Filogenetyka

drzewo życia

Filogenezy ( retronymes kufer słowo z gr. Φυλή, φῦλον plemię, phylon , plemienia, klanu, odmiany „i γενετικός genetikós , pochodzenia”) jest dyscypliną od genetyki i bioinformatyki , zajmująca się badaniami z rodów zajęty.

nieruchomości

Filogenetyka wykorzystuje obecnie algorytmy do określania stopnia pokrewieństwa między różnymi gatunkami lub między osobnikami gatunku na podstawie sekwencji DNA, które zostały wcześniej określone przez sekwencjonowanie DNA . Pozwala to na stworzenie drzewa filogenetycznego . Filogenetyka służy między innymi do generowania taksonomii . Zastosowane algorytmy obejmują parsymonię , metodę największej wiarygodności (metoda ML) oraz wnioskowanie bayesowskie oparte na MCMC . Przed opracowaniem sekwencjonowania DNA i komputerów filogenetyka została wyprowadzona z fenotypów przy użyciu macierzy odległości ( fenetyki ), ale kryteria różnicowania były w niektórych przypadkach niejednoznaczne, ponieważ fenotypy - nawet oglądane w krótkim okresie - podlegają wpływom i zmianom wielu inne czynniki.

historia

Drzewo życia - Heinrich Bronn

W XIV wieku franciszkański filozof Wilhelm von Ockham opracował zasadę pochodzenia lex parsimoniae . W 1763 roku opublikowano podstawową pracę pastora Thomasa Bayesa dotyczącą statystyki bayesowskiej . W XVIII wieku Pierre Simon Laplace , markiz de Laplace, wprowadził formę podejścia maksymalnego prawdopodobieństwa . W 1837 roku Karol Darwin opublikował na teorię ewolucji z reprezentacji drzewa genealogicznego . Rozróżnienie między homologią a analogią zostało po raz pierwszy dokonane przez Richarda Owena w 1843 roku . Paleontolog Heinrich Georg Bronn po raz pierwszy opublikował wymieranie i ponowne pojawienie się gatunków w drzewie genealogicznym w 1858 roku . W tym samym roku rozszerzono teorię ewolucji. Termin filogeneza został wymyślony przez Ernsta Haeckela w 1866 roku . W swojej teorii podsumowania postulował związek między filogenezą a ontogenezą , którego dziś nie da się już utrzymać. W 1893 roku opublikowano Dollo Prawo nieodwracalności stanu znaków .

1912 Ronald Fisher stosuje się maksymalną prawdopodobieństwa ( największej wiarygodności w filogenezą cząsteczkowej ). W 1921 roku nazwa została ukuta filogenetycznie przez Roberta Johna Tillyarda podczas jego klasyfikacji. W 1940 roku Lucien Cuénot wprowadził termin klad . Od 1946 roku Prasanta Chandra Mahalanobis , od 1949 Maurice Quenouille, a od 1958 John Tukey określili koncepcję prekursora.

Pierwsze streszczenie Willi Henniga pojawiło się w 1950 r., A tłumaczenie na język angielski w 1966 r. W 1952 roku William Wagner rozwinęła się dywergencji metody . W 1953 roku ukuto termin kladogeneza . Arthur Cain i Gordon Harrison używali terminu kladystyczny od 1960 roku . Od 1963 roku AWF Edwards i Cavalli-Sforza stosowali maksymalne prawdopodobieństwo w językoznawstwie. W 1965 JH Camin i Robert R. Sokal rozwinęła się parsimony Camin-Sokal i pierwszy program komputerowy do analizy kladystyczna. W tym samym roku metoda zgodności postaci została opracowana jednocześnie przez Edwarda Osborne'a Wilsona oraz Camina i Sokala. W 1966 roku powstały terminy kladystyka i kladogram . W 1969 roku James Farris opracował dynamiczne i sukcesywne ważenie, pojawiła się także analiza wagnerowska Kluge'a i Farrisa oraz CI ( wskaźnik spójności ). a także zgodność parami analizy klikowej W. Le Quesne'a. W 1970 Farris uogólnił oszczędność Wagnera. W 1971 roku Walter Fitch opublikowała w parsimony Fitch i David F. Robinson opublikował NNI ( najbliższy sąsiad interchange ), w tym samym czasie, co Moore et al. ME ( minimalna ewolucja ) Kidda i Sgaramelli-Zonta zostało również opublikowane w 1971 roku . W następnym roku E. Adams opracował konsensus Adamsa.

