiaceae, род Bradyrhizobium, вид Bradyrhizobium japonicum; семейство Rhizobiaceae, два рода: род Agrobacterium, вид Agrobacterium tumifaciens, род Rhizobium, вид Rhizobium etli.
Класс Betaproteobacteria включает в себя два порядка: Burkholderiales и Neisseriales. Последний включает в себя: семейство Neisseriaceae, род Neisseria, вид Neisseria meningitidis. Порядок Burkholderiales включает в себя семейство Burkholderiaceae и два рода: род Ralstonia, вид Ralstonia pickettii и род Burkholderia, вид Burkholderia cenocepacia.
Подытожим:
Данное филогенетическое дерево полностью описывает таксономию выбранных бактерий.

Белки для дальнейшей реконструкции филогенетического дерева

Получим из Swiss-Prot последовавтельности белков с функцией энолазы из данных бактерий. Для этого воспользуемся командой seqret:

seqret sw:ENO_ABC

(ABC - мнемоника бактерии)
Теперь создадим выравнивание эиих последовательностей программой muscle. Вот, чо получилось: eno.fasta

Импортируем файл в GeneDoc и найдем диагностические позиции выравнивания.

Реконструкция дерева программой fprotpars по белку ENO

Проведем реконструкцию дерева программой fprotpars. Для этого воспользуемся программой fprotpars. На вход даем файл с выравненными последовательностями и получаем на выходе два файла: eno.fprotpars и eno.treefile. Вот, что мы видим:

((ENO_RHOS4:0.17016,(ENO_BRAJA:0.14518,(ENO_RHIEC:0.04929,      
ENO_AGRRK:0.04929):0.09589):0.02498):0.05774,(ENO_NEIMA:0.17095,
(ENO_BURCA:0.04851,ENO_RALPJ:0.04851):0.12244):0.05695);

                    
                                                                                
                             +--ENO_RALPJ
                          +--6           
                 +--------5  +--ENO_BURCA
                 !        !              
                 !        +-----ENO_NEIMA
              +--4                       
              !  !           +--ENO_AGRRK
              !  !        +--3           
              1  +--------2  +--ENO_RHIEC
              !           !              
              !           +-----ENO_BRAJA
              !                          
              +-----------------ENO_RHOS4


                    

Программа выдала нам неукорененное "бережливое" дерево без длин ветвей. В данном случае мы получили одно дерево (хотя их может быить и больше, "одинаково бережливых"). Сравнивая его с предыдущим, можно заметить, что они одинаковые.

Эволюционные расстояния

Оценим эволюционные расстояния между последовательностями. Для этого воспользуемся программой fprotdist. На вход даем файл с выровненными последовательностями, а на выходе получаем файл eno.fprotdist. В итоге мы види матрицу расстояний:

                         7
    ENO_RHOS4   0.000000  0.377800  0.310072  0.333097  0.423113  0.460577
      0.444920
    ENO_BRAJA   0.377800  0.000000  0.295330  0.285409  0.490374  0.478838
      0.440661
    ENO_RHIEC   0.310072  0.295330  0.000000  0.098582  0.469455  0.453309
      0.435659
    ENO_AGRRK   0.333097  0.285409  0.098582  0.000000  0.483030  0.456606
      0.433120
    ENO_NEIMA   0.423113  0.490374  0.469455  0.483030  0.000000  0.365469
      0.318335
    ENO_BURCA   0.460577  0.478838  0.453309  0.456606  0.365469  0.000000
      0.097015
    ENO_RALPJ   0.444920  0.440661  0.435659  0.433120  0.318335  0.097015
      0.000000
                     

