Una rappresentazione dell’evoluzione

Un’altra rappresentazione dell’evoluzione

Un’altra rappresentazione dell’evoluzione

Orangutan Gorilla Chimpanzee Human

La rappresentazione ad albero delle somiglianze

Classificazione della diversità

Ernst Haeckel “Tree of life”

Charles Darwin – Origin of Species (1859)Illustration of ‘descent with modification’

Theory of Evolution: Life is monophyletic

• All organisms on Earth had a common ancestor.

• Any two organisms share a common ancestor in their past.

Ancestor

Descendant 1 Descendant 2

Theory of Evolution:• Speciation events lead to creation of different species (two species ).

• Speciation caused by physical separation into groups where different genetic variants become dominant.

Ancestor

Descendant 1 Descendant 2

Ancestor

Ancestor

Ancestor

extinct

extant 1 extant 2

The genetic distance between any two extantorganisms is computable.

The differences The differences between 1 and 2 between 1 and 2 are the result of are the result of changes on the changes on the lineage leading to lineage leading to descendant 1 + descendant 1 + those on the those on the lineage leading to lineage leading to descendant 2.descendant 2.

descendant 1 descendant 2

ancestor

Thus, any set of species are related: the relation is Phylogeny

The relationships can be represented by Phylogenetic Tree (or dendrogram)

5 MYA

120 MYA

1,500 MYAMYA = Million Years Ago

Phylogeny is

The study of relationships between biological entities.

The inference of evolutionary relationships

The inference of putative common ancestors

Trees

Relazioni filogenetiche• Due linee evolutive si assomigliano di più tra di loro

rispetto ad una terza linea evolutiva se condividonoPRIMA (in tempi più recenti) un antenato comune

• Le ipotesi filogenetiche sono ipotesi che riguardano gliantenati comuni

Frog

Toad

Oak

(Frog,Toad)OakHypothetical ancestral lineage

Un albero molto vecchio !

Alberi filogenetici

Example 1: Example 1: Which species are closest to Which species are closest to

Human?Human?Human

Chimpanzee

Gorilla

Orangutan

Gorilla

Chimpanzee

Orangutan

Human

Molecular analysis:Chimpanzee is related more closely

to human than the gorilla

Pre-Molecular analysis:The great apes

(chimpanzee, Gorilla & orangutan)Separate from the human

Species phylogeny

Orangutan Gorilla Chimpanzee Human

Alberi filogenetici

Alberi filogenetici

Gli alberi di popolazioni

Un albero di singoli individui

Gli alberi di popolazioni e gli alberi delle lingue

Il suo albero filogenetico

La famiglia delle globine

Ricostruzione filogenetica

Classificazione tradizionale

Classificazione filogenetica

Il panda gigante non fa parte della famiglia dei procioni ma di quella degli orsi!

L’albero filogenetico

A B C D E F G H I J

ROOT

polytomy

terminal branches

interior branches

node 1 node 2

LEAVES

- text based representation of relationships.

NewickNewick formatformat

A

B

C

D

E

((A,B),(C,(D,E)));

Levels of Resolution on a Phylogenetic Tree

Alberi con e senza radice

ROOTA

B

C

D E

F

GH

I

J

A B C D E F GH I J

ROOT

A B C D E F G H I J

ROOT

TIME

ROOTING: TROVARE LA RADICE DI UN ALBERO

• Outgroup: utilizzo un gruppo “esterno” alla filogenesi che sto analizzando

- Assumo che l’outgroup si sia separato prima di tutti gli altri - La divergenza dell’outgroup non deve essere né troppo piccola né troppo grande

•Mid-point: a metà del ramo più lungo che unisce due OTU- Assumo tassi approssimativamente costanti

Rooted vs. Rooted vs. unrootedunrooted treestrees

1

2

3

3 1

2

Alberi senza radice (unrooted) e con radice (rooted)

Number of bifurcating rooted trees(NR) for n OTUs

)!2(2

)!32(2 −

−=

− n

nN

nR2≥n

Number of bifurcating unrooted trees(NU) for n OTUs

)!3(2

)!52(3 −

−=

− n

nN

nU3≥n

NR=(2n-3)NU

How do we know which of the

8,200,794,532,637,891,559,375 trees is true?