Pierwsze zastosowanie maksymalnego prawdopodobieństwa dla sekwencji kwasu nukleinowego miało miejsce w 1974 r. Przez J. Neymana. Farris opublikował system przedrostków rang w 1976 roku. Rok później opracował Dollo Parsimony. W 1979 roku konsensus Nelsona został opublikowany przez Garetha Nelsona, a także MAST (poddrzewo maksymalnej zgody) i GAS (poddrzewo największej zgody) autorstwa A. Gordona, a bootstrap - Bradley Efron. W 1980 roku Joseph Felsenstein opublikował PHYLIP jako pierwsze oprogramowanie do analiz filogenetycznych . W 1981 roku większościowy konsensus Margusha i MacMorrisa, ścisły konsensus Sokala i Rohlfa oraz pierwszy skuteczny algorytm maksymalnego prawdopodobieństwa autorstwa Felsensteina. W następnym roku PHYSIS autorstwa Mikevicha i Farrisa i oddziału i związanego. opublikowane przez Hendy and Penny. W 1985 roku, w oparciu o genotyp i fenotyp , opublikowano pierwszą analizę kladystyczną eukariontów przeprowadzoną przez Dianę Lipscomb . W tym samym roku bootstrap został po raz pierwszy użyty do badań filogenetycznych Felsensteina, podobnie jak scyzoryk Scotta Lanaona. W 1987 Saitou i Nei opublikowali metodę łączenia sąsiadów . W następnym roku Farris opracował wersję 1.5 Hennig86 . W 1989 r. RI ( wskaźnik retencji ) i RCI ( przeskalowany wskaźnik konsystencji ) zostały opublikowane przez Farris, a HER ( współczynnik nadmiaru homoplazji ) przez Archie. W 1990 roku opublikowano łączone komponenty ( półścisłe ) konsensus firmy Bremer, a także SPR ( przycinanie i ponowne przycinanie poddrzewa ) oraz TBR ( dzielenie i ponowne łączenie drzew ) Swofford i Olsen. W 1991 r. Nastąpił DDI ( wskaźnik decyzyjności danych ) Goloboffa. W 1993 roku Goloboff opublikował implikowane ważenie . W 1994 roku Bremer opublikował indeks rozpadu . Od 1994 r. Zredukowany konsensus kladystyczny został opracowany przez Marka Wilkinsona. W 1996 r. Pierwsza aplikacja wnioskowania bayesowskiego oparta na MCMC została opracowana niezależnie od Li, Mau oraz Rannalla i Yang. W 1998 roku Goloboff, Farris i Nixon opublikowali TNT ( Tree Analysis Using New Technology ). W 2003 roku Goloboff opublikował resampling symetryczny .

Aplikacje

Ewolucja raka

Od czasu opracowania sekwencjonowania nowej generacji ewolucję komórek nowotworowych można śledzić również na poziomie molekularnym. Jak opisano w głównym artykule Karcynogeneza , guz najpierw powstaje z mutacji w komórce. W pewnych warunkach gromadzą się dalsze mutacje, komórka dzieli się w nieskończoność i dodatkowo ogranicza naprawę DNA. Powstaje guz, który składa się z różnych populacji komórek, z których każda może mieć różne mutacje. Ta heterogeniczność guza ma ogromne znaczenie w leczeniu pacjentów z rakiem. Metody filogenetyczne pozwalają określić genealogię guza. To pokazuje, które mutacje są obecne w jakiej subpopulacji guza.

językoznawstwo

Cavalli-Sforza jako pierwszy opisał podobieństwo filogenetyki genów do ewolucji języków z języków oryginalnych . Dlatego też metody filogenetyki są wykorzystywane także do określania pochodzenia języków. Doprowadziło to między innymi do tego, że tak zwany oryginalny dom rodziny języków indoeuropejskich znajdował się w Anatolii. Jednak w nauce ten transfer zastosowania filogenetyki jest fundamentalnie kontrowersyjny, ponieważ rozprzestrzenianie się języków nie przebiega według biologiczno-ewolucyjnych wzorców, lecz raczej według własnych prawidłowości.