Теперь попытаемся определить насколько расстояния отклоняются от ультраметричности:
в качестве примера рассмотрим расстояния: d(RHIEC,AGRRK), d(RHOS4,RHIEC), d(RHOS4,AGRRK). Отметим, что матрица ультраметрична, если d(RHOS4,RHIEC)=d(RHOS4,AGRRK). Итак, из матрицы мы видим, что d(RHIEC,AGRRK) < d(RHOS4,AGRRK) (0.098582 < 0.333097) и d(RHIEC,AGRRK) < d(RHOS4,RHIEC) (0.098582 < 0.310072). Однако d(RHOS4,AGRRK)=0.333097, а d(RHOS4,RHIEC)=0.310072. Различие во втором знаке, азначит, матрица не так уж ультраметрична.
Рассмотрим и другой пример: d(BURCA,RALPJ), d(BRAJA,RALPJ), d(BRAJA,BURCA). Условие ультраметричности: d(BRAJA,RALPJ) = d(BRAJA,BURCA). Итак, из матрицы видно, что d(BURCA,RALPJ) < d(BRAJA,RALPJ) (0.097015 < 0.444920) и d(BURCA,RALPJ) < d(BRAJA,BURCA) (0.097015 < 0.478838). Однако d(BRAJA,BURCA)=0.478838), а d(BRAJA,RALPJ)=0.444920. Снова различие во втором знаке. Гипотеза подтвердилась.

Теперь попробуем определить насколько расстояния отклоняются от аддитивности:
В качестве примера возмем четыре последовательности: BURCA, RALPJ, AGRRK, RHIEC.
Для начала сформулируем свойство аддитивности:
d(BURCA,AGRRK) + d(RALPJ,RHIEC) = d(BURCA,RHIEC) + d(RALPJ,AGRRK);
d(BURCA,RALPJ) + d(AGRRK,RHIEC) < d(BURCA,AGRRK) + d(RALPJ,RHIEC),
d(BURCA,RALPJ) + d(AGRRK,RHIEC) < d(BURCA,RHIEC) + d(RALPJ,AGRRK).
Итак:

                  ? 

0.456606 + 0.435659 = 0.453309 + 0.433120 <=> 0.892265 &ne 0.886429;
0.097015 + 0.098582 < 0.456606 + 0.435659 <=> 0.195597 < 0.892265;
0.097015 + 0.098582 < 0.453309 + 0.433120 <=> 0.195597 < 886429;
Как мы видим, последние два условия выполняются, однако первое нет. Тем не менее, разница незначительная (0.005836), поэтому можно сделать вывод, что данная матрица аддитивна.

Реконструкция дерева программой fneighbor по белку ENO

Получим две реконструкции дерева программой fneighbor, используя два алгоритма: UPGMA и Neighbor-Joining. На вход даем файл с матрицей расстояний, а на выходе получим файлы: enon.fneighbor и enou.fneighbor.
Заметим:
алгоритм UPGMA выдает укорененное дерево с длинами ветвей;
алгоритм Neighbor-Joining выдает неукорененное дерево с длинами ветвей.
Реконструкция дерева алгоритмом UPGMA:

           +----------ENO_RHOS4
        +--4                   
        !  ! +--------ENO_BRAJA
        !  +-3                 
        !    !     +--ENO_RHIEC
      --6    +-----2           
        !          +--ENO_AGRRK
        !                      
        !  +----------ENO_NEIMA
        +--5                   
           !       +--ENO_BURCA
           +-------1           
                   +--ENO_RALPJ
                      

Это дерево абсолютно такое же, как и два предыдущих.
Реконструкция дерева алгоритмом Neighbor-Joining:

            +--------ENO_BRAJA     
         +--4                      
         !  !   +--ENO_RHIEC       
         !  +---3                  
         !      +---ENO_AGRRK      
         !                         
         !     +----------ENO_NEIMA
         5-----2                   
         !     !      +---ENO_BURCA
         !     +------1            
         !            +-ENO_RALPJ  
         !                         
         +---------ENO_RHOS4      
                      

Это дерево похоже на предыдущие, если укоренить его в позиции между "5" и "2".