Phylogenetik

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Zur Navigation springen Zur Suche springen
Baum des Lebens

DiePhylogenetik(retronymesKofferwortausaltgriechischφυλή, φῦλονphylé, phylon,deutsch‚Stamm‘,‚Clan‘, ‚Sorte‘ undγενετικόςgenetikós,deutsch‚Ursprung‘) ist eine Fachrichtung derGenetikundBioinformatik,die sich mit der Erforschung vonAbstammungenbeschäftigt.

Eigenschaften

[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]

Die Phylogenetik verwendet heutzutageAlgorithmenzur Bestimmung von Verwandtschaftsgraden zwischen verschiedenenArtenoder zwischen Individuen einer Art ausDNA-Sequenzen,die zuvor perDNA-Sequenzierungermittelt wurden. Dadurch kann einphylogenetischer Baumerstellt werden. Die Phylogenetik wird unter anderem zur Erzeugung vonTaxonomienherangezogen. Als Algorithmen werden unter anderemParsimony,dieMaximum-Likelihood-Methode(ML-Methode) und dieMCMC-basierteBayesische Inferenzverwendet.[1][2]Vor der Entwicklung der DNA-Sequenzierung und von Computern wurde die Phylogenetik ausPhänotypenüber eineDistanzmatrixabgeleitet (Phänetik),[3]jedoch waren die Unterscheidungskriterien teilweise nicht eindeutig, da Phänotypen – selbst über einen kurzen Zeitraum betrachtet – von vielen weiteren Faktoren beeinflusst werden und sich verändern.[4][5]

Geschichte

[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]
Lebensbaum von Heinrich Bronn

Im 14. Jahrhundert entwickelte derfranziskanischePhilosophWilhelm von Ockhamdas Abstammungsprinziplex parsimoniae.Im Jahr 1763 wurde PastorThomas Bayes’ Grundlagenwerk zurBayesschen Statistikveröffentlicht.[6]Im 18. Jahrhundert führtePierre Simon Laplace,Marquis de Laplace, eine Form desMaximum-likelihood-Ansatzesein. 1837 publizierteCharles DarwindieEvolutionstheoriemit einer Darstellung einesStammbaums.Eine Unterscheidung derHomologieund derAnalogiewurde erstmals 1843 vonRichard Owengetroffen. Der PaläontologeHeinrich Georg Bronnpublizierte 1858 erstmals dasAussterbenund Neuauftreten von Arten im Stammbaum.[7]Im gleichen Jahr wurde die Evolutionstheorie erweitert.[8]Die BezeichnungPhylogeniewurde 1866 vonErnst Haeckelgeprägt.[9]Er postulierte in seinerRekapitulations-Theorieeinen Zusammenhang zwischen derPhylogeneseund derOntogenese,der heute nicht mehr haltbar ist.[10][11]Im Jahr 1893 wurdeDollo’s Law of Character State Irreversibilityveröffentlicht.[12]

Im Jahr 1912 verwendeteRonald Fisherdiemaximum likelihood(Maximum-Likelihood-Methode in der molekularen Phylogenie). 1921 wurde die BezeichnungphylogenetischvonRobert John Tillyardbei seiner Klassifizierung geprägt.[13]Im Jahr 1940 führteLucien Cuénotden Begriff derKladeein. Ab 1946 präzisiertenPrasanta Chandra Mahalanobis,ab 1949Maurice Quenouilleund ab 1958John Tukeydas Vorläufer-Konzept.

Im Jahr 1950 folgte eine erste Zusammenfassung vonWilli Hennig,[14]im Jahr 1966 die englische Übersetzung.[15]1952 entwickelteWilliam WagnerdieDivergenzmethode.[16]1953 wurde der BegriffKladogenesegeprägt.[17]Arthur CainundGordon Harrisonverwendeten ab 1960 die Bezeichnungkladistisch.[18]Ab 1963 verwendetenA. W. F. Edwardsund Cavalli-Sforza diemaximum likelihoodin der Linguistik.[19]Im Jahr 1965 wurde von J. H. Camin undRobert R. SokaldieCamin-Sokal parsimonyund ein erstes Computerprogramm für kladistische Analysen entwickelt.[20]Im gleichen Jahr wurde diecharacter compatibility methodgleichzeitig vonEdward Osborne Wilsonsowie von Camin und Sokal entwickelt.[21]Im Jahr 1966 wurden die BegriffeKladistikundKladogrammgeprägt. 1969 entwickelteJames Farrisdie dynamische und sukzessive Wichtung,[22]auch erschien dieWagner parsimonyvon Kluge und Farris[23]und der CI (consistency index).[23]sowie die paarweise Kompatibilität der Clique-Analyse von W. Le Quesne.[24]Im Jahr 1970 generalisierte Farris dieWagner parsimony.[25]1971 veröffentlichteWalter FitchdieFitch parsimony[26]undDavid F. Robinsonveröffentlichte den NNI (nearest neighbour interchange),[27]zeitgleich mit Moore u. a. Auch wurde 1971 die ME (minimum evolution) von Kidd und Sgaramella-Zonta publiziert.[28]Im folgenden Jahr entwickelte E. Adams denAdams consensus.[29]