literatura

Indywidualne dowody

  1. ^ Charles Semple: filogenetyka. Oxford University Press, 2003, ISBN 0-19-850942-1 .
  2. David Penny: wnioskowanie o Phylogenies.-Joseph Felsenstein. 2003. Sinauer Associates, Sunderland, Massachusetts. W: Systematic Biology . taśma 53 , nie. 4 , 1 sierpnia 2004, ISSN  1063-5157 , s. 669–670 , doi : 10.1080 / 10635150490468530 ( oup.com [dostęp 13 marca 2020 r.]).
  3. ^ AWF Edwards, LL Cavalli-Sforza : Reconstruction of evolutionary trees (PDF) W: Vernon Hilton Heywood, J. McNeill: Phenetic and Phylogenetic Classification . Stowarzyszenie Systematyczne, 1964, s. 67–76.
  4. ^ Masatoshi Nei: Molecular Evolution and Phylogenetics. Oxford University Press, 2000, ISBN 0-19-513585-7 , s. 3.
  5. ^ EO Wiley: Filogenetyka. John Wiley & Sons, 2011, ISBN 978-1-118-01787-6 .
  6. T. Bayes: Esej w kierunku rozwiązania problemu w doktrynie szans. W: Phil Trans. 53, 1763, s. 370–418.
  7. ^ J. David Archibald: Edward Hitchcock's Pre-Darwinian (1840) `` Drzewo życia ''. W: Journal of the History of Biology. 2009, s. 568.
  8. ^ Charles R. Darwin, AR Wallace: O skłonności gatunków do tworzenia odmian; oraz na zachowaniu odmian i gatunków naturalnymi sposobami selekcji. Journal of the Proceedings of the Linnean Society of London. W: Zoologia. Tom 3, 1858, str. 45-50.
  9. ^ Douglas Harper: Filogeneza . W: Słownik etymologii online.
  10. Erich Blechschmidt: Początki ludzkiego życia . Springer-Verlag, 1977, s. 32.
  11. Paul Ehrlich, Richard Holm, Dennis Parnell: The Process of Evolution . McGraw-Hill, Nowy Jork 1963, s. 66.
  12. Louis Dollo: Les lois de l'évolution. W: Bull. Soc. Belge Géol. Paléont. Hydrol. Tom 7, 1893, strony 164-166.
  13. ^ Robert J. Tillyard: Nowa klasyfikacja rzędu Perlaria. W: Kanadyjski Entomolog. Tom 53, 1921, s. 35-43.
  14. ^ W. Hennig: Podstawy teorii systematyki filogenetycznej. Niemieckie Wydawnictwo Centralne, Berlin 1950.
  15. ^ W. Hennig: Systematyka filogenetyczna. Illinois University Press, Urbana 1966.
  16. ^ WH Wagner Jr .: Rodzaj paproci Diellia: struktura, powinowactwa i taksonomia. W: Univ. Calif. Publ. Botanika. Tom 26, 1952, s. 1-212.
  17. ^ 9. New Collegiate Dictionary Webstera
  18. ^ AJ Cain, GA Harrison: ważenie filetyczne. W: Proceedings of the Zoological Society of London. Tom 35, 1960, str. 1-31.
  19. ^ AWF Edwards, LL Cavalli-Sforza: Rekonstrukcja ewolucji. W: Ann. Szum. Genet. Tom 27, 1963, str. 105-106.
  20. JH Camin, RR Sokal: Metoda wnioskowania o sekwencje rozgałęzień w filogenezie. W: ewolucja. Tom 19, 1965, str. 311-326.
  21. ^ EO Wilson: Test konsystencji dla filogenezy oparty na współczesnych gatunkach. W: Systematic Zoology. Tom 14, 1965, str. 214-220.
  22. ^ JS Farris: Kolejne przybliżone podejście do ważenia znaków. W: Syst. Zool. Tom 18, 1969, str. 374-385.
  23. a b A. G. Kluge, JS Farris: Ilościowa filetyka i ewolucja anuranów. W: Syst. Zool. Tom 18, 1969, str. 1-32.
  24. ^ WJ Le Quesne: Metoda selekcji znaków w taksonomii numerycznej. W: Systematic Zoology. Tom 18, 1969, strony 201-205.
  25. ^ JS Farris: Metody obliczania drzew Wagnera. W: Syst. Zool. Tom 19, 1970, s. 83-92.
