Молекулярная филогенетика и эволюционный анализ

Молекулярная филогенетика реконструирует эволюционные взаимосвязи между вирусами на основе их генетических последовательностей, представляя их в виде древовидной структуры, где ветвление отражает общее происхождение и дивергенцию. Применяемая к вирусным последовательностям, полученным диагностическими и надзорными лабораториями, она идентифицирует варианты, отслеживает родство вирусов и поддерживает выводы об их эволюции и распространении.

Definition

Молекулярная филогенетика — это вывод об эволюционных взаимосвязях между вирусами на основе выровненных нуклеотидных или аминокислотных последовательностей, в результате чего создаются деревья, топология и длины ветвей которых суммируют общее происхождение и генетическую дивергенцию.

Scope

Эта тема охватывает принципы построения и интерпретации филогенетических деревьев на основе вирусных последовательностей: выравнивание последовательностей, дистанционные и символьные методы построения деревьев, статистическую поддержку, такую как бутстреп, и использование филогений для характеристики вариантов и эволюционных взаимосвязей. Это методологический и аналитический справочник, который не содержит протоколов или рекомендаций по клиническому ведению.

Core questions

• Как выровненные вирусные последовательности превращаются в дерево эволюционных взаимосвязей?
• Что представляют собой порядок ветвления и длина ветви?
• Как оценивается достоверность структуры дерева?
• Как филогении могут способствовать пониманию вирусных вариантов, разнообразия и распространения?

Key concepts

• Выравнивание последовательностей
• Топология филогенетического дерева и длина ветви
• Дистанционные методы (например, присоединение соседей)
• Максимальное правдоподобие и байесовский вывод
• Модели замещения
• Бутстреп-поддержка
• Молекулярные часы
• Геномная эпидемиология и филодинамика

Mechanisms

Филогенетический анализ начинается с выравнивания гомологичных вирусных последовательностей таким образом, чтобы сравнивались соответствующие позиции. На основе выравнивания взаимосвязи могут быть выведены с помощью дистанционных методов, которые суммируют попарные различия в дерево (как в методе присоединения соседей), или с помощью символьных методов, таких как максимальное правдоподобие и байесовский вывод, которые оценивают, насколько хорошо кандидатные деревья объясняют наблюдаемые последовательности в рамках модели замещения нуклеотидов. Топология полученного дерева показывает предполагаемое происхождение, а длины его ветвей отражают оцененные генетические изменения. Доверие к ветвлению обычно оценивается с помощью бутстрепа, который повторно сэмплирует участки для оценки того, насколько последовательно повторяется группировка. При включении дат отбора проб модели молекулярных часов связывают генетическую дивергенцию со временем, поддерживая филодинамический вывод о темпе и закономерностях вирусной эволюции и распространения.

Clinical relevance

Филогенетический анализ связывает лабораторное обнаружение с характеристикой, помещая обнаруженные вирусы в их эволюционный контекст, помогая определить варианты и понять родство между изолятами. Эта статья описывает аналитические методы и то, что деревья могут и не могут показать; она носит описательный характер и не является основой для индивидуальных диагностических или лечебных решений.

Epidemiology

Геномный и филогенетический надзор стал рутинным дополнением к молекулярной диагностике, используемым для отслеживания появляющихся вариантов и реконструкции путей передачи; крупномасштабное секвенирование во время пандемии COVID-19 сделало филогенетический мониторинг эволюции вируса в реальном времени заметной деятельностью общественного здравоохранения.

History

Количественная филогенетика развивалась в 1980-х годах, когда были формализованы методы вывода и оценки деревьев по молекулярным данным: Фельзенштейн ввел бутстреп для оценки достоверности в 1985 году, а Сайтоу и Ней описали широко используемый алгоритм присоединения соседей в 1987 году. Программное обеспечение, такое как пакет MEGA, обновленный до версии 11 в 2021 году, сделало эти анализы широко доступными и широко применяется к данным вирусных последовательностей.

Key figures

• Joseph Felsenstein
• Masatoshi Nei
• Naruya Saitou

Seminal works

• felsenstein-1985
• saitou-nei-1987
• tamura-2021

Frequently asked questions

Что показывает филогенетическое дерево вирусов?

Оно показывает предполагаемые эволюционные взаимосвязи между вирусными последовательностями: порядок ветвления отражает общее происхождение и дивергенцию, а длины ветвей отражают величину оцененного генетического изменения. Это гипотеза о родстве, а не прямое наблюдение истории.

Почему бутстреп-поддержка сообщается вместе с филогенетическими деревьями?

Бутстреп повторно сэмплирует позиции в выравнивании, чтобы проверить, насколько последовательно появляется каждая группировка, давая меру достоверности ветвей. Низкая поддержка указывает на то, что конкретная взаимосвязь в дереве неопределенна.