Die erste Anwendung desmaximum likelihoodfür Nukleinsäuresequenzen erfolgte 1974 durch J. Neyman.[30]Farris publizierte 1976 das Präfix-System für Ränge.[31]Ein Jahr später entwickelte er dieDollo parsimony.[32]Im Jahr 1979 wurde derNelson consensusvon Gareth Nelson veröffentlicht,[33]sowie der MAST (maximum agreement subtree) und GAS (greatest agreement subtree) von A. Gordon[34]und derbootstrapvon Bradley Efron.[35]1980 wurde PHYLIP als erste Software für phylogenetische Analysen vonJoseph Felsensteinpubliziert. Im Jahr 1981 wurde dermajority consensusvon Margush und MacMorris,[36]derstrict consensusvon Sokal und Rohlf[37]und der erste effiziente Maximum-Likelihood-Algorithmus von Felsenstein.[38]Im folgenden Jahr wurden PHYSIS von Mikevich und Farris sowiebranch and bound.von Hendy und Penny[39]veröffentlicht. 1985 wurde, basierend aufGenotypundPhänotyp,die erste kladistische Analyse vonEukaryotendurchDiana Lipscombpubliziert.[40]Im gleichen Jahr wurdebootstraperstmals für phylogenetische Untersuchungen von Felsenstein verwendet,[41]ebenso wiejackknifevon Scott Lanyon.[42]1987 wurde dieneighbor-joining methodvon Saitou und Nei publiziert.[43]Im Jahr darauf wurdeHennig86in der Version 1.5 von Farris entwickelt. Im Jahr 1989 wurde der RI (retention index) und der RCI (rescaled consistency index) von Farris[44]und die HER (homoplasy excess ratio) von Archie publiziert.[45]1990 wurde dercombinable components (semi-strict) consensusvon Bremer[46]sowie das SPR (subtree pruning and regrafting) und die TBR (tree bisection and reconnection) von Swofford und Olsen veröffentlicht.[47]Im Jahr 1991 folgte der DDI (data decisiveness index) von Goloboff.[48][49]1993 wurde dasimplied weightingvon Goloboff publiziert.[50]Im Jahr 1994 wurde derdecay indexvon Bremer veröffentlicht.[51]Ab 1994 wurde derreduced cladistic consensusvon Mark Wilkinson entwickelt.[52][53]1996 wurde die erste MCMC-basierte Anwendung der Bayesschen Inferenz unabhängig von Li,[54]Mau[55]sowie Rannalla und Yang entwickelt.[56]Im Jahr 1998 wurde die TNT (Tree Analysis Using New Technology) von Goloboff, Farris und Nixon publiziert. 2003 wurde dassymmetrical resamplingvon Goloboff veröffentlicht.[57]

Anwendungen

[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]

Evolution von Karzinomen

[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]

Seit der Entwicklung vonNext Generation Sequencingkann man die Evolution von Krebszellen auch auf molekularer Ebene verfolgen.[58]Wie im HauptartikelKarzinogenesebeschrieben, entsteht ein Tumor zuerst durch eine Mutation in einer Zelle. Unter bestimmten Bedingungen häufen sich weitere Mutationen an, die Zelle teilt sich unbeschränkt und schränkt ihre DNA-Reparatur weiter ein. Es entwickelt sich ein Tumor, der aus verschiedenen Zellpopulationen besteht, die jeweils unterschiedliche Mutationen haben können. Diese Tumor-Heterogenität ist gerade für die Behandlung von Krebspatienten von enormer Bedeutung. Phylogenetische Methoden[59][60]erlauben es, den Stammbaum für einen Tumor zu bestimmen. An diesem kann man ablesen, welche Mutationen in welcher Subpopulation des Tumors vorhanden sind.

