授業/H23/系統学特論/05

最(大)節約法：　Maximum Parsimony Method †

Tools will be used today †

• PAUP Demoを使って演習をしようと考えていたが、Windows 7では動作しない可能性がある。そこで、PHYLIPを使った演習に変更する。

予備知識確認テスト †

授業を開始する前に、次の問いに答えてもらいます。

Table 1.

• 問1：Table 1のマトリクスから最節約法を用いて最節約系統樹を作成しなさい。系統樹の表記法は下の例に従うこと。

  Infer the most parsimonious trees using the data shown in Table 1.

• 問2：Table 1のマトリクスから得られた系統樹の樹長を答えなさい。

  Answer the tree length of the tree inferred from the data of Table 1.

• 問3：次の用語を説明しなさい。

  Explain the following terms

  • 3-1: 単系統群(monophyletic group)
  • 3-2: 共有派生形質(synapomorphy)
  • 3-3: 外群(outgroup)

系統樹の表記法（ニューイックフォーマット, Newic Formst) †

下の系統樹は　(M(N(A(B C))))　と表記する。

DNA塩基配列データを使った最節約法による系統推定 †

上であげた例のように、形質マトリクスが小規模なら、手作業でも最節約法による系統解析は可能。しかし、DNAの塩基配列データのように、データの数が多くなると、手作業ではまず無理。最節約法でよく用いられるのは、PAUP*（有料）とPHYLIP（無料）がある。今回は、PHYLIPを使って、DNA塩基配列を解析し、系統推定を行う。

1. アラインメント済みサンプルデータのダウンロード †

リンク先のサンプルデータをダウンロードする。Pedic_align.fst： FASTA形式でアラインメント済みの塩基配列データ。
今回の演習では、データの準備からアラインメントまで終わったものを提供しているが、自分で系統解析を行う場合は、アラインメントから行う必要がある。
アラインメントには、例えば、EMBLのサイトでClustalWを使うことができる。
http://www.ebi.ac.uk/Tools/clustalw2/index.html

2. ReadSeqによる、ファイル形式変更：　FASTA形式 → PHYLIP形式 †

系統解析ソフトによって、入力ファイルの形式は異なる。例えば、

PHYLIP   :  PHYLIP形式
PAUP*   :  NEXUS形式

今回はPHYLIPを使うので、PHYLIP形式にフォーマットを変更する。それには、ReadSeqというプログラムを使う。ダウンロードして自分のコンピュータで使っても良いが、オンラインでの利用も可能。
手順：

• 1. オンライン版ReadSeqサービスにアクセス　http://searchlauncher.bcm.tmc.edu/seq-util/Options/readseq.html
• 2. アラインメント済みのFAST形式データをテキストエディタで開き、ウィンドウにペースト
• 3. 変更先フォーマットには、　Phylip 3.2形式を選び、Perform Conversion
• 4. できあがったPhylip 3.2形式のデータは、PHYLIPでの系統解析に使える。上の例の場合、

  18 742 YF
  schistoste   AATTAAGAAT TCTGACAACA ACAAGGTCTA CTCGACACGA ATGAATTGGG
              CCTTAATGAA ATCCTTCACA GGAATCTTTC ACAAACTTCC CAACTAAATA

  というように、分類群の数とアラインメント済み配列の長さが書かれた行が１行目。この行から塩基配列の最後の行までをコピー。

3. PHYLIPによる系統解析1: DNAPARSによる最節約系統樹の表示 †

PHYLIPは様々な系統解析プログラムからできたパッケージ。詳しくは、ホームページ：　http://evolution.genetics.washington.edu/phylip.html　を参照。最節約法の他、距離行列法、最尤法も使うことができる。
今回使うのは、DNAの塩基配列データを用いて最節約法による系統解析を行う、DNAPARS. 自分のコンピュータにダウンロードして使ってもよいが、今回はパスツール研究所が提供しているウェブインターフェースを利用する。
http://bioweb2.pasteur.fr/phylogeny/intro-en.html
DNAPARS以外にも、様々な系統解析プログラムが、ウェブから利用できる。

