Alix Boc Université du Québec à Montréal

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1 La détection des transferts latéraux de gènes : les méthodes et leur application en biolinguistique
Alix Boc Université du Québec à Montréal Bif7002 – Séminaire de Bioinformatique Well, this presentation is on the classification of IE languages using a phylogenetic network approach. We want to show that we can extract and show more information with this approach. This works has been done with the collaboration of the linguist Anna-Maria Di Scullio and under the supervision of Vladimir Makarenkov from the University of Quebec in Montreal BIF7002 – Séminaire de Bioinformatique Alix Boc

2 BIF7002 – Séminaire de Bioinformatique 2 Alix Boc
Sommaire Détection des transferts latéraux de gènes Description Méthode Exemple Application à la Biolinguistique Références BIF7002 – Séminaire de Bioinformatique Alix Boc

3 Inf7212 - Introduction aux systèmes informatiques
Les arbres phylogénétiques Bif Séminaire Bioinformatique Alix Boc

4 Inf7212 - Introduction aux systèmes informatiques
L’arbre phylogénétique espèces Inf Introduction aux systèmes informatiques branches ancêtres virtuels racine Bif Séminaire Bioinformatique Alix Boc

5 Définitions : reconstruction d’un arbre phylogénétique
Alignement de séquences AAATGATCTGCGTCAATATTATAA GCCTGATCCTCACTACTGTCATCTTAA ATAGGGCCCGTATTTACCCTATAG AACTGGTCCACCCTTATACTAAAAGACGCCTCACTAGGAAGCTAA AACTGATCTGCTTCAATAATTTAA ClustalW (Higgins et ali., 1994)) DiAlign (Morgenstern, 1999) …. Distance Maximum de parcimonie Maximum de vraisemblance Approche Bayesienne AAATGATCTGCGTCAATATTA TAA GCCTGATCCTCACTA CTGTCATCTTAA ATA GGGCCCGTATTTACCCTATAG AACTGGTCCACCCTTATACTAAAAGACGCCTCACTAGGAAGCTAA AACTGATCTGCTTCAATAATT TAA Projet de thèse Alix Boc

6 Définitions : reconstruction d’un arbre phylogénétique
Application d’un modèle d’évolution (méthodes de distances) 4 2 Uncorrected Distances Jukes Cantor Tajima Nei Kimura 2 parameters Tamura Jin-Nei Gamma …. Application d’une méthode de reconstruction (méthodes de distances) Neighbor Joining ADDTREE Unweighted Neighbor Joining Circular order reconstruction Weighted Least-squares BioNJ …. Projet de thèse Alix Boc

7 Les modèles en réseau Bif Séminaire de Bioinformatique Alix Boc

8 Définition : Les modèles en réseau
Certains mécanismes d’évolution ne peuvent être représentés que par des modèles en réseau. 1 2 3 4 5 Le transfert horizontal de gènes (Hallett et Lagergren, 2001, Boc et Makarenkov, 2003) L’hybridation (Huson, 1998, Bryant et Moulton, 2004) L’homoplasie et la convergence de gènes (Legendre et Makarenkov, 2002) La duplication et la perte de gènes (Delwiche et Palmer, 1996) BIF7002 – Séminaire de Bioinformatique Alix Boc

9 Définition : Le transfert horizontal de gène
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10 Quelques méthodes pour la detection de transferts horizontaux de gène
Hein (1990) and Hein et al. (1995, 1996) Haseler and Churchill (1993) Page (1994); Page and Charleston (1998) Charleston (1998) Hallet and Lagergren (2001) Mirkin, Fenner, Galperin and Koonin (2003) V’yugin, Gelfand and Lyubetsky (2003) Boc and Makarenkov (2003); Makarenkov et al. (2006) C. Than, D. Ruths, and L. Nakhleh (2008) BIF7002 – Séminaire de Bioinformatique Alix Boc

11 BIF7002 – Séminaire de Bioinformatique 11 Alix Boc
Notre modèle Makarenkov et al. (2006) BIF7002 – Séminaire de Bioinformatique Alix Boc

12 Détection des transferts complets
Arbre d’espèces Arbre de gène (rbcL) Données : arbres phylogénétiques d’espèces et de gène sur le même ensemble d’espèces. Trouver : nombre minimal de déplacements de sous-arbres dans l’arbre d’espèces permettant de le transformer en l’arbre de gène (=> scénario de réconciliation). Contraintes : incorporer des règles biologiques et maintenir la complexité algorithmique polynomiale (le problème STP a été montré NP-complet par Hein et al., 1996). BIF7002 – Séminaire de Bioinformatique Alix Boc

13 Exemples de règles biologiques
Les transferts sur la même lignée sont interdits. Les transferts croisés sont interdits. BIF7002 – Séminaire de Bioinformatique Alix Boc

