Automation of genetic similarity and genetic distance calculation using Nei criterion

Kazakov Mukhamed Anatol'evich junior researcher, Institute of Applied Mathematics and Automation 360000, Russia, respublika Kaardino-Balkariya, g. Nal'chik, ul. Ingushskaya, 9, kv. 48 f_wolfgang@mail.ru

В данной статье представлена программа позволяющая вывчислять генетичесое сходство и генетическую дистанцию по кртитерию Нея между поппуляциями видов комаров комаров-звонцов рода Chironomus (Chironomidae, Diptera), а так же для любых других видов, имеющих семь плеч политенных хромосом. Метод определения генетического расстояния и генетического сходства Нея ^[1] основан на предположении того, что генетическая разница возникает за счет мутаций и генетического дрейфа.

На практике для расчетов генетического расстояния у Chironomus определяют частоты встречаемости в каждой популяции различных последовательностей дисков (аллелей) в семи плечах политенных хромосом (A, B, C, D, E, F и G). Представим себе, что для хромосомного плеча F существует i различных аллелей (1, 2, 3 и т.д.). В популяции А эти аллели встречаются с частотами a_i; в популяции В частотам аллелей соответствуют b_i. Исходя из этого, можно вычислить степень генетического сходства данных популяций по данному плечу:

Само же генетическое расстояние D вычисляется по формуле` `

Значения генетического сходства могут варьировать от 0 (между популяциями нет общих аллелей), до 1 (частоты аллелей в популяции одинаковые), соответственно генетическая дистанция варьирует от 0 до ∞.

Автоматизация процесса вычисления генетического сходства и генетической дистанции для популяций рода Chironomus представляет практичесий интерес для задач построения филогенетических деревьев.

Существует несколько программных продуктов в которых предусмотрена возможноссть попарно вычислять цитогенетическое расстояние и цитогенетическое сходство по критерию Нея. Наиболее популярные из них, это пакеты программ PHYLIP ^[2] и MEGA 6 ^[3,4,5]. В первую очередь данные продукты предназначены для работы с нуклеотидными последовательностями ДНК и последовательностями аминокислот белков.

Вычисление генетических расстояний по критерию Нея у рода Chironomus возможно с помощью выше указанных пакетов программ. Однако в силу сложности процесса предварительной подготовки исходных данных для ввода и сложного, не интуитивного интерфейса, рассмотренные выше программные продукты не являются достаточно удобными вычислительными средствами для решения поставленной задачи. В силу чего возникает потребность в создании программного продукта, отвечающего следующим критериям:

• простота ввода исходных данных не требующей предварительной многошаговой обработки;
• интерфейс программы должен быть достаточно простым и интуитивно понятным;
• наглядность получаемых в результате вычислений;
• повышенная точность вычислений;
• возможность при необходимости добавления дополнительных методов вычислении генетической дистанции и генетического сходства;
• возможность одновременного сравнения большого числа популяций.

В результате исследования был создан специализированный программный продукт Chironomus 1.0 (рис. 1), позволяющий быстро и наглядно вычислять генетические расстояния и генетическое сходство у рода Chironomus по методу Неи. Программа имеет простой русскоязычный интерфейс и позволяет одновременно сравнивать до 14 различных популяций, написана на языке программирования С# и имеет размер 120 Кбайт. Программа содержит 46 циклов и работает как приложение для платформы .NET Framework.

Процесс ввода данных и получение результата состоит из следующих шагов:

1. Вводится количество сравниваемых популяций и число аллелей для каждого хромосомного плеча. Эти значения является первичными входными данными алгоритма программы;
2. В соответствии с введенными значениями создается наглядная таблица для ввода частот аллелей популяций. Заполнение этой таблицы определяет вторичные входные данные алгоритма программы;
3. После заполнения всей таблицы производится вычисление генетического сходства и генетической дистанции для каждой пары популяций, после чего производится автоматический вывод в поле результатов.

Программа была протестирована на данных по шести реально существующим популяциям вида Ch. bernensis Центрального Кавказе и Предкавказья ^[6]. Независимые расчеты генетических расстояний и генетических дистанции по тем же исходным данным подтвердили точность вычислений требуемых значений созданным нами программным продуктом.