Novel Methods for Analyzing and Visualizing Phylogenetic Placements

Die DNS (englisch: DNA) bildet die vererbbare Grundlage allen bekannten Lebens auf dem Planeten. Entsprechend wichtig ist ihre "Entschlüsselung" für die Biologie im Allgemeinen, und für die Erforschung der evolutionären Zusammenhänge verschiedener biologischer Artern im Besonderen. In den letzten Jahrzehnten hat eine rasante technologische Entwicklung im Bereich der DNS-Sequenzierung stattgefunden, die auch auf absehbare Zeit noch nicht zum Stillstand kommen wird. Die biologische Forschung hat daher den Bedarf an computer-gestützten Methoden erkannt, sowohl in Bezug auf die Speicherung und Verarbeitung der immensen Datenmengen, die bei der Sequenzierung anfallen, als auch in Bezug auf deren Analyse und Visualisierung. Eine grundlegene Fragestellung ist dabei die nach dem Stammbaum des Lebens, der die evolutionäre Verwandtschaft der Arten beschreibt. Diese Wissenschaft wird Phylogenetik, und die resultierenden Strukturen phylogenetische Bäume genannt. Häufig basieren diese Bäume auf dem Vergleich von DNS-Sequenzen der Arten, mit der Idee, dass Arten mit ähnlicher DNS auch im Baum nah beieinander liegen. Die Berechnung eines solchen Baumes aus DNS-Daten kann als Optimierungsproblem formuliert werden, das durch die stetig wachsende Menge an Daten für die Informatik eine Herausforderung darstellt. Aktuell beschäftigt sich die Mikrobiologie zum Beispiel mit der Erkundung und Erforschung von Proben (Samples), die aus Meereswasser, dem Erdreich, dem menschlichen Körper, und ähnlichen Umgebungen gewonnen wurden: Welche mikrobischen Arten, Bakterien und andere Einzeller, bewohnen diese Umgebungen und Proben? Das zugehörige Forschungsfeld ist die Meta-Genetik. Einen verlässlichen Stammbaum für die aber-millionen an Sequenzen aus solchen Proben zu errechnen ist praktisch unmöglich. Eine Alternative bietet die phylogenetische Platzierung der Sequenzen auf einem gegebenen Referenz-Baum von bekannten Arten (so genanntes phylogenetisches Placement): Hierbei wird ein Stammbaum aus Referenz-Sequenzen bekannter Arten gewählt, der möglichst viel der in den Proben zu erwartenden Artenvielfalt abdeckt, und dann für jede Sequenz aus den Proben die nächste Verwandtschaft innerhalb des Baumes bestimmt. Dies resultiert in einer Zuordnung von Sequenzen auf die Positionen verwandter Arten im Referenz-Baum. Diese Zuordnung kann auch als Verteilung der Sequenzen auf dem Baum verstanden werden: In dieser Interpretation kann man beispielsweise erkennen, welche Arten (und deren Verwandtschaft) besonders häufig in den Proben vertreten sind. Diese Arbeit beschäftigt sich mit neuen Methoden zur Vor- und Nachbereitung, Analyse, und Visualisierung rund um den Kernbereich des phylogenetischen Placements von DNS-Sequenzen. Zunächst stellen wir eine Methode vor, die einen geeigneten Referenz-Baum für die Platzierung liefern kann. Die Methode heißt PhAT (Phylogenetic Automatic (Reference) Trees), und nutzt Datenbanken bekannter DNS-Sequenzen, um geeigenete Referenz-Sequenzen für den Baum zu bestimmen. Die durch PhAT produzierten Bäume sind beispielsweise dann interessant, wenn die in den Proben zu erwartende Artenvielfalt noch nicht bekannt ist: In diesem Fall kann ein breiter Baum, der viele der bekannten Arten abdeckt, helfen, neue, unbekannte Arten zu entdecken. Im gleichen Kapitel stellen wir außerdem zwei Behilfs-Methoden vor, um den Prozess und die Berechnungen der Placements von großen Datensätzen zu beschleunigen und zu ermöglichen. Zum einen stellen wir Multilevel-Placement vor, mit dem besonders große Referenz-Bäume in kleinere, geschachtelte Bäume aufgeteilt werden können, um so schnellere und detalliertere Platzierungen vornehmen können, als auf einem einzelnen großen Baum möglich wären. Zum anderen beschreiben wir eine Pipeline, die durch geschickte Lastverteilung und Vermeidung von Duplikaten den Prozess weiter beschleunigen kann. Dies eignet sich insbesondere für große Datensätze von zu platzierenden Sequenzen, und hat die Berechnungen erst ermöglicht, die wir zum testen der im weiteren vorgestellten Methoden benötigt haben. Im Anschluss stellen wir zwei Methoden vor, um die Placement-Ergebnisse verschiedener Proben miteinander zu vergleichen. Die Methoden, Edge Dispersion und Edge Correlation, visualisieren den Referenz-Baum derart, dass die in Bezug auf die Proben interessanten und relevanten Regionen des Baumes sichtbar werden. Edge Dispersion zeigt dabei Regionen, in denen sich die Häufigkeit der in den Proben vorhandenen mikrobischen Arten besonders stark zwischen den einzelnen Proben unterscheided. Dies kann als erste Erkundung von neuen Datensätzen dienen, und gibt Aufschluss über die Varianz der Häufigkeit bestimmter Arten. Edge Correlation hingegen bezieht zusätzlich Meta-Daten mit ein, die zu den Proben gesammelt wurden. Dadurch können beispielsweise Abhängigkeiten zwischen Häufigkeiten von Arten und Faktoren wie dem pH-Wert des Bodens oder dem Nitrat-Gehalt des Wassers, aus dem die Proben stammen, aufgezeigt werden. Es hat damit ähnlichkeiten zu einer bestehenden Methode names Edge PCA, die ebenfalls relevante Regionen des Baumen identifizieren kann, allerdings die vorhandenen Meta-Daten nur indirekt einbeziehen kann. Eine weitere Fragestellung ist die Gruppierung (Clustering) von Proben anhand von Gemeinsamkeiten, wie beispielweise einer ähnlichen Verteilungen der Sequenzen auf dem Referenz-Baum. Anhand geeigneter Distanz-Maße wie der Kantorovich-Rubinstein-Distanz (KR-Distanz) können ähnlichkeiten zwischen Proben quantifiziert werden, und somit ein Clustering erstellt