  26. ^ WM Fitch: W kierunku zdefiniowania przebiegu ewolucji: minimalna zmiana dla określonej topologii drzewa. W: Syst. Zool. Tom 20, 1971, str. 406-416.
  27. ^ DF Robinson: Porównanie oznaczonych drzew z wartościowością trzy. W: Journal of Combinatorial Theory. Tom 11, 1971, str. 105-119.
  28. KK Kidd, Laura Sgaramella-Zonta: Analiza filogenetyczna: koncepcje i metody. W: Am. J. Human Genet. Tom 23, 1971, strony 235-252.
  29. ^ E. Adams: Techniki konsensusu i porównanie drzew taksonomicznych. W: Syst. Zool. Tom 21, 1972, strony 390-397.
  30. ^ J. Neyman: Badania molekularne: źródło nowych problemów statystycznych. W: SS Gupta, J. Yackel: Statistical Decision Theory and Related Topics. Academic Press, New York 1974, s. 1–27.
  31. JS Farris: Filogenetyczna klasyfikacja skamieniałości z najnowszymi gatunkami. W: Syst. Zool. Tom 25, 1976, str. 271-282.
  32. ^ JS Farris: Analiza filogenetyczna pod prawem Dollo. W: Syst. Zool. 26, 1977, s. 77-88.
  33. Gareth J. Nelson: Cladistic Analysis and Synthesis: Principles and Definitions, z uwagą historyczną na temat Familles des Plantes Adansona (1763-1764). W: Syst. Zool. Tom 28, 1979, str. 1-21. doi: 10.1093 / sysbio / 28.1.1
  34. ^ AD Gordon: Miara zgodności między rankingami. W: Biometrika. Tom 66, 1979, strony 7-15. doi: 10.1093 / biomet / 66.1.7
  35. B. Efron: Metody bootstrap: kolejne spojrzenie na scyzoryk. W: Ann. Stat. 7, 1979, str. 1-26.
  36. T. Margush, FR McMorris: Konsensus n-drzew. W: Bull. Math. Biol. Tom 43, 1981, str. 239-244.
  37. ^ RR Sokal, FJ Rohlf: Taksonomiczna zgodność w Leptopodomorpha ponownie zbadana. W: Syst. Zool. 30, 1981, str. 309-325.
  38. ^ J. Felsenstein: Ewolucyjne drzewa z sekwencji DNA: podejście z maksymalnym prawdopodobieństwem. W: J. Mol. Evol. 17, 1981, str. 368-376.
  39. ^ MD Hendy, D. Penny: Algorytmy rozgałęzione i powiązane do określenia minimalnych drzew ewolucyjnych. W: Math Biosci. 59, 1982, str. 277-290.
  40. ^ Diana Lipscomb: The Eukariotic Kingdoms. W: Kladystyka. 1, 1985, str. 127-140.
  41. ^ J. Felsenstein: Granice zaufania dotyczące filogenez: podejście wykorzystujące bootstrap. W: ewolucja. 39, 1985, str. 783-791.
  42. ^ SM Lanyon: Wykrywanie wewnętrznych niespójności w danych odległości. W: Syst. Zool. 34, 1985, str. 397-403.
  43. N. Saitou, M. Nei: Metoda łączenia sąsiadów: nowa metoda konstruowania drzew filogenetycznych. Mol. Biol. W: Evol. 4, 1987, str. 406-425.
  44. ^ JS Farris: indeks retencji i przeskalowany indeks spójności. W: Kladystyka. Tom 5, 1989, str. 417-419.
  45. ^ JW Archie: Homoplasy Excess Ratios: nowe wskaźniki do pomiaru poziomów homoplazji w systematyki filogenetycznej i krytyka wskaźnika spójności. W: Syst. Zool. Tom 38, 1989, str. 253-269.
  46. Kåre Bremer: Konsensus dotyczący komponentów łączonych. W: Kladystyka. Tom 6, 1990, str. 369-372.
  47. ^ DL Swofford, GJ Olsen: rekonstrukcja filogenezy. W: DM Hillis, G. Moritz: Molecular Systematics. Sinauer Associates, Sunderland, Mass., 1990, str. 411-501.
  48. ^ PA Goloboff: Homoplasy i wybór między kladogramami. W: Kladystyka. Tom 7, 1991, str. 215-232.
  49. PA Goloboff: Losowe dane, homoplazja i informacje. W: Kladystyka. Tom 7, 1991, str. 395-406.
  50. ^ PA Goloboff: Szacowanie wagi znaków podczas przeszukiwania drzewa. W: Kladystyka. 9, 1993, str. 83-91.
