Bioinformatica (modulo bioinf. dei genomi moderni )

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1 Bioinformatica (modulo bioinf. dei genomi moderni ) Dr. Marco Fondi Lezione # 4 Corso di Laurea in Scienze Biologiche, AA

2 oggi 1) Filogenesi ed analisi filogenetiche (basi di evoluzione molecolare) 2) Costruzione alberi filogenetici (Mega4 package) - 3 casi studio 2

3 Filogenesi Descrizione delle relazioni evolutive esistenti fra gli organismi (ma anche fra specie, popolazioni, geni etc.) Analisi filogenetica: è il metodo con cui si ricercano e si stimano queste relazioni (Greek: phylon = race and genetic = birth)

4 INPUT: Multiallineamento (ClustalW): OUTPUT: Phylogenetic tree (Albero filogenetico): Visual representation of evolutionary distances between taxa A visual representation (a tree) to describe the assumed evolution occurring between and among different groups (individuals, populations, species, etc.) and to study the reliability of the consensus tree.

5 >> n specie

6 Page from Darwin's notebooks, 1837 Ernst Haeckel in the The Evolution of Man,1879

7 Phylogenetic trees Diversi modi per rappresentare lo stesso albero filogenetico

8

9 Anatomia di un albero Specie (sequence) 1 95 Specie (sequence) 2 Specie (sequence) Specie (sequence) Specie (sequence) 5 55 Specie (sequence) 6 Specie (sequence) 7

10 Anatomia di un albero RAMO Specie (sequence) 1 Taxon, plurale = TAXA 95 Specie (sequence) 2 Specie (sequence) 3 CLADE/CLUSTER/GRUPPO 83 NODO 68 Specie (sequence) Specie (sequence) 5 55 Specie (sequence) 6 Specie (sequence) 7 BOOTSTRAP VALUE

11 Anatomia di un albero RAMO Specie (sequence) 1 Taxon, plurale = TAXA 83 NODO Specie (sequence) 2 Specie (sequence) 3 Specie (sequence) CLADE/CLUSTER/GRUPPO External branch or edge Specie (sequence) 5 55 Specie (sequence) 6 Internal branch or edge Specie (sequence) 7 Internal node BOOTSTRAP VALUE External node or tip

12 Analisi Filogenetica 4 step: 1.Recupero di sequenze (BLAST) 2.Multiple Sequence Alignment 3.Phylogenetic tree construction 4.Phylogenetic tree interpretation

13 Analisi Filogenetica 4 step: 1.Recupero di sequenze (BLAST) 2.Multiple Sequence Alignment 3.Phylogenetic tree construction 4.Phylogenetic tree interpretation

14 Analisi Filogenetica 4 step: 1.Recupero di sequenze (BLAST) 2.Multiple Sequence Alignment 3.Phylogenetic tree construction 4.Phylogenetic tree interpretation

15 Metodi di costruzione: DISTANCE-based methods Neighbor-joining UPGMA Advantages is fast and thus suited for large datasets and for bootstrap analysis permist lineages with largely different branch lengths permits correction for multiple substitutions Disadvantages sequence information is reduced gives only one possible tree strongly dependent on the model of evolution used. CHARACTER-based methods Maximum Likelihood

16 Types of data used in phylogenetic inference: Character-based methods: Use the aligned characters, such as DNA or protein sequences, directly during tree inference. Taxa Species A Species B Species C Species D Species E Characters ATGGCTATTCTTATAGTACG ATCGCTAGTCTTATATTACA TTCACTAGACCTGTGGTCCA TTGACCAGACCTGTGGTCCG TTGACCAGTTCTCTAGTTCG Distance-based methods: Transform the sequence data into pairwise distances (dissimilarities), and then use the matrix during tree building. A B C D E Species A Species B Species C Species D Species E

17 Tree Construction Neighbor-Joining Assumes unequal rates of mutation along each branch Produces tree with branch lengths proportional to estimated divergence along each branch Neighbor-Joining Algorithm Find pairs of OTUs that minimize total branch length at each stage of clustering starting with a starlike tree (Minimum-Evolution Tree).

