Денис Соломатин - Математические модели в естественнонаучном образовании. Том II

5.6.11. Векторные кодирующие сайты и некодирующие сайты содержат индексы кодирующих и некодирующих сайтов в последовательностях приматов. Кодирующие сайты могут быть извлечены с помощью команды Seqcoding=Seqprimates(:,codingsites).

а. Вычислите частотные массивы оснований в кодирующих последовательностях для приматов путем сравнения последовательностей по два за раз. Модель Джукса-Кантора или модель Кимуры кажутся разумными, или думаете, что потребуется другая модель?

б. Повторите часть (а) для некодирующих сайтов последовательностей. Считаете ли, что одна и та же модель может применяться как к кодирующим, так и к некодирующим сайтам? Объясните, ссылаясь на данные.

5.6.12. Поскольку кодирование и некодирование могут быть различными, они могут привести к выводу различных деревьев.

а. Используя только кодирующие участки и логарифмическое расстояние, найдите дерево методом присоединения соседей для 12 приматов. Согласуется ли оно топологически с деревом, сделанным с использованием всех сайтов?

б. Используя только некодирующие участки и логарифмическое расстояние, найдите дерево методом присоединения соседей для 12 приматов. Согласуется ли оно топологически с деревом, сделанным с использованием всех сайтов?

Проектные работы:

1. Передача ВИЧ через зубы

В 1990 году в еженедельном отчете центра по контролю и профилактике заболеваний о заболеваемости и смертности сообщалось, что молодая женщина во Флориде, скорее всего, была инфицирована ВИЧ своим стоматологом. Этот вывод был основан в первую очередь на отсутствии альтернативных объяснений инфекции. Стоматолог, который был ВИЧ-положительным, затем публично попросил, чтобы его пациенты были протестированы. В общей сложности семь пациентов были признаны ВИЧ-положительными.

Конечно, амбулаторные ВИЧ-положительные больные были необязательно инфицированы стоматологом. Можно было бы ожидать, что в большой стоматологической практике будут некоторые инфицированные пациенты, чья инфекция не имеет ничего общего с их стоматологической помощью. Эпидемиологическое расследование попыталось оценить другие факторы риска для пациентов. Вероятно, в то время, как и для других заболевания, не зубные инфекции возникают в качестве сопутствующих. Однако из-за трудностей получения точных ответов от пациентов о поведении высокого риска результаты такого исследования нельзя считать окончательными.

Поскольку никаких других возможных случаев стоматологической инфекции никогда не было зарегистрировано, некоторые сомнения оставались в отношении случаев во Флориде.

В 1992 году в Science появилась статья Оу. Эта работа использовала совершенно другой подход с использованием доказательств ДНК, чтобы попытаться установить вероятность пути стоматологической инфекции для пациентов. Поскольку ВИЧ так быстро мутирует в квазивиды, можно было бы ожидать, что люди, недавно инфицированные непосредственным контактом, имеют более похожие виды, чем те, чей общий источник инфекции был более удален. Поэтому исследователи решили секвенировать очень изменчивый ген оболочки ВИЧ у каждого пациента, стоматолога и некоторых других ВИЧ-инфицированных людей, живущих поблизости, которые, как ожидалось, не имели какого-либо тесного контакта с изучаемыми случаями (то есть с местным контролем). Затем они использовали последовательности для построения филогенетического дерева и по схеме кластеризации определили, какие пациенты, по их мнению, были инфицированы стоматологом.

Некоторые из последовательностей ДНК в упомянутой статье были загружены из GenBank для использования. В MATLAB запустите m-файл flhiv.m для чтения данных последовательностей. Это создаст последовательности с именами: dnt, lc1, lc5, ptb, ptc, ptd.

Эти образцы относятся к стоматологу, местному контролю 1, местному контролю 5, пациенту b, пациенту c и пациенту d в научной статье. Хотя эти последовательности уже выровнены, они имеют разную длину, поэтому придется найти самую короткую и отрезать концы других, чтобы сравнить их.

Постройте филогенетические деревья, используя эти последовательности, и сделайте выводы о том, какие пациенты, вероятно, были инфицированы стоматологом.

Рекомендации

Лучше всего попробовать несколько различных методов строительства дерева.

Принимая решение об использовании UPGMA или метода присоединения соседей (или, возможно того и другого), учитывайте предположения, которые делают эти методы.

При выборе формулы расстояния для использования убедитесь, что просматриваете данные, чтобы увидеть, какие модели кажутся наиболее подходящими. Если разные формы дают разные деревья, то в каком из них будете наиболее уверены? Почему?

Если используете метод, который производит некорневое дерево, где нужно разместить корень?

Прежде чем использовать метод максимальной экономии, вычислите, сколько различных деревьев необходимо было бы рассмотреть, если бы все они были исследованы.

Поскольку считать экономичность вручную для большого количества деревьев практически нецелесообразно, нужно использовать столько информативных видов, сколько сочтете приемлемым, и вычислить экономичность для небольшого числа различных деревьев. Одно из этих деревьев должно быть сохранено в файле Distancemethod, а остальные должны быть деревьями, которые, по вашему мнению, также могут быть хорошими кандидатами на эту роль.

Насколько уверены в достоверности полученных результатов и почему? Если отвергаете результаты проделанной работы по построению деревьев как недостаточно строго обоснованные с математической точки зрения, то почувствуете ли большую уверенность в достоверности, просто принимая на веру слова пациентов, заинтересованных в результатах исследования различных факторов риска заражения ВИЧ? Дайте честную оценку тому, насколько ценными, по вашему мнению, являются филогенетические методы.

Всем известно, что потомство, как правило, имеет физические черты, общие с их родителями. У особей как правило прослеживается сходство в цвете волос, цвете глаз, росте и телосложении, в отдельных индивидуумах или в целом семействе. Эти селекционные черты, должно быть, были замечены в истории давным-давно, так как одомашненные животные и сельскохозяйственные культуры имеют сильно развитые черты, которые считаем полезными.

С другой стороны, черты потомства, как правило, не совсем предсказуемы при наблюдении за признаками родителей. У ребенка может быть черта, такая как гемофилия, которую ни один из родителей не проявляет, хотя такая черта может встречаться чаще в одной семье, чем в другой. Таким образом, несмотря на закономерности наследования, случайность также, по-видимому, вовлечена в процесс эволюции. Создание математической модели наследственности требует охвата таких аспектов.