Linguistik

[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]

Cavalli-Sforzabeschrieb erstmals die Ähnlichkeit der Phylogenetik von Genen mit der Evolution vonSprachenausUrsprachen.[61][62]Die Methoden der Phylogenetik werden daher auch zur Bestimmung von Abstammungen von Sprachen verwendet.[63]Dies führte unter anderem dazu, die sogenannte Urheimat derindoeuropäischen Sprachfamiliein Anatolien zu verorten.[64]In der Wissenschaft ist diese Anwendungsübertragung der Phylogenetik jedoch grundsätzlich umstritten, da die Verbreitung von Sprachen nicht nach biologisch-evolutionären Mustern verläuft, sondern eigenen Gesetzmäßigkeiten folgt.[65]

Literatur

[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]
  • David Williams:The Future of Phylogenetic Systematics.Cambridge University Press, Cambridge 2016,ISBN 978-1-316-68918-9.
  • Donald R. Forsdyke:Evolutionary Bioinformatics.3. Auflage. Springer, Cham 2016,ISBN 978-3-319-28755-3.

Einzelnachweise

[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]
  1. ↑Charles Semple:Phylogenetics.Oxford University Press, 2003,ISBN 0-19-850942-1.
  2. ↑David Penny:Inferring Phylogenies.—Joseph Felsenstein. 2003. Sinauer Associates, Sunderland, Massachusetts.In:Systematic Biology.Band53,Nr.4,1. August 2004,ISSN1063-5157,S.669–670,doi:10.1080/10635150490468530(englisch,oup[abgerufen am 13. März 2020]).
  3. ↑A. W. F. Edwards,L. L. Cavalli-Sforza:Reconstruction of evolutionary trees(PDF) In: Vernon Hilton Heywood, J. McNeill:Phenetic and Phylogenetic Classification.Systematics Association, 1964, S. 67–76.
  4. ↑Masatoshi Nei:Molecular Evolution and Phylogenetics.Oxford University Press, 2000,ISBN 0-19-513585-7,S. 3.
  5. ↑E. O. Wiley:Phylogenetics.John Wiley & Sons, 2011,ISBN 978-1-118-01787-6.
  6. ↑T. Bayes:An Essay towards solving a Problem in the Doctrine of Chances.In:Phil. Trans.53, 1763, S. 370–418.
  7. ↑J. David Archibald:Edward Hitchcock’s Pre-Darwinian (1840) 'Tree of Life'.In:Journal of the History of Biology.2009, S. 568.
  8. ↑Charles R. Darwin, A. R. Wallace:On the tendency of species to form varieties; and on the perpetuation of varieties and species by natural means of selection. Journal of the Proceedings of the Linnean Society of London.In:Zoology.Band 3, 1858, S. 45–50.
  9. ↑Douglas Harper:Phylogeny.In:Online Etymology Dictionary.
  10. ↑Erich Blechschmidt:The Beginnings of Human Life.Springer-Verlag, 1977, S. 32.
  11. ↑Paul Ehrlich, Richard Holm, Dennis Parnell:The Process of Evolution.McGraw–Hill, New York 1963, S. 66.
  12. ↑Louis Dollo:Les lois de l’évolution.In:Bull. Soc. Belge Géol. Paléont. Hydrol.Band 7, 1893, S. 164–166.
  13. ↑Robert J. Tillyard:A new classification of the order Perlaria.In:Canadian Entomologist.Band 53, 1921, S. 35–43.
  14. ↑W. Hennig:Grundzüge einer Theorie der phylogenetischen Systematik.Deutscher Zentralverlag, Berlin 1950.
  15. ↑W. Hennig:Phylogenetic systematics.Illinois University Press, Urbana 1966.
  16. ↑W. H. Wagner Jr.:The fern genus Diellia: structure, affinities, and taxonomy.In:Univ. Calif. Publ. Botany.Band 26, 1952, S. 1–212.
  17. ↑Webster’s 9th New Collegiate Dictionary
  18. ↑A. J. Cain, G. A. Harrison:Phyletic weighting.In:Proceedings of the Zoological Society of London.Band 35, 1960, S. 1–31.
  19. ↑A. W. F. Edwards, L. L. Cavalli-Sforza:The reconstruction of evolution.In:Ann. Hum. Genet.Band 27, 1963, S. 105–106.
  20. ↑J. H. Camin, R. R. Sokal:A method for deducing branching sequences in phylogeny.In:Evolution.Band 19, 1965, S. 311–326.