werden. Für große Datensätze mit hunderten und tausenden von einzlnen Proben stoßen bestehende Methoden für diesen Einsatzzweck, wie zum Beispiel das so genannte Squash Clustering, an ihre Grenzen. Wir haben daher die $k$-means-Methode derart erweitert, dass sie für Placement-Daten genutzt werden kann. Dazu präsentieren wir zwei Methoden, Phylogenetic $k$-means und Imbalance $k$-means, die verschiedene Distanzmaße zwischen Proben (KR-Distanz, und ein weiteres geeignetes Maß) nutzen, um Bäume mit ähnlichen Verteilungen von platzierten Sequenzen zu gruppieren. Sie betrachten jede Probe als einen Datenpunkt, und nutzen die zugrunde liegende Struktur des Referenz-Baumes für die Berechnungen. Mit diesen Methoden können auch Datensätze mit zehntausenden Proben verarbeitet werden, und Clusterings und ähnlichkeiten von Proben erkannt und visualisiert werden. Wir haben außerdem ein Konzept namens Balances für Placement-Daten adaptiert, welches ursprünglich für so genannte OTU-Sequenzen (Operational Taxonomic Units) entwickelt wurde. Balances erlauben eine Beschreibung des Referenz-Baumes und der darauf platzierten Sequenzen, die ganze Gruppen von Referenz-Arten zusammenfasst, statt jede Art einzeln in die Berechnungen einfließen zu lassen. Diese Beschreibung der Daten bietet verschiedene Vorteile für die darauf basierenden Analysen, wie zum Beispiel eine Robustheit gegenüber der exakten Wahl der Referenz-Sequenzen, und einer anschaulichen Beschreibung und Visualisierung der Ergebnisse. Insbesondere aus mathematischer Sicht sind Balances für die Analyse interessant, da sie problematische Artefakte aufgrund der kompositionellen Natur meta-genetischer Daten beheben. Im Zuge dieser Arbeit dienen Balances hauptsächlich als Zwischenschritt zur Daten-Repräsentation. Eine Anwendung von Balances ist die so genannte Phylofactorization. Diese recht neue Methode teilt einen gegebenen Baum derart in Sub-Bäume ein, dass jeder Sub-Baum eine Gruppe von Arten darstellt, die in Bezug auf gegebene Meta-Daten pro Probe relevant sind. Dadurch können beispielsweise Gruppen identifiziert werden, deren evolutionäre Merkmale sich in Abhängigkeit von Meta-Daten wie pH-Wert angepasst haben im Vergleich zu anderen Gruppen. Dies ist ähnlich zur oben genannten Edge Correlation, aber kann zum einen durch geschickte mathematische Ansätze (insbesondere der Nutzung von Generalized Linear Models) mehrere Meta-Daten gleichzeitig einbeziehen, und zum anderen auch verschachtelte Gruppen finden. Die zugrunde liegenden Ideen dieser Methoden bieten einen großen Spielraum sowohl für Analysen von Daten, als auch für Weiterentwicklungen und Ergänzungen für verwandte Fragestellungen. Wir haben diese Methode für Placement-Daten adaptiert und erweitert, und stellen diese Variante, genannt Placement-Factorization, vor. Im Zuge dieser Adaption haben wir außerdem verschiedene ergänzende Berechnungen und Visalisierungen entwickelt, die auch für die ursprüngliche Phylofactorization nützlich sind. Alle genannten neuen Methoden wurden ausführlich getestet in Bezug auf ihre Eignung zur Erforschung von mikrobiologischen Zusammenhängen. Wir haben dazu verschiedene bekannte Datzensätze von DNS-Sequenzen aus Wasser- und Bodenproben, sowie Proben des menschlichen Mikrobioms, verwendet und diese auf geeigneten Referenz-Bäumen platziert. Anhand dieser Daten haben wir zum einen die Plausibilität der durch unsere Analysen erzielten Ergebnisse geprüft, als auch Vergleiche der Ergebnisse mit ähnlichen, etablierten Methoden vorgenommen. Sämtliche Analysen, Visualisierungen, und Vergleiche werden in den jeweils entsprechenden Kapiteln vorgestellt, und die Ergebnisse dargestellt. Alle Tests zeigen, dass unsere Methoden auf den getesteten Datensätzen zu Resultaten führen, die konsistent mit anderen Analysen sind, und geeignet sind, um neue biologische Erkenntnisse zu gewinnen. Sämtliche hier vorgestellten Methoden sind in unserer Software-Bibliothek genesis implementiert, die wir im Zuge dieser Arbeit entwickelt haben. Die Bibliothek ist in modernem C++11 geschrieben, hat einen modularen und funktions-orientierten Aufbau, ist auf Speichernutzung und Rechengeschwindigkeit optimiert, und nutzt vorhandene Multi-Prozessor-Umgebungen. Sie eignet sich daher sowohl für schnelle Tests von Prototypen, als auch zur Entwicklung von Analyse-Software für Endanwender. Wir haben genesis bereits erfolgreich in vielen unserer Projekte eingesetzt. Insbesondere bieten wir sämtliche hier präsentierten Methoden über unser Software-Tool gappa an, das intern auf genesis basiert. Das Tool stellt einen einfachen Kommandozeilen-Zugriff auf die vorhandenen Analysemethoden bereit, und bietet ausreichend Optionen für die Analysen der meisten End-Anwender. Im abschließenden Kapitel wagen wir einen Ausblick in weitere Forschungsmöglichkeiten im Bereich der Methoden-Entwicklung für meta-genetische Fragestellungen im Allgemeinen, und der placement-basierten Methoden im Speziellen. Wir benennen verschiedene Herausforderungen in Bezug auf die Nutzbarkeit solcher Methoden für Anwender und ihrer Skalierbarkeit für immer größer werdende Datensätze. Außerdem schlagen wir verschiedene weitergehende Ansätze vor, die zum Beispiel auf neuronalen Netzwerken und Deep Learning basieren könnten. Mit aktuellen Datensätzen wären solche Methoden nicht robust trainierbar; durch das in Zukuft zu erwartenden Wachstum an Daten kann dies allerdings bald in den Bereich des Möglichen kommen. Schließlich identifizierenden wir einige tiefer gehende Forschungsfragen aus der Biologie und Medizin, bei deren Beantwortung unsere Methoden in Zukunft helfen können