  51. ^ K. Bremer: Wsparcie gałęzi i stabilność drzewa. W: Kladystyka. 1994. doi: 10.1111 / j.1096-0031.1994.tb00179.x
  52. ^ Mark Wilkinson: Wspólne informacje kladystyczne i ich konsensus: zredukowane drzewa i profile konsensusu kladystycznego. W: Syst. Biol. Vol. 43, 1994, str. 343-368.
  53. ^ Mark Wilkinson: Więcej o metodach ograniczonego konsensusu. W: Syst. Biol. Vol. 44, 1995, str. 436-440.
  54. ^ S. Li: Konstrukcja drzewa filogenetycznego przy użyciu Markov Chain Monte Carlo. Ph.D. rozprawa, Ohio State University, Columbus 1996.
  55. ^ B. Mau: Bayesowskie wnioskowanie filogenetyczne poprzez metody Monte Carlo z łańcuchem Markowa. Ph.D. rozprawa, University of Wisconsin, Madison 1996. (streszczenie)
  56. B. Rannala, Z. Yang: Rozkład prawdopodobieństwa molekularnych drzew ewolucyjnych: nowa metoda wnioskowania filogenetycznego. W: J. Mol. Evol. 43, 1996, str. 304-311.
  57. Pablo Goloboff, James Farris, Mari Källersjö, Bengt Oxelman, Maria Ramiacuterez, Claudia Szumik: Improvements to resampling środków wsparcia grupowego. W: Kladystyka. 19, 2003, s. 324-332.
  58. Niko Beerenwinkel, Chris D. Greenman, Jens Lagergren: Obliczeniowa biologia raka: perspektywa ewolucyjna . W: PLoS Computational Biology . taśma 12 , nie. 2 , 4 lutego, 2016 ISSN  1553-734X , doi : 10.1371 / journal.pcbi.1004717 , PMID 26845763 , PMC 4742235 (free full text).
  59. Niko Beerenwinkel, Chris D. Greenman, Jens Lagergren: Obliczeniowa biologia raka: perspektywa ewolucyjna . W: PLoS Computational Biology . taśma 12 , nie. 2 , 4 lutego, 2016 ISSN  1553-734X , doi : 10.1371 / journal.pcbi.1004717 , PMID 26845763 , PMC 4742235 (free full text).
  60. Niko Beerenwinkel, Roland F. Schwarz, Moritz Gerstung, Florian Markowetz: Cancer Evolution: Mathematical Models and Computational Inference . W: Systematic Biology . taśma 64 , nie. 1 , 1 stycznia 2015, ISSN  1063-5157 , s. e1-e25 , doi : 10.1093 / sysbio / syu081 .
  61. LL Cavalli-Sforza: Ewolucyjne spojrzenie na językoznawstwo. W: MY Chen, OJ-L. Tzeng: Interdyscyplinarne badania języka i zmiany języka. Pyramid, Taipei 1994, s. 17–28.
  62. LL Cavalli-Sforza, William S.-Y. Wang: Odległość przestrzenna i zamiana leksykalna. W: Język. Vol. 62, 1986, str. 38-55.
  63. Remco Bouckaert, Philippe Lemey, Michael Dunn, Simon J. Greenhill, Alexander V. Alekseyenko: Mapowanie pochodzenia i ekspansja indoeuropejskiej rodziny językowej . W: Science . taśma 337 , nie. 6097 , 24 sierpnia 2012, ISSN  0036-8075 , s. 957-960 , doi : 10.1126 / science.1219669 , PMID 22923579 .
  64. Remco Bouckaert, Philippe Lemey, Michael Dunn, Simon J. Greenhill, Alexander V. Alekseyenko: Mapowanie pochodzenia i ekspansja indoeuropejskiej rodziny językowej . W: Science . taśma 337 , nie. 6097 , 24 sierpnia 2012, ISSN  0036-8075 , s. 957-960 , doi : 10.1126 / science.1219669 , PMID 22923579 , PMC 4112997 (pełny tekst wolny) - ( sciencemag.org [dostęp: 29 marca 2020]).
  65. Lewis, Martin W., Pereltsvaig, Asya: The Indo-European Controversy: Facts and Fallacies in Historical Linguistics . Cambridge University Press, Cambridge, Wielka Brytania 2015, ISBN 978-1-316-31924-6 , doi : 10.1017 / CBO9781107294332 .