  21. ↑E. O. Wilson:A consistency test for phylogenies based on contemporaneous species.In:Systematic Zoology.Band 14, 1965, S. 214–220.
  22. ↑J. S. Farris:A successive approximations approach to character weighting.In:Syst. Zool.Band 18, 1969, S. 374–385.
  23. ↑abA. G. Kluge, J. S. Farris:Quantitative phyletics and the evolution of anurans.In:Syst. Zool.Band 18, 1969, S. 1–32.
  24. ↑W. J. Le Quesne:A method of selection of characters in numerical taxonomy.In:Systematic Zoology.Band 18, 1969, S. 201–205.
  25. ↑J. S. Farris:Methods of computing Wagner trees.In:Syst. Zool.Band 19, 1970, S. 83–92.
  26. ↑W. M. Fitch:Toward defining the course of evolution: minimum change for a specified tree topology.In:Syst. Zool.Band 20, 1971, S. 406–416.
  27. ↑D. F. Robinson:Comparison of labeled trees with valency three.In:Journal of Combinatorial Theory.Band 11, 1971, S. 105–119.
  28. ↑K. K. Kidd, Laura Sgaramella-Zonta:Phylogenetic analysis: concepts and methods.In:Am. J. Human Genet.Band 23, 1971, S. 235–252.
  29. ↑E. Adams:Consensus techniques and the comparison of taxonomic trees.In:Syst. Zool.Band 21, 1972, S. 390–397.
  30. ↑J. Neyman:Molecular studies: A source of novel statistical problems.In: S. S. Gupta, J. Yackel:Statistical Decision Theory and Related Topics.Academic Press, New York 1974, S. 1–27.
  31. ↑J. S. Farris:Phylogenetic classification of fossils with recent species.In:Syst. Zool.Band 25, 1976, S. 271–282.
  32. ↑J. S. Farris:Phylogenetic analysis under Dollo’s Law.In:Syst. Zool.26, 1977, S. 77–88.
  33. ↑Gareth J. Nelson:Cladistic Analysis and Synthesis: Principles and Definitions, with a Historical Note on Adanson’sFamilles Des Plantes(1763–1764).In:Syst. Zool.Band 28, 1979, S. 1–21.doi:10.1093/sysbio/28.1.1
  34. ↑A. D. Gordon:A measure of the agreement between rankings.In:Biometrika.Band 66, 1979, S. 7–15.doi:10.1093/biomet/66.1.7
  35. ↑B. Efron:Bootstrap methods: another look at the jackknife.In:Ann. Stat.7, 1979, S. 1–26.
  36. ↑T. Margush, F. R. McMorris:Consensus n-trees.In:Bull. Math. Biol.Band 43, 1981, S. 239–244.
  37. ↑R. R. Sokal, F. J. Rohlf:Taxonomic congruence in the Leptopodomorpha re-examined.In:Syst. Zool.30, 1981, S. 309–325.
  38. ↑J. Felsenstein:Evolutionary trees from DNA sequences: A maximum likelihood approach.In:J. Mol. Evol.17, 1981, S. 368–376.
  39. ↑M. D. Hendy, D. Penny:Branch and bound algorithms to determine minimal evolutionary trees.In:Math Biosci.59, 1982, S. 277–290.
  40. ↑Diana Lipscomb:The Eukaryotic Kingdoms.In:Cladistics.1, 1985, S. 127–140.
  41. ↑J. Felsenstein:Confidence limits on phylogenies: an approach using the bootstrap.In:Evolution.39, 1985, S. 783–791.
  42. ↑S. M. Lanyon:Detecting internal inconsistencies in distance data.In:Syst. Zool.34, 1985, S. 397–403.
  43. ↑N. Saitou, M. Nei:The Neighbor-joining Method: A New Method for Constructing Phylogenetic Trees. Mol. Biol.In:Evol.4, 1987, S. 406–425.
  44. ↑J. S. Farris:The retention index and rescaled consistency index.In:Cladistics.Band 5, 1989, S. 417–419.
  45. ↑J. W. Archie:Homoplasy Excess Ratios: new indices for measuring levels of homoplasy in phylogenetic systematics and a critique of the Consistency Index.In:Syst. Zool.Band 38, 1989, S. 253–269.
  46. ↑Kåre Bremer:Combinable Component Consensus.In:Cladistics.Band 6, 1990, S. 369–372.
  47. ↑D. L. Swofford, G. J. Olsen:Phylogeny reconstruction.In: D. M. Hillis, G. Moritz:Molecular Systematics.Sinauer Associates, Sunderland, Mass., 1990, S. 411–501.