• 1. パスツール研究所のDNAPARSのページにアクセス：　http://mobyle.pasteur.fr/cgi-bin/portal.py?#forms::dnapars
• 2. 上でPhylip 3.2形式に変換したサンプルデータをコピーして、ウィンドウにペースト。
• 3. アウトグループは１番目の分類群で
• 4. 自分のメールアドレスを入力し、CAPTCHA認証で表示された文字列を入力すると、解析が始まる。
• 5. 画面にはテキストベースとNewicフォーマットで系統樹が表示される。Newicフォーマットはセーブして、TreeView等で開けば、グラフィカルな系統樹として表示される。
• 6. ウェブ上で系統樹を図として表示させるには、Newicフォーマットの下の方にある、「View with archaeopteryx」をクリック。

4. PHYLIPによる系統解析2: DNAPARSによるブーツストラップ解析とconsenseによる合意樹作成 †

DNAPARSではブーツストラップ解析もできるが、指定した数だけ系統樹を生成するだけで、ブーツストラップ値は表示されない。

• 1. 上と同様にして、同じデータをDNAPARSで解析するが、BootStrapをYesにし、生成する系統樹の数を100指定する（＊注：通常のBootStrap解析では100は少なすぎるが、今回は計算時間を短くするために100にする）。
• 2. 系統樹が100個生成される。Newicフォーマットの出力結果を次の解析に使う。
• 3. ウィンドウの下の方に、「further analyses」というボタンがあるので、その左側のプルダウンメニューからconsenseを選んでボタンをクリック。
  consensは合意樹を作るプログラムで、ブーツストラップ解析で得られた系統樹からmajority rule consensusをとることで、ブーツストラップ確率が得られる。archaeopteryxで系統樹を表示。アウトグループは系統樹上のアウトグループの枝をクリックすると変更できる。

5. 最節約系統樹と、ブーツストラップ法で得られた合意樹の違いに注意 †

ブーツストラップ法でも系統樹は得られるが、これはあくまでも、人工的なデータで作られた系統樹の合意樹であり、最節約系統樹では無いことに注意。最節約系統樹は上のStep 3で得られた系統樹。この系統樹の枝上にStep5で得られたブーツストラップ確率を載せて示すのが良い。

第5回授業課題・提出期限：7月4日（月曜正午） †

• 1.ホームページからデータファイル（rbcL_plant.fst)をダウンロード。テキストエディタで開き、内容をコピーして、EMBLのサイト（上記）でClustalWアラインメントして、fasta形式で出力
  Download（rbcL_plant.fst) and open it by text editor. Copy all the contents and paste them to
  http://www.ebi.ac.uk/Tools/clustalw2/index.html
  Do Alignment with specifying the output format fasta.
• 2. できあがったアラインメントデータの内容をすべてコピーし
  http://searchlauncher.bcm.tmc.edu/seq-util/Options/readseq.html
  のウェブ版ReadSeqプログラムにアクセスして、テキストエリアにペースト。output formatに Phylip 3.2を選んで Perform Conversion.
  できあがったPhylip 3.2フォーマットをコピーして、　http://mobyle.pasteur.fr/cgi-bin/portal.py?#forms::dnapars　で最節約系統樹を得る。 Copy the aligned data and paste them to
  http://searchlauncher.bcm.tmc.edu/seq-util/Options/readseq.html
  and paste into the text area. Choose Phylip 3.2 for the output alignment and perform conversion.
  Copy the output data and analyze them by 　dnapars at http://mobyle.pasteur.fr/cgi-bin/portal.py?#forms::dnapars
• 3. 同じデータについてブーツストラップ解析を行う(100回あるいは1000回）。
• 4. 最節約系統樹にブーツストラップ解析の結果を載せ、Phylogram表示した画像を切り取り、メールで提出。gif, pict, jpeg形式のいずれかで提出すること。件名は「系統学特論５（学籍番号）」。

最節約法の基礎 †

最節約法を基本から勉強したいという人には、次の参考書（なんと無料！）をお勧めします。１コマの講義で節約法の全貌と、ソフトウェアを使った系統推定を理解するのは、初めての人には大変だと思います。以下の文献よ読んで、復習してください。

The Compleat Cladist　（日本語訳が「系統分類学入門」というタイトルで、文一総合出版から出ている）http://taxonomy.zoology.gla.ac.uk/teaching/CompleatCladist.pdf

Basics of Cladistic Analysis　（上よりもさらに簡単な内容）http://www.gwu.edu/~clade/faculty/lipscomb/Cladistics.pdf