Научно-исследовательский семинар "Вычислительная филогенетика"

Магистратура 2019/2020

Статус: Курс обязательный (Анализ данных в биологии и медицине)

Направление: 01.04.02. Прикладная математика и информатика

Кто читает: Кафедра технологий моделирования сложных систем

Где читается: Факультет компьютерных наук

Когда читается: 2-й курс, 1, 2 модуль

Формат изучения: без онлайн-курса

Преподаватели: Спирин Сергей Александрович

Прогр. обучения: Анализ данных в биологии и медицине

Язык: русский

Кредиты: 8

Контактные часы: 46

Полная версия программы учебной дисциплины

Аннотация

Научно-исследовательский семинар "Вычислительная филогенетика" призван познакомить студентов с алгоритмами и программами, используемыми для реконструкции филогении биополимеров по их последовательностям и филогении организмов по их биополимерам

Цель освоения дисциплины

Познакомить студентов программы АДБМ с алгоритмами и программами реконструкции филогении по последовательностям

Планируемые результаты обучения

Понимание студентами терминологии, относящейся к теории филогенетических деревьев и их формализации в алгоритмах и компьютерных программах. Знание форматов файлов.
Знание общей схемы реконструкции филогении. Знание классификации алгоритмов реконструкции филогении и свойств алгоритмов разных классов
Знание принципов оценки эволюционного расстояния между последовательностями по заданному выравниванию
Знание алгоритмов поиска субоптимального дерева в пространстве всех деревьев. Знание основных свойств этих алгоритмов.
Знание основных показателей качества дерева: максимальной экономии, максимального правдоподобия, дистанционных показателей.
Знание алгоритмов UPGMA и Neighbor-joining
Знакомство с приёмами, позволяющими выбрать укоренение филогенетического дерева.
Знакомство с приёмами "бутстреп" и "складной нож". Понимание смысла чисел, отображающих поддержку ветвей дерева.
Знакомство с некоторыми исследованиями последних лет по алгоритмам реконструкции филогении.
Приобретение опыта чтения специальной литературы и изложения полученных знаний в виде краткого доклада с презентацией
Знакомство на практике с задачей реконструкции филогении какого-либо конкретного набора биополимеров

Содержание учебной дисциплины

Комбинаторика филогенетических деревьев
Терминология (лист, ветвь, узел, клада, корень). Топология дерева как набор разбиений множества листьев. Смысл длин ветвей. Число различных разрешённых деревьев с n листьями (укоренённых и неукоренённых). Что такое “ультраметричность” (применительно к филогенетическому дереву)
Принципиальная схема реконструкции филогении
Дистанционные и символьные методы. Прямые и переборные методы.
Оценка эволюционных расстояний между последовательностями
Формула Джукса – Кантора (Jukes-Cantor) Оценка эволюционного расстояния по принципу максимального правдоподобия
Поиск в пространстве деревьев
Выращивание дерева (stepwise addition). Схема поиска просмотром соседних деревьев. Локальная перестройка дерева (Ntarest neighbor interchnge, NNI). Глобальная перестройка дерева (Subtree pruning and regrafting, SPR). Markov chain Monte Carlo (MCMC).
Критерии качества дерева
Максимальная экономия (maximum parsimony) Максимальное правдоподобие (maximum likelihood) Минимальная эволюция (minimum evolution) Наименьшие квадраты (OLS = Ordinary least squares, Fitch – Margoliash)
Прямые методы реконструкции филогении
Алгоритм UPGMA. Алгоритм объединения соседей (Neighbor-joining)
Укоренение филогенетических деревьев
Укоренение в среднюю точку (midpoint). Внешняя группа (outgroup).
Поддержка ветвей дерева
Приёмы bootstrap и "складной нож" (jackknife)
Журнальный клуб
Доклады студентов с разбором статей по алгоритмам работы с филогенетическими деревьями
Практическая работа
Самостоятельная работа студентов по реконструкции филогении набора организмов

Элементы контроля

Контрольная работа
Контрольная работа
Контрольная работа
Доклад на журнальном клубе
Студент выбирает статью из предложенного списка, изучает её и делает презентацию на 30-40 минут на семинаре
Практическая работа
Студент выполняет работу по филогенетической реконструкции, присылает письменный отчёт о результатах и делает краткий (5-7 мин.) доклад на семинаре
Экзамен
Экзамен состоит из двух частей: на первой студент кратко рассказывает о статье, которую докладывал на журнальном клубе другой студент, на второй отвечает на теоретические вопросы.

Промежуточная аттестация

Промежуточная аттестация (2 модуль)
0.3 * Доклад на журнальном клубе + 0.06 * Контрольная работа + 0.07 * Контрольная работа + 0.07 * Контрольная работа + 0.25 * Практическая работа + 0.25 * Экзамен

Программа дисциплины