Fylogenetische bomen
Fylogenie, het begrip is bedacht door Ernst Haeckel (1866). Bij elke node in een boom ontstaat een
nieuwe lineage. Alle lineages in een boom zijn gerelateerd omdat ze van dezelfde wortel afstammen
(common ancestor). De topologie/hiërarchie van de boom toont aan welke lineages gerelateerd zijn.
Zo zijn lineages die dicht bij elkaar staan gerelateerd (al moet je oppassen met deze bewering, want je
mag de takken draaien). Een fylogenetische boom laat ons terugkijken in de tijd. Zo kan je aan de
hand van the tree of life bepalen wanneer de vertebraten zijn ontstaan etc. Om echter een tijdschaal
aan een boom te plakken, moet je wel beschikken over fossielen.
Moleculaire fylogenetische boom, in de bio-informatica wordt
alleen naar moleculaire bomen gekeken. Deze bomen zijn
gebaseerd op de DNA of eiwit sequentie. Hierbij wordt dus niet
naar fenotype gekeken. De takken (branches) van de boom
vertellen iets over de verandering in een bepaalde tijd. Als je dus
een lange tak hebt, is er veel verandert en als je een korte tak
hebt, is er vrij weinig verandert. Zo zullen virus 3 en 4 minder van
elkaar verschillen dan virus 6 en 7. Dit verschil kan ontstaan zijn,
doordat virus 6 en 7 langer geleden van elkaar gesplitst zijn of het
zijn toevallig virussen die heel snel evolueren zoals HIV. Je kan een
bepaalde schaal aan je branch length geven, zo zie je onderin de
afbeelding dat die specifieke lengte gelijk is aan 0,07 substituties
per sequentie site. Als je dus een sequentie van 100 AZ hebt waar deze afstand tussen zit dan zullen 7
van de 100 posities gemuteerd zijn. De horizontale lijnen geven dus de evolutionaire tijd aan en de
verticale lijnen representeren een node of evolutionaire splitsing.
Tips, zijn de uiteindes van de takken en worden ook wel eens ‘leaves’ of
‘terminal nodes’ genoemd. Zij geven de sequenties of soorten van vandaag
de dag en dit zijn dan ook de enige zaken uit de boom waar je direct
metingen aan kan voldoen. De tips zijn met groene stippen aangegeven.
Ancestral nodes, ook wel ‘internal nodes’, zijn de voorouders van de dochter
lineages die eruit volgen. In de boom in de afbeelding zijn dat dus onbekende
virussen waaruit virus 1 t/m 10 ontstaan zijn. Deze hypothetische organismen
zijn soms nog aanwezig als fossiel en zijn in de afbeelding met blauwe stippen
aangegeven.
Root, is de last common ancestor van de gehele boom. Als een boom geworteld is, loopt de tijd as
van de root weg. De wortel is met rood aangegeven.
Moleculaire klok, volgens de moleculaire klok is het aantal mutaties tussen twee sequenties
afhankelijk van de tijd. Hoe meer tijd er dus verstrijkt na een splitsing, hoe meer mutaties je
verwacht. Als in een fylogenetische boom de moleculaire klok wordt toegepast is dat te zien doordat
alle tips op een lijn liggen. De moleculaire klok is op sommige gevallen van toepassing. Kijk
bijvoorbeeld naar virus 3 & 4. Hier is de afstand vanaf de splitsing tot de tips even lang en hier zullen
evenveel mutaties bij de virussen hebben plaatsgevonden.
Evolutionaire afstand, uit een boom kun je de evolutionaire afstand berekenen
door de takken bij elkaar op te tellen. In de afbeelding zijn alleen de horizontale
takken van belang, aangezien de afstand van de verticale takken geen betekenis
heeft. Als je dus de afstand tussen virus 3 en 7 wil berekenen, moet je alle rode
takken bij elkaar optellen. De afstand komt zo uit dat de schaal van 0,07 er 11
keer inpast en er dus 0,77 mutaties per site hebben plaatsgevonden.
