Φυλογενετική Ανάλυση

Abstract

Στο κεφάλαιο αυτό επιστρέφουμε σε προβλήματα που αφορούν τη σύγκριση αλληλουχιών με το ενδιαφέρον να επικεντρώνεται τώρα όχι στο βαθμός ομοιότητας αλλά στο τι συμπεράσματα μπορούμε να εξάγουμε από αυτόν, καθώς και από άλλα μέτρα σύγκρισης αλληλουχιών. Σ' αυτά τα πλαίσια παρουσιάζονται οι βασικές αρχές της μοριακής εξέλιξης και της φυλογενετικής ανάλυσης. Με σημείο εκκίνησης τις αναλύσεις στοίχισης αλληλουχιών όπως περιγράφηκαν σε προηγούμενο κεφάλαιο συζητιούνται οι βασικές έννοιες της ομολογίας, τα μοντέλα νουκλεοτιδικών αντικαταστάσεων και η αναπαράσταση φυλογενετικών σχέσεων μέσω "δέντρων". Στο επίκεντρο του κεφαλαίου βρίσκεται το πραγματικό βιολογικό πρόβλημα της κατασκευής ενός φυλογενετικού δέντρου από μια πολλαπλή στοίχιση. Περιγράφεται αναλυτικά η θεωρία των νουκλεοτιδικών αντικαταστάσεων, με παραδείγματα για τα βασικά μοντέλα και στη συνέχεια θα δούμε τη θεωρία πίσω από τον υπολογισμό εξελικτικών αποστάσεων μέσω μοντέλων αντικατάστασης. Στο δεύτερο μέρος του Κεφαλαίου συζητιούνται συνοπτικά μέθοδοι για την κατασκευή και αξιολόγηση φυλογενετικών δέντρων. Μια αρχική εισαγωγή στη συνδυαστική αναδεικνύει την πολυπλοκότητα του προβλήματος μέσω της καταμέτρησης των πιθανών συνδυασμών ν αντικειμένων σε ένα δέντρο. Στη συνέχεια εξετάζονται με τη σειρά οι αλγόριθμοι πινάκων αποστάσεων όπως η UPGMA και η NJ και ελαχιστοποίησης κριτηρίων όπως οι μέθοδοι μέγιστης φειδωλότητας και πιθανοφάνειας. Τέλος, παρουσιάζεταί η μέθοδος bootstrap για τη στατιστική ανάλυση των αποτελεσμάτων φυλογενετικής ανάλυσης. Στο τέλος του Κεφαλαίου θα πρέπει να μπορείτε: Να κατανοήσετε έννοιες όπως “ρυθμός αντικατάστασης”, “μοριακό ρολόι” και πώς μπορούν να μας βοηθήσουν να εξάγουμε συμπεράσματα για την εξέλιξη αλληλουχιών στο χρόνο. Να υπολογίσετε τον αριθμό των πιθανών δέντρων με τα οποία περιγράφουμε δεδομένο αριθμό ταξονομικών μονάδων. Να αναγνωρίζετε δέντρα που είναι τοπολογικά ισοδύναμα.

This chapter revisits problems related to sequence comparison, with the focus now shifting from the degree of similarity to the conclusions that can be drawn from it, as well as from other sequence comparison metrics. Within this context, the basic principles of molecular evolution and phylogenetic analysis are presented. Starting from sequence alignment analyses as described in a previous chapter, the key concepts of homology, nucleotide substitution models, and the representation of phylogenetic relationships through “trees” are discussed. At the core of this chapter lies the real biological challenge of constructing a phylogenetic tree from a multiple sequence alignment. The theory of nucleotide substitutions is described in detail, with examples of the basic models, followed by the theoretical background behind calculating evolutionary distances using substitution models. In the second part of the chapter, methods for constructing and evaluating phylogenetic trees are briefly discussed. An initial introduction to combinatorics highlights the complexity of the problem by calculating the number of possible combinations of n taxa in a tree. Then, distance matrix-based algorithms such as UPGMA and NJ are examined, followed by criterion-based methods such as maximum parsimony and maximum likelihood. Finally, the bootstrap method is presented for the statistical analysis of phylogenetic results. By the end of this chapter, you should be able to: Understand concepts such as “substitution rate,” “molecular clock,” and how these help us draw conclusions about the evolution of sequences over time. Calculate the number of possible trees representing a given number of taxonomic units. Recognize trees that are topologically equivalent.