een fylogenetische boom is een mobiel

Niet een mobieltje, als in ‘mobiele telefoon’, maar een mobiel: zo’n ding om aan het plafond te hangen. Dit soort mobiel:

figuur 1: een mobiel ‘ninja’s tegen piraten’

Om elk vertakkingspunt kan de mobiel draaien. Afstand kun je alleen meten door langs de ijzedraadjes en het garen te gaan.De ninja met het japanse zwaard en de piraat met het rapier zijn even ver van de springende piraat of ninja rechts op het plaatje.

Zo ook een fylogenetische boom:

boom 1

is dezelfde boom als

boom 2

en ook dezelfde boom als

boom 3.

Je mag afstanden alleen via de lijnen meten. De meeste mensen prefereren een lay-out als boom 2 boven een lay-out als boom 1. En vaak is er de neiging de diepste vertakking onderaan te zetten:

boom 4

Dat betekent niet dat evolutie gericht is op soort A of mitochondriale DNA sequentie A. Het betekent dat mensen deze lay-out mooier vinden.

Twee plaatjes van dezelfde fylogenetische boom van 16 Felis silvestris Wilde Katten, gemaakt met het plotprogramma TreeView op grond van de zelfde sortering:

unrooted

als phylogram.

Afstanden vind je alleen langs de lijnen. Het is de volgorde van de vertakkingen die belangrijk is, niet hoe ze op het papier verdeeld staan.

Gesorteerde groep en fylogenetische boom

De eerste blogpost over het sorteren van katten op grond van hun mitochondriaal DNA is van 17 mei. Op 25 mei, in de volgende blogpost over het sorteren van die katten, werd zonder meer gezegd dat het sorteren geleid had tot een fylogenetische boom. Zo’n fylogenetische boom is een hypothese, die te toetsen valt door een langere mitochondriaal DNA sequentie te gebruiken, of meer katten te sequencen voor dat stuk mitochondriaal DNA.

Tussen de eerste en de tweede blogpost is iets onder tafel gemoffeld, en Rino Zandee viel daar hoogst terecht over. Zo lijkt het erg alsof de methode een fylogenetische boom levert – en dat is niet zo. De methode levert een sortering. ClustalW dat ik hier gebruik, heeft maar één voordeel: het is gratis voor iedereen via het internet te bereiken en gemakkelijk in het gebruik. Iedereen kan proberen de sorteringen na te doen. Ooit – als er een goede aanleiding voor is – zullen de betere methoden voor sorteren op dit blog geïntroduceerd worden.

ClustalW sorteert alles. Ik kan de computer onafhankelijk van elkaar 10 reeksen van elk 200 toevalstrekkingen uit de getallen 1, 2, 3, 4 laten maken, en 1, 2, 3, 4 vervangen door A, C, G, T om het een beetje op een DNA sequentie te laten lijken. Dan sorteert ClustalW dat als het de opdracht krijgt, en het resultaat is bv zo:

klikken voor vergroting.
Figuur 1: 10 toevals 'sequenties'.

Dit is (natuurlijk!) geen fylogenetische boom. Of een sortering een fylogenetische boom genoemd wordt hangt af van het gesorteerde materiaal. Bij de katten gaat het om mitochondriaal DNA.

Nu weten we dat mitochondria alleen van moeder op kind overerven, in feite als ongeslachtelijke overerving. We weten ook dat er geen DNA uitwisseling is tussen mitochondria. Er is geen recombinatie in het mitochondrion tussen de 2-10 aanwezige mtDNA strengen. Elk kind krigt de DNA volgorde van de mitochondria in de eicel van de moeder. De enige mogelijkheid tot verandering in het mitochondriale DNA is mutatie.

Een mitochondriale DNA volgorde in de moeder kan muteren, zodat de kinderen twee verschillende DNA volgorden bezitten, elk met een andere base op 1 DNA positie. Het gebeurt wel dat mensen twee verschillende typen mtDNA bezitten: tsaar Nicolaas II bijvoorbeeld. Het is daarna mogelijk dat de twee verschillende typen mtDNA in twee verschillende dochters terecht komen. Zo krijgen we een splitsing in de afstammingslijnen van DNA en een fylogenetische boom.

Bij nucleair DNA zouden we geen fylogenetische boom krijgen: dan is er paternaal en maternaal DNA door elkaar en recombinatie. Dan geeft de sortering alleen overeenkomst.

************
ClustalW is te vinden op http://www.ebi.ac.uk/Tools/clustalw2/index.html
Voor mtDNA van tsar Nicolaas II:
B. Sykes, 2002. De zeven dochters van Eva. Rainbow pocket.

Sorteren op weinig en sorteren op meer gegevens

Eerder in dit blog zijn de Italiaanse Europese Wilde Katten gesorteerd op een deel van hun mitochondriaal DNA. Dat is toen gedaan voor een stukje van 50 basen uit het gerapporteerde DNA. Er bleken toen op grond van de base-volgorde van dat stukje mitochondriaal DNA twee groepjes katten te zijn: een groepje met 11 katten en een groepje met 5 katten. Het groepje met 5 katten bevat oa kat Fsi72, en het groepje met 11 katten bevat oa kat Fsi99.


figuur 1: klik voor vergroting
Fylogenetische boom van 16 katten op 50 basen mitochondriaal DNA;

Een fylogenetisch boom is een hypothese. Deze hypothese kunnen we testen door meer DNA basen in de sortering op te nemen. Het artikel van Randi et al. (2001) rapporteerde 688 basen.

Welke fylogenetische boom krijgen we als we 688 basen gebruiken?

Deze:

figuur 2: klik voor vergroting
Fylogenetische boom van 16 katten op 688 basen mitochondriaal DNA;

Nu worden de katten gesorteerd in 3 groepjes. Er zijn nu 10 katten in een groep met kat Fsi99, met duidelijker ondersortering. De overige 6 katten staan dichter bij elkaar dan bij elk van de katten in de groep met Fsi99 – bedenk dat we alleen via de lijnen mogen lopen. Deze zes katten vormen nu een groep van 4, met Fsi72, en en een groep van twee katten, Fsi22 en Fsi90. Katten Fsi22 en Fsi90 hoorden ook al bij elkaar in de sortering op 50 basepaar, maar dat was niet zo goed te zien (omdat de labels over elkaar staan).

Kat Fsi84 is verhuisd: van de groep met Fsi99 naar de groep met Fsi72. Dat kan gebeuren als er meer gegevens zijn.

Sorteren op meer base paar geeft al met al een beter gedifferentieerde sortering, en een beter inzicht welke kat het meest (in zijn mt-DNA) op welke andere kat lijkt.

-------------------------
E. Randi, M. Pierpaoli, M. Beaumont, B. Ragni & A. Sforzi, 2001. Genetic identification of wild and domestic cats (Felis silvestris) and their hybrids using Bayesian methods. Molecular Biology and Evolution 18:1679-1693.