Do Phylogenetic Tree Viewers correctly display Support Values?[Reprint]

Phylogenetic trees are routinely visualized to present and interpret the evolutionary relationships of the species that are being studied. Virtually all empirical evolutionary data studies contain a visualization of the inferred tree with support values using one of the popular and highly cited (e.g., TreeView, Dendroscope, FigTree, Archaeopteryx, etc.) tree viewing tools. As a consequence, programming errors or ambiguous semantics in tree file formats can lead to erroneous tree visualizations and consequently incorrect interpretations of phylogenetic analyses. Here, we discuss the problems that can and do arise when displaying branch support values on trees. Presumably for historical reasons, branch support values (e.g., bootstrap support or Bayesian posterior probabilities) are typically stored as node labels in the widely-used Newick tree format. However, support values are attributes of branches (bipartitions) in unrooted phylogenetic trees. Therefore, storing support values as node labels can potentially lead to incorrect support-valueto- bipartition mappings when re-rooting trees in tree viewers. This depends on the mostly implicit semantics of tree viewers for interpreting node labels. To assess the potential impact of these ambiguous and predominantly implicit semantics of support values, we analyzed 10 distinct tree viewers. We find that, most of them exhibit some sort of incorrect or unexpected behavior when re-rooting trees with support values. We find that Dendroscope interprets Newick node labels as simply that, node labels in Newick trees. However, if they are meant to represent branch support values, the support value to branch mapping is incorrect when re-rooting trees with Dendroscope. We illustrate such an incorrect mapping by example of an empirical phylogenetic study. As a solution, we suggest that (i) branch support values should exclusively be stored as meta-data associated to branches (and not nodes), and (ii) if this is not feasible, tree viewers should include a user dialogue that explicitly forces users to define if node labels shall be interpreted as node or branch labels, prior to tree visualization