Topologie, door te kijken naar de topologie kan je snel de relatie tussen grote
groepen bekijken. Zo zie je in de boom (rechts onder) 4 clusters, maar dat is niet
in elke boom het geval. Je moet veel werk aan een boom verrichten om zulke
duidelijke clusters te krijgen.
, Branch support, geeft aan hoe zeker het programma is over een bepaalde tak.
De mate van support kan aangegeven worden met getal van 0 tot 1 of met
getallen van 0 tot 100. In een boom kan dit ook aangegeven worden met
bolletjes en zij geven dus aan hoe zeker het programma is over de topologie
van de boom. In de boom zie bij virus3 en virus4 1,0 staan dus het maakt niet
uit hoe je boom verandert, deze virussen komen altijd bij elkaar. Bij virus6 en
virus7 zie je een support van 0,51 en dat is ook best logisch als je kijkt naar de
branch length. Een lange tak geeft namelijk aan dat er veel mutaties plaats
hebben gevonden in de evolutionaire tijd tussen de twee lineages en daardoor
verschillen virus 6 en 7 best veel van elkaar. Verder zie je ook nog een keer een
support van 0,01 en deze classificatie is dus niet betrouwbaar. Over het algemeen zal
je in wetenschappelijke artikelen geen bomen zien met een branch support die lager
is dan 0,7 of 70%.
Takken roteren, in een fylogenetische boom kan je de takken roteren zonder de
topologie te veranderen. Zo zie je in de eerste boom dat alle vleermuisvirussen dicht
bij elkaar staan, maar dat hoeft niet te betekenen dat ze in hetzelfde cluster zitten.
Als je de tak met de groene pijlen namelijk spiegelt, heb je nog steeds dezelfde
boom, maar zie je al meteen dat in die betreffende cluster maar één vleermuisvirus
voorkomt.
Voorbeeld gebruik fylogenetische boom, in 1994 was er een verpleegster in
Lafayette die negatief getest was op HIV. Een paar weken na de test sluit ze een
affaire met een dokter af. Drie weken daarna keert ze terug naar de dokter omdat ze
aan vermoeidheidsymptomen lijdt waarop de dokter haar een vitamine B12 shot
geeft. In 1995 neemt de verpleegster weer een test voor waarin blijkt dat ze zowel
HIV als hepatitis C positief is. Er is geen reden om te denken dat dit door infectie
komt, aangezien ze geen seksuele partner had in die tijd en er ook geen ongelukken gebeurd waren
met patiënten. De B12 shot wordt nu verdacht en de politie vindt een dossier waarin staat dat de
dokter bloed samples van een HIV en hepatitis C patiënt had genomen op dezelfde dag van de
vitamine B12 shot. De verpleegkundige had met beide patiënten geen
contact, maar dat is nog niet genoeg bewijs om de dokter op te pakken. HIV
en hepatitis C zijn snel evoluerende virussen en door het DNA van deze
virussen van de verpleegster te vergelijken met dat van de patiënten kan je
achterhalen of haar virussen afkomstig zijn van de betreffende patiënten.
Voor dit onderzoeken zijn HIV samples van de verpleegster, betreffende
patiënt en ander HIV positieve mensen uit Lafayette afgenomen. Met al deze
sequenties is een fylogenetische boom gemaakt (die rechts is weergegeven).
Hierin is te zien dat de HIV samples van de verpleegster het meest
gerelateerd zijn aan de patiënt. Op basis van dit moleculaire bewijs is de
dokter opgepakt.
Weergave fylogenetische boom, tot nu is er steeds eenzelfde
weergave van de fylogenetische boom gebruikt: normale
weergave. We kennen ook een radiale en polaire weergave.
De radiale weergave wordt vaak gebruikt als het niet bekend
is waar de wortel zit.
Principe van parsimonie, bij het opstellen van een
fylogenetische boom probeer je altijd dat er zo min mogelijk
veranderingen hebben plaatsgevonden.
Principe maximale parsimonie, de meest eenvoudige
oplossing kiezen (occam’s razor).
