授業/H24/進化生物学I/系統推定演習

コンピュータを利用した系統解析 †

これまでの授業で最節約法、NJ法、最尤法、ベイズ法を学んできたが、いずれの系統推定方法においても、コンピュータの利用は不可欠であることを学んだ。また、コンピュータを利用してさえ、解析に非常に時間がかかる場合があるということも学んだ。今回の授業では、ウェブ上で公開されているインターフェースを利用して、実際のデータを解析する方法を学ぶ。

コンピュータを利用した系統解析
- サンプルデータ
  - アラインメント
- 最尤法による系統推定
  - 分子進化モデルの選択
  - 最尤法による系統推定：morePhyML

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サンプルデータ †

サンプルデータには、H23年度情報処理第13回授業で用いた、ヨツバシオガマの葉緑体DNAの塩基配列データを用いる（→Pedic.fst）。この情報処理授業では、ClustalWを用いて、塩基配列のアラインメントと、NJ法を用いた系統解析を行った。ここでもういちど、当該情報処理授業を復習しておくと良いだろう。

生物学科の学部生は、コンピュータを用いた４つの系統推定法を、以下の授業で学ぶ。

NJ法：1年次情報授業。ClustalXを用いたアラインメントとNJ法による系統推定。ブーツストラップ解析。
最節約法：本授業。第13回授業の自習課題。DNAPARSを用いた解析
最尤法：本授業。ウェブインターフェースを利用してPhyMLで系統推定
ベイズ法：本授業。ウェブインターフェースを利用

なお、この授業で行う演習内容が、次回授業の次週課題の解説になっているので、操作方法やデータ処理の方法は、注意して聞いておく方がよいだろう。

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アラインメント †

上のPedic.fstはアラインメントしていない。
系統解析を実施する前に、配列データのアラインメントは不可欠!
EMBLのサイト（http://www.ebi.ac.uk/Tools/msa/clustalw2/）や下記Phylemon2のサイトで、ClustalW等をつかってアラインメントしておく。
アラインメント済みのデータファイルも右にアップロードしておく（→(Pedic_align.fst）。

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最尤法による系統推定 †

最尤法による系統推定には、次の２つのステップが必要になる。

分子進化モデルの選択
最尤法による系統推定

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分子進化モデルの選択 †

解析対象とするデータに適した分子進化モデルは、ModeltestやjModeltestなどのソフトウェアを用いて選択することができる。ここでは、分子系統解析の統合ウェブサイトであるPhylemon2で提供されるjModeltestを用いて、サンプルデータに適した分子進化モデルを選択する。

Phylemon2にアクセス
上部メニュー： Evolutionary Testをクリック
- Evolutionary Test Tools の中から JModelTestをクリック
アラインメント済みのデータ（FASTA形式）を、テキストエリア（Or enter your data from text）にペースト
Likelihoodオプションで
- Number of substitution schemes　は 3を選択
Calculationオプションで
- Akaike Information Criterion をチェック
画面下部のRUNをクリック
解析中のデータが、右側のJob listに表示される。finishedと表示されたら、sample nameをクリック
左側パネルに表示される「Results file created : jModelTest.txt 」のリンクをクリックし、jModelTest.txtをダウンロードして表示

AICのパートで最上部にリストされたモデルを選択する。ここで選択されたモデルは最尤法の他、ベイズ法による系統推定にも使える。

例：下の例の場合、K80+Gが選択されたモデル

Model             -lnL    K         AIC      delta      weight cumWeight
------------------------------------------------------------------------ 
K80+G        1269.5448   36   2611.0897     0.0000      0.3026    0.3026 
K80          1270.6076   35   2611.2152     0.1255      0.2841    0.5867 
JC+G         1271.0839   35   2612.1678     1.0781      0.1765    0.7632 
JC           1272.1992   34   2612.3984     1.3087      0.1573    0.9205 
SYM+G        1267.5512   40   2615.1023     4.0126      0.0407    0.9611 
SYM          1268.5972   39   2615.1943     4.1046      0.0389    1.0000
------------------------------------------------------------------------
-lnL:	negative log likelihod
 K:	number of estimated parameters
 AIC:	Akaike Information Criterion
 delta:	AIC difference
 weight:	AIC weight
 cumWeight:	cumulative AIC weight

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最尤法による系統推定：morePhyML †

ここでは、パスツール研究所が提供している系統解析のウェブインターフェースから、PhyML を用いる

1. パスツール研究所PhyML 3.0 のページにアクセス　http://mobyle.pasteur.fr/cgi-bin/portal.py?#forms::phyml
2. インプットファイルには、PHYLIP形式にフォーマットされたデータが必要になる。
```
系統推定では、それぞれのソフトウェアがそれぞれ異なるデータ形式を用いるので、注意が必要
```
- データフォーマットの変更（前もってやっておくと良い）
- ReadSeqのウェブサービス：　http://www-bimas.cit.nih.gov/cgi-bin/molbio/sequence_conversion　にアクセス
- テキストエリアにアラインメント済みのFASTA形式データをペースト
- アウトプット形式に Phylip を選択
- 変換済みデータをコピー
3. http://mobyle.pasteur.fr/cgi-bin/portal.py?#forms::phyml　にアクセスし、モデル選択の結果に従ってオプションを指定
- 上のモデル選択の結果だと、
  - K80
  - Gamma estimate: yes
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。