  48. ↑P. A. Goloboff:Homoplasy and the choice among cladograms.In:Cladistics.Band 7, 1991, S. 215–232.
  49. ↑P. A. Goloboff:Random data, homoplasy and information.In:Cladistics.Band 7, 1991, S. 395–406.
  50. ↑P. A. Goloboff:Estimating character weights during tree search.In:Cladistics.9, 1993, S. 83–91.
  51. ↑K. Bremer:Branch support and tree stability.In:Cladistics.1994.doi:10.1111/j.1096-0031.1994.tb00179.x
  52. ↑Mark Wilkinson:Common cladistic information and its consensus representation: reduced Adams and reduced cladistic consensus trees and profiles.In:Syst. Biol.Band 43, 1994, S. 343–368.
  53. ↑Mark Wilkinson:More on reduced consensus methods.In:Syst. Biol.Band 44, 1995, S. 436–440.
  54. ↑S. Li:Phylogenetic tree construction using Markov Chain Monte Carlo.Ph.D. dissertation, Ohio State University, Columbus 1996.
  55. ↑B. Mau:Bayesian phylogenetic inference via Markov chain Monte Carlo Methods.Ph.D. dissertation, University of Wisconsin, Madison 1996. (abstract)
  56. ↑B. Rannala, Z. Yang:Probability distribution of molecular evolutionary trees: A new method of phylogenetic inference.In:J. Mol. Evol.43, 1996, S. 304–311.
  57. ↑Pablo Goloboff, James Farris, Mari Källersjö, Bengt Oxelman, Maria Ramiacuterez, Claudia Szumik:Improvements to resampling measures of group support.In:Cladistics.19, 2003, S. 324–332.
  58. ↑Niko Beerenwinkel, Chris D. Greenman, Jens Lagergren:Computational Cancer Biology: An Evolutionary Perspective.In:PLoS Computational Biology.Band12,Nr.2,4. Februar 2016,ISSN1553-734X,doi:10.1371/journal.pcbi.1004717,PMID 26845763,PMC 4742235(freier Volltext) – (englisch).
  59. ↑Niko Beerenwinkel, Chris D. Greenman, Jens Lagergren:Computational Cancer Biology: An Evolutionary Perspective.In:PLoS Computational Biology.Band12,Nr.2,4. Februar 2016,ISSN1553-734X,doi:10.1371/journal.pcbi.1004717,PMID 26845763,PMC 4742235(freier Volltext) – (englisch).
  60. ↑Niko Beerenwinkel, Roland F. Schwarz, Moritz Gerstung, Florian Markowetz:Cancer Evolution: Mathematical Models and Computational Inference.In:Systematic Biology.Band64,Nr.1,1. Januar 2015,ISSN1063-5157,S.e1–e25,doi:10.1093/sysbio/syu081(englisch).
  61. ↑L. L. Cavalli-Sforza:An Evolutionary View in Linguistics.In: M. Y. Chen, O. J.-L. Tzeng:Interdisciplinary Studies on Language and Language Change.Pyramid, Taipei 1994, S. 17–28.
  62. ↑L. L. Cavalli-Sforza, William S.-Y. Wang:Spatial Distance and Lexical Replacement.In:Language.Band 62, 1986, S. 38–55.
  63. ↑Remco Bouckaert, Philippe Lemey, Michael Dunn, Simon J. Greenhill, Alexander V. Alekseyenko:Mapping the Origins and Expansion of the Indo-European Language Family.In:Science.Band337,Nr.6097,24. August 2012,ISSN0036-8075,S.957–960,doi:10.1126/science.1219669,PMID 22923579(englisch).
  64. ↑Remco Bouckaert, Philippe Lemey, Michael Dunn, Simon J. Greenhill, Alexander V. Alekseyenko:Mapping the Origins and Expansion of the Indo-European Language Family.In:Science.Band337,Nr.6097,24. August 2012,ISSN0036-8075,S.957–960,doi:10.1126/science.1219669,PMID 22923579,PMC 4112997(freier Volltext) – (englisch,sciencemag.org[abgerufen am 29. März 2020]).
  65. ↑Lewis, Martin W., Pereltsvaig, Asya:The Indo-European Controversy: Facts and Fallacies in Historical Linguistics.Cambridge University Press, Cambridge (United Kingdom) 2015,ISBN 978-1-316-31924-6,doi:10.1017/CBO9781107294332(englisch).
Abgerufen von „https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Phylogenetik&oldid=247959119“