We don’t, we infer by using decision criteria.

Questioni di estetica...

Same thingSame thing

s4 s5s1 s3s2s4 s5s1 s3s2

=

Monophyletic taxon: A group composed of a collection of organisms, including the most recent common ancestor of all those organisms and all the descendants of that most recent common ancestor. A monophyletic taxon is also called a clade.

Examples :Mammalia, Aves (birds), angiosperms, insects, etc.

Paraphyletic taxon: A group composed of a collection of organisms, including the most recent common ancestor of all those organisms. Unlike a monophyletic group, a paraphyletic taxon does not include allthe descendants of the most recent common ancestor.

Examples : Fish (include agnatae), invertebrates (exclude vertebrates), etc.

I rettili sono parafiletici

Ricostruzione filogenetica

Classificazione tradizionale

Classificazione filogenetica

Polyphyletic taxon: A group composed of a collection of organisms in which the most recent common ancestor of all the included organisms isnot included, usually because the common ancestor lacksthe characteristics of the group (and this characteristicsevolved independentlyin the different lineages). Polyphyletic taxa are considered "unnatural", and usually are reclassified once they are discovered to be polyphyletic.

Examples :marine mammals, bipedal mammals, flying vertebrates, warmblooded animals, etc.

L’omologia

• Un carattere che si è evoluto una volta e non ha subito reversioni ha un valore filogenetico.

• La somiglianza è detta omologia

Lizard

Frog

Human

Dog

HAIR

absentpresentchange

or step

“The natural system is based upon descent withmodification .. the characters that naturalistsconsider as showing true affinity (i.e. homologies) are those which have been inherited from a common parent, and, in so far as all trueclassification is genealogical; that community of descent is the common bond that naturalists havebeen seeking”

(Charles Darwin, Origin of species 1859 p. 413)

Darwin and homology

L’omologia nella struttura dell’arto anteriore dei vertebrati

Before Darwin, homology was defined morphologically.

Similarity between properties in various species.

Example:• Bats and butterflies fly, but the structures are different.• Bats fly and whales swim, yet the bones in a bat's wing

and a whale's flipper are strikingly alike.

Conclusions: 1. Bats and butterflies wings are not homologous.2. Bat wings and whales flippers are homologous.

What is Homology ?What is Homology ?

• L’omoplasia (analogia) è una somiglianzaNON dovuta alla condivisione di un antenato comune

• E’ il risultato di evoluzione indipendente(convergenza, parallelismo, reversione)

• Omoplasia può produrre false filogenesi

Omoplasia (analogia): evoluzione indipendente

Omoplasia (evoluzioneindipendente)

HumanLizard

Frog Dog

TAIL

absentpresent

Ci sono due eventi indipendenti nella storia diqueste specie e di questo carattere

Omoplasia: ricostruzione filogeneticaERRATA

• Se interpretata come una omologia, le analogieportano a ricostruzioni errate: uomini e raneinsieme, e lucertole e cani

Human

Frog

Lizard

Dog

TAIL

absentpresent

L’analogia nell’ala degli uccelli e dei pipistrelli

Fig. 1. Evidence for a 1, 2, 3 identity of wing digits (A–L). Phylogenetic homology of the digits of the wing to digits 1, 2, and 3.Successive taxa share a more recent common ancestor with modern birds. (A) Alligator, (B) the ornithischian dinosaurHeterodontosaurs, (C) the early theropod Herrerasaurus, (D) the neotheropod Coelophysis, (E) the tetanuran Allosaurus, (F) theearly maniraptoran Ornitholestes, (G) the early bird Archaeopteryx, (H) the enanthiornithine bird Sinornis, (I) hatchling of theliving bird Opisthocomus, (J) 12.5 day embryo of the duck Anas, (K) the adult chicken Gallus, (L) adult Opisthocomus. (M–O)Expression of Hoxd12 (left) and Hoxd13 (right) in developing wild-type limbs. (M) Mouse hand at 12.5 dpc, (N) chicken foot atday 8 (stage 34), (O) chicken wing at day 8 (stage 34). Expression of Hoxd13 in the absence of Hoxd12 expression in the wing isconsistent with a digit 1 identity of the anterior digit as expected for a theropod dinosaur with digits 1, 2, and 3.