Interpreting phylogenetic placements for taxonomic assignment of environmental DNA

Taxonomic assignment of operational taxonomic units (OTUs) is an important bioinformatics step in analyzing environmental sequencing data. Pairwise alignment and phylogenetic-placement methods represent two alternative approaches to taxonomic assignments, but their results can differ. Here we used available colpodean ciliate OTUs from forest soils to compare the taxonomic assignments of VSEARCH (which performs pairwise alignments) and EPA-ng (which performs phylogenetic placements). We showed that when there are differences in taxonomic assignments between pairwise alignments and phylogenetic placements at the subtaxon level, there is a low pairwise similarity of the OTUs to the reference database. We then showcase how the output of EPA-ng can be further evaluated using GAPPA to assess the taxonomic assignments when there exist multiple equally likely placements of an OTU, by taking into account the sum over the likelihood weights of the OTU placements within a subtaxon, and the branch distances between equally likely placement locations. We also inferred the evolutionary and ecological characteristics of the colpodean OTUs using their placements within subtaxa. This study demonstrates how to fully analyze the output of EPA-ng, by using GAPPA in conjunction with knowledge of the taxonomic diversity of the clade of interest

Swarm v3: towards tera-scale amplicon clustering

Motivation: Previously we presented swarm, an open-source amplicon clustering programme that produces fine-scale molecular operational taxonomic units (OTUs) that are free of arbitrary global clustering thresholds. Here, we present swarm v3 to address issues of contemporary datasets that are growing towards tera-byte sizes. Results: When compared with previous swarm versions, swarm v3 has modernized C++ source code, reduced memory footprint by up to 50%, optimized CPU-usage and multithreading (more than 7 times faster with default parameters), and it has been extensively tested for its robustness and logic

Phylogenetic Analysis of SARS-CoV-2 Data Is Difficult

Numerous studies covering some aspects of SARS-CoV-2 data analyses are being published on a daily basis, including a regularly updated phylogeny on nextstrain.org. Here, we review the difficulties of inferring reliable phylogenies by example of a data snapshot comprising a quality-filtered subset of 8,736 out of all 16,453 virus sequences available on May 5, 2020 from gisaid.org. We find that it is difficult to infer a reliable phylogeny on these data due to the large number of sequences in conjunction with the low number of mutations. We further find that rooting the inferred phylogeny with some degree of confidence either via the bat and pangolin outgroups or by applying novel computational methods on the ingroup phylogeny does not appear to be credible. Finally, an automatic classification of the current sequences into subclasses using the mPTP tool for molecular species delimitation is also, as might be expected, not possible, as the sequences are too closely related. We conclude that, although the application of phylogenetic methods to disentangle the evolution and spread of COVID-19 provides some insight, results of phylogenetic analyses, in particular those conducted under the default settings of current phylogenetic inference tools, as well as downstream analyses on the inferred phylogenies, should be considered and interpreted with extreme caution

Long-read metabarcoding of the eukaryotic rDNA operon to phylogenetically and taxonomically resolve environmental diversity

High‐throughput DNA metabarcoding of amplicon sizes below 500 bp has revolutionized the analysis of environmental microbial diversity. However, these short regions contain limited phylogenetic signal, which makes it impractical to use environmental DNA in full phylogenetic inferences. This lesser phylogenetic resolution of short amplicons may be overcome by new long‐read sequencing technologies. To test this idea, we amplified soil DNA and used PacBio Circular Consensus Sequencing (CCS) to obtain an ~4500‐bp region spanning most of the eukaryotic small subunit (18S) and large subunit (28S) ribosomal DNA genes. We first treated the CCS reads with a novel curation workflow, generating 650 high‐quality operational taxonomic units (OTUs) containing the physically linked 18S and 28S regions. To assign taxonomy to these OTUs, we developed a phylogeny‐aware approach based on the 18S region that showed greater accuracy and sensitivity than similarity‐based methods. The taxonomically annotated OTUs were then combined with available 18S and 28S reference sequences to infer a well‐resolved phylogeny spanning all major groups of eukaryotes, allowing us to accurately derive the evolutionary origin of environmental diversity. A total of 1,019 sequences were included, of which a majority (58%) corresponded to the new long environmental OTUs. The long reads also allowed us