14 Règles biologiques : contrainte temporelle
Le transfert entre les branches (z,w) et (x,y) de l’arbre d’espèces T sera permis si et seulement si le sous-arbre regroupant les deux sous-arbres affectés et enraciné par la branche (z,b) dans T1 est présent dans l’arbre de gène. BIF7002 – Séminaire de Bioinformatique Alix Boc

15 Critères d’optimisation
La distance topologique de Robinson et Foulds (1981) entre deux arbres phylogénétiques est égale au nombre d’opérations élémentaires de fusion et de séparation de noeuds pour transformer un arbre en un autre. Ex : la distance de Robinson et Foulds entre les arbres T et T1 est égale à 2. Robinson et Foulds Moindres carrés (Least-squares) d(i,j) - distance entre i et j dans l’arbre d’espèces. (i,j) - distance entre i et j dans l’arbre de gène. Cette distance mesure la différence topologique entre deux tables de bipartition décrivant deux arbres et elle peut être définit comme suit  : où d(a,b) est la distance de Hamming entre les vecteurs de bipartition a et b ex: bd(T,T’)= (( ) + ( ))/2 = 4.5. Distance de bipartition BIF7002 – Séminaire de Bioinformatique Alix Boc

16 Transfert partiel versus transfert complet
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17 BIF7002 – Séminaire de Bioinformatique 17 Alix Boc
Algorithme BIF7002 – Séminaire de Bioinformatique Alix Boc

18 BIF7002 – Séminaire de Bioinformatique 18 Alix Boc
Algorithme Begin Reconstruction of the species tree T and the gene tree T1 Reestimate the length of each branch in T While Optimization criterion > 0 loop Test all possible HGTs Compute the value of the optimization criterion Add the best HGT End Loop End BIF7002 – Séminaire de Bioinformatique Alix Boc

19 BIF7002 – Séminaire de Bioinformatique 19 Alix Boc
Algorithme : exemple L’exemple ci-dessous montre comment l’arbre d’espèces T et transformé en l’arbre de gène T1. 1 2 3 Scénario trouvé : 1 - transfert de A vers D 2 - transfert de E vers B 3 - transfert de C vers F À chaque transfert est associé la nouvelle valeur des moindres carrés, nouvelle distance de Robinson et Foulds et la nouvelle distance de bipartition. BIF7002 – Séminaire de Bioinformatique Alix Boc

20 Résultat de HGT-Detection dans la version Web de T-Rex
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21 Validation Déterminer le pourcentage d’apparition de chaque THG pour plusieurs réplicats de l’arbre de gène. Les réplicats sont générés à partir des séquences. Le premier arbre de gène est la référence. … … arbre d’espèces Chaque transfert est pondéré par le nombre d’apparitions. n-1 réplicats de l’arbre de gène. n scénarios de réconciliation. BIF7002 – Séminaire de Bioinformatique Alix Boc

22 BIF7002 – Séminaire de Bioinformatique 22 Alix Boc
RÉFÉRENCES Boc, A. and Makarenkov, V. (2003), New Efficient Algorithm for Detection of Horizontal Gene Transfer Events, Algorithms in Bioinformatics, G. Benson and R. Page (Eds.), 3rd Workshop on Algorithms in Bioinformatics, Springer-Verlag, pp Delwiche, C.F., and J. D. Palmer (1996). Rampant Horizontal Transfer and Duplication of Rubisco Genes in Eubacteria and Plastids. Mol. Biol. Evol. 13: I. Dyen, I., Kruskal, J.B. and Black, P. (1997) Comparative IE Database Collected by Isidore Dyen, Gray, R.D. and Atkinson, Q.D. (2003) Language-tree divergence times support the Anatolian theory of Indo-European origin. Nature, 426: Levenshtein, V. I. (1966). Binary codes capable of correcting deletions, insertions, and reversals. Soviet Physics Doklady 10:707–710. Makarenkov,V. (2001), T-Rex: reconstructing and visualizing phylogenetic trees and reticulation networks. Bioinformatics, 17, Makarenkov, V., Boc, A., Delwiche, C.F. and Philippe, H. (2006). New efficient algorithm for modeling partial and complete gene transfer scenarios. In V. Batagelj, H.-H. Bock, A. Ferligoj, and A. Ziberna, editors, IFCS 2006, Series: Studies in Classification, Data Analysis, and Knowledge Organization, Springer Verlag, pages Matte-Tailliez O., Brochier C., Forterre P. & Philippe H. (2002). Archaeal phylogeny based on ribosomal proteins. Mol. Biol. Evol. 19, Robinson, D.R. and Foulds L.R. (1981), Comparison of phylogenetic trees, Mathematical Biosciences 53, Than, C. Ruths, D. and Nakhleh, L. (2008), PhyloNet: A Software Package for Analyzing and Reconstructing Reticulate Evolutionary Relationships. BMC Bioinformatics, 9:322. Woese, C. R., G. Olsen, M. Ibba, and D. Söll Aminoacyl-tRNA synthetases, the genetic code, and the evolutionary process. Microbiol. Mol. Biol. Rev. 64: BIF7002 – Séminaire de Bioinformatique Alix Boc