La convergenza evolutiva nella morfologia(funzioni simili con strutture diverse)(per proteine, simile funzione con sequenze molto diverse)(in genere tra taxa molto distanti)

La convergenza evolutiva nella morfologia

Evoluzione parallela(una forma di evoluzione indipendente simile alla convergenza ma: funzione

simile con struttura simile; per proteine: simile funzione con simile sequenza)(in genere tra taxa filogeneticamente

vicini)

Omoplasia per reversione(per esempio, l’assenza di ali negli insetti può essere una condizione

primitiva (Tisanuri, chiamati anche pesciolino d’argento)o derivata (pulci)

Omoplasia: evoluzioneconvergente

Vera filogenesi Errata ricostruzione

23 4 5 6 9 107 8 11 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Omoplasia: reversione(per esempio, l’assenza di ali negli insetti può essere una

condizione primitiva (

Vera filogenesi Errata ricostruzione

101 2 3 4 5 67 8 91 2 3 4 5 6 7 8 9 10

L’omoplasia è uno tra i problemi principali nelle

ricostruzioni filogenetiche

• E’ necessario distinguere le omologie dalleanalogie

Distinguishing homology and homoplasy

• Morphologists use a variety of techniques to distinguish homoplasy and homology

• Homologous features are expected to display detailed similarity (in position, structure, development) whereas homoplastic similarities are more likely to be superficial

• As recognised by Charles Darwin congruence with other characters provides the most compelling evidence for homology

Analogia

Omologia

Omoplasia e inconguenze• Assumendo che esiste una sola filogenesi corretta:

• ricostruzioni filogenetiche sulla base di caratteridiversi possono produrre alberi diversi

• l’omoplasia produce incongruenze tra caratteri

Incongruenze

• I due alberi sono diversi, ma esiste solo un albero “vero” ==> i due caratteri sono incongruenti, almeno uno deveessere omoplasico

Lizard

Frog

Human

Dog

HAIR

absentpresent

Human

Frog

Lizard

Dog

TAIL

absentpresent

The importance of congruence

• “The importance, for classification, of trifling characters, mainly depends on their being correlated with several other characters of more or less importance. The value indeed of an aggregate of characters is very evident ........ a classification founded on any single character, however important that may be, has always failed.”

• Charles Darwin, Origin of Species

Congruence

• We prefer the ‘true’ tree because it is supported by multiple congruent characters

Lizard

Frog

Human

Dog

MAMMALIAHairSingle bone in lower jawLactation

Le filogenesi basate sul DNA

Nucleotide character data

Characters: position in the nucleotide sequence.(i.e. position 352)

Character states: nucleotide at the positionin the nucleotide sequence.(G, A, T, or C)

Homoplasy in molecular data

• Homoplasy can be common in molecular sequence data

– Character states are chemically identical

– There are a limited number of alternative character states ( e.g. Only A, G, C and T in DNA)

– Rates of evolution are sometimes high

• Homology and homoplasy cannot be distinguished by detailed study of similarity and differences

Omoplasia a livello molecolare

ACTGAACGTAACGC

AATGAAAGAATCGCT

ACTGGAGGAATCGC

CT

C

Single substitution

Sequential substitution

Coincidental substitution

Parallel substitution

Convergent substitution

Back substitution

homology - descent from a common ancestor

orthology - descent from a speciation event

paralogy - descent from a duplication event

xenology - descent from a horizontal transfer event

Subsets of homology

• any characters are homologous if they have descended from a common ancestor

Implications of horizontal transferFacts:Horizontal transfer is far more common than previously imaginedMany genomes are in fact chimeras with genes from diff sources

Open questions:Can relationships between species accurately be

represented as strictly bifurcating trees?Or is the pattern of evolution more reticulate

(i.e. more like a network)?Is there some core of genes that retains the signal of

speciation events (i.e. is resistant to horizontal transfer)?