18 INPUT: Multiallineamento sequenza 1-4 sequenza 1 OUTPUT: Albero filogenetico sequenza 3 sequenza 2 sequenza 4

19 Neighbor-Joining Start with distance matrix below to calculate sum of branch lengths using X

20 Neighbor-Joining Calculate sum of branch lengths X

21 Neighbor-Joining Calculate sum of branch lengths X

22 Neighbor-Joining Calculate sum of branch lengths Combine OTUs, Estimate branch lengths 1 X Y 3 5 4

23 Neighbor-Joining Calculate sum of branch lengths Recalculate distances X Y

24 Neighbor-Joining Calculate sum of branch lengths Recalculate distances X

25 Neighbor-Joining Based on new distance matrix, recalculate sum of branch lengths X

26 Neighbor-Joining Start next iteration, nodes 5 & X

27 Neighbor-Joining X

28 Neighbor-Joining Next Iteration: (1-2) & X 3 5 4

29 Neighbor-Joining X Y

30 Neighbor-Joining X

31 Neighbor-Joining Final tree

32 Gaps / missing data? 28

33 Gaps / missing data? Complete deletion I siti che contengono gap vengono eliminati a priori (le colonne che contengono gap non vengono considerate nella costruzione dell albero) 29

34 Gaps / missing data? Complete deletion I siti che contengono gap vengono eliminati a priori (le colonne che contengono gap non vengono considerate nella costruzione dell albero) 29

35 Gaps / missing data? Pairwise deletion I siti che contengono gap vengono eliminati solo se si presenta la necessità (pairwise comparison) 30

36 Anatomy of a (unrooted) tree Specie (sequence) 1 95 Specie (sequence) 2 Specie (sequence) Specie (gene) Specie (sequence) 5 Specie (sequence) 6 Specie (sequence) 7

37 Anatomy of a (unrooted) tree BRANCH Taxon, plurale = TAXA Specie (sequence) 1 NODE Specie (sequence) 2 Specie (sequence) 3 Specie (gene) CLADE External branch or edge Specie (sequence) 5 55 Specie (sequence) 6 Internal branch or edge Specie (sequence) 7 Internal node BOOTSTRAP VALUE External node or tip

38 Applications of phylogenetic trees Evolution studies Nothing in Biology Makes Sense Except in the Light of Evolution Theodosius Dobzhansky ( ) Systematic biology Medical research and epidemiology Ecology Others like grouping languages, medieval manuscripts

39 Tutte le forme di Vita Ultimo antenat Tempo Mondo a DNA Prime Cellule Vescicole lipidiche /altri compartimenti comune Chimica prebiotica Mondo ad RNA

40 Ultimo antenato comune Stime basate Ciona sulla intestinalis comparazione di molti genomi e l identificazione dei geni comuni a tutti indicano che il genoma dell ultimo Lievito antenato comune era probabilmente formato da un migliaio di geni Bradyrhizobium japonicum C.A. Ouzounis et al. / Research in Microbiology 157 (2006) Uomo Campylobacter jejuni Escherichia coli Dimensioni relative dei genomi

41 La duplicazione genica è una delle maggiori forze che ha guidato l evoluzione dei geni e dei genomi

42 a a a

43 Duplicazione genica a a a mento della quantità di materiale genetico disponibile

44 Dopo la duplicazione genica:?

45 Dopo la duplicazione genica: 1.mutazioni deleterie: una delle due copie non viene mantenuta 2. nessuna mutazione: mantenimento del nuovo gene, effetto di dosaggio genico 3.mutazioni benefiche che permettono ad una delle due copie di acquisire una funzione diversa

46 Se la comparsa di una nuova copia di un gene comporta benefici all organismo (aumenta la sua fitness) questa verrà mantenuta (fissata) dalla selezione naturale

47 Dopo la duplicazione genica: Divergenza evolutiva

48 Questo percorso può essere ripetuto più volte : cascata di duplicazioni geniche Gene ancestrale Duplicazioni multiple & Divergenza evolutiva Duplicazioni multiple & Divergenza evolutiva Duplicazione genica & Divergenza evolutiva Famiglia di geni paraloghi

49 Situazione ancestrale A B1(2) B e A1(2) e A paraloghi B A Gene duplication (+ evolutionary div.) B1 A1 B2 e A2 ortologhi e Speciation B1 A1 B2 A2 Species 1 Species 2

50 B2 UNROOTED phylogenetic tree B1 A1 A2

51 UNROOTED phylogenetic tree B2 B1 A1 A2 ortologhi paraloghi ortologhi

52 Gene duplication (+ evolutionary div. B1) Speciation & Gene duplication (+ evolutionary div. A3) Species 3

53 B3 B2 C1 B1 A1 A2 A3 D3

54 on è così facile gene loss gene loss C3 Species 3 HGT

55 on è così facile gene loss gene loss C3 Species 3 HGT B3 C3 B1 C1 A1 A2 D3

56 Caso studio HIV transmission study cases.

57 HIV transmission case study Patient C Patient A Patient D Patient F Patient B Patient G Patient E HIV +

58 HIV transmission case study dentist Patient A Patient C Patient D Patient B Patient F Patient G Patient E HIV +

59 HIV transmission case study dentist Patient A Patient C Patient D Patient B Patient F Patient G Patient E HIV + Contagio comune dopo intervento dentistico?

60 rocedimento: 1.Recupero particelle virali da pazienti e dentista 2.Sequenziamento (di parte) del genoma virale 3.Multiple sequence alignment 4.Costruzione albero filogenetico con le sequenze ottenute (distance-based) 5.Interpretazione del risultato (tasso di mutazione del genoma virale etc.)

61 Did the Florida Dentist infect his patients with HIV? Phylogenetic tree of HIV sequences from the DENTIST, his Patients, & Local HIV-infected People: DENTIST Patient C Patient A Patient G Patient B Patient E Patient A DENTIST Local control 2 Local control 3 Patient F No Local control 9 Local control 35 Local control 3 Patient D No From Ou et al. (1992) and Page & Holmes (1998)

62 Did the Florida Dentist infect his patients with HIV? Phylogenetic tree of HIV sequences from the DENTIST, his Patients, & Local HIV-infected People: DENTIST Patient C Patient A Patient G Patient B Patient E Patient A DENTIST Local control 2 Local control 3 Patient F No Local control 9 Local control 35 Local control 3 Patient D No From Ou et al. (1992) and Page & Holmes (1998)

63 Did the Florida Dentist infect his patients with HIV? Phylogenetic tree of HIV sequences from the DENTIST, his Patients, & Local HIV-infected People: DENTIST Patient C Patient A Patient G Patient B Patient E Patient A DENTIST Local control 2 Local control 3 Patient F Local control 9 Local control 35 Local control 3 Patient D Yes: The HIV sequences from these patients fall within the clade of HIV sequences found in the dentist. No No From Ou et al. (1992) and Page & Holmes (1998)

64 Caso studio Trasferimento genico orizzontale (TGO o HGT)

65 266 G. Bello et al. / Infection, Genetics and Evolution 7 (2007) Infection, Genetics and Evolution 7 (2007) Demographic history of HIV-1 subtypes B and F in Brazil Gonzalo Bello *, Walter A. Eyer-Silva, José C. Couto-Fernandez, Monick L. Guimarães, Saada L. Chequer-Fernandez, Sylvia L.M. Teixeira, Mariza G. Morgado Laboratory of AIDS and Molecular Immunology, Department of Immunology, Oswaldo Cruz Institute FIOCRUZ, Av. Brasil 4365, Rio de Janeiro, RJ, Brazil Received 3 August 2006; received in revised form 30 October 2006; accepted 1 November 2006 Available online 5 December 2006 The reconstruction of the epidemic history of several HIV populations, 52

66 In particular, subtype 1b is older and grew more slowly than subtypes 1a and 3a, and is associated with multiple age classes. In contrast, subtypes 1a and 3b are associated with younger people infected more recently, possibly with higher rates of sexual transmission. The transmission dynamics of HCV in Sa õ Paulo therefore vary by subtype and are determined by a combination of age, risk exposure and underlying social network. We conclude that social factors may play a key role in determining the rate and pattern of HCV spread, and should influence future intervention policies. 53

67 Terapia antibiotica mirata 54

68 trasferimento di DNA fra organismi diversi Ruolo importante nell evoluzione microbica: Trasferimento Gene.co ( TGO/HGT ) Orizzontale

69 ( MGE ) Elementi Genetici Mobili

70 HGT HGT HGT

71 Esercizio 1 Diversa conservazione di domini funzionale Sequenze RND Allineamento 1 cluster, 1 funzione (?) Filogenesi 58

72 Esercizio 1 Diversa conservazione di domini funzionale Sequenze RND sequenze cluster 1 sequenze cluster 2 sequenze cluster 3 Allineamento 1 cluster, 1 funzione (?) Filogenesi 58

73 59

74 Esercizio 2 Preliminare affiliazione tassonomica sequenza 16S (X) 60

75 Esercizio 2 Preliminare affiliazione tassonomica sequenza 16S (X) + sequenze di organismi noti A X C D E 61

76 Esercizio 2 Preliminare affiliazione tassonomica sequenza 16S (X) + sequenze di organismi noti A X C D E 62

77 Esercizio 3 Individuazione di eventi di trasferimento genico orizzontale B A C D E Filogenesi di riferimento RecG

78 Esercizio 3 Individuazione di eventi di trasferimento genico orizzontale B A C D E Filogenesi di riferimento RecG

79 Esercizio 3 Individuazione di eventi di trasferimento genico orizzontale B A C D HGT di X E Filogenesi di riferimento RecG

80 Esercizio 3 Individuazione di eventi di trasferimento genico orizzontale B A C D HGT di X B A E C E D Filogenesi di riferimento RecG Filogenesi proteina IleS 64