ReticulateEvolution

(due to HT) W Martin (1999) Bioessays 21: 99

Paralogous genes�derived from a duplication event

Orthologous genes�derived from a speciation event

Homologous genes

OrthologsOrthologs & & ParalogsParalogs

α

βα

βαβα

Duplication

Speciation

Species a Species b

Paralogs

Orthologs

Orthologs

Reconstruction of species phylogeny: artefacts due to paralogy

!! Gene loss can occur during evolution : even with complete gen!! Gene loss can occur during evolution : even with complete genome sequences it may be ome sequences it may be difficult to detect difficult to detect paralogyparalogy !!!!

Rat Mouse Rat Mouse

GNS1 GNS1

GNS1 GNS2

GNS2 GNS2GNS1 GNS2

Hamster Hamster

speciation duplication

Mouse Rat

GNS GNSGNS

Hamster

true tree tree obtained with a partial sampling of homologous genes

• Se sono fortunato, dall’analisi di tanti siti riesco a ricostruire la corretta topologia. Ma comunque tendo a sottostimare i tempi di divergenza!

• Models of evolution attempt to infer the missinginformation through correcting for “multiple hits”

• In severe cases the data becomes essentially random and all information about relationships can be lost

Omologia a livello molecolare: dai siti incongruenti alla saturazione

Non sottostimo le divergenze solamente nel caso (a) !!

Il numero di differenze non aumenta linearmente con il tempo di divergenza

QUINDI

0

100

200

300

0 100 200 300 400 500 600 700 800

4001 changeper site

Estimated changes from the ML tree

Obs

erve

dch

ange

sSaturation curve for EF-1 alpha among eukaryotes

2 changesper site

3 changesper site

Devo convertire il numero di differenze nel numero di sostituzioni, che sono proporzionali

linearmente con il tempo (se il tasso di evoluzione molecolare è approssimativamente

costante…)

Svariati metodi per effettuare questa correzione basati su svariati modelli di evoluzione

molecolare che tengono conto delle diverse frequenze delle basi, dei diversi tassi di

transversione/transizione, dei diversi tassi di mutazione a siti diversi, etc.

Se sequenzio 500bp, e A e B differiscono di 50bp, D=0.1, quindi ut = numero di sostituzioni effettive per sito = 0.1073, ossia mi aspetto che siano avvenute 0.1073*500 = 53.66 sostituzioni in quella sequenza

Oppure scelgo i marcatori!

Marcatori diversi per alberi più o meno “profondi”

Quando si analizzano genotipi invece di fenotipi

• Descrizione dei caratteri non ambigua

• Somiglianza dovuta a effetti ambientali non genetici non interferisce

• Evoluzione convergente implica spesso fenotipi simili ma genotipi differenti

• Posso analizzare tanti caratteri ==> tanta variabilità e maggiore possibilità che i siti congruenti prevalgano su quelli incongruenti

• Maggiore facilità di stimare tempi di divergenza (cioè la lunghezza dei rami)

• Modelli statistici rigorosi

• Posso analizzare DNA non codificante

• Tutti gli individui hanno DNA!

La ricostruzione filogenetica basata su genotipi ha però ulteriori problemi (presenti ma non espliciti quando si analizzano dati fenotipici per la crudezza di questi dati)

1. La divergenza (o la coalescenza) è un processo casuale:- alberi di sequenze e di specie possono essere diversi- la lunghezza dei rami è una variabile casuale

2. La mutazione è un processo casuale molto complesso- il numero di mutazioni è una variabile casuale- multiple hits- siti diversi mutano a velocità (tassi) diversi- diverse mutazioni hanno diverse probabilità di avvenire

Popolazione

Genealogia del gene

Species tree / Gene tree

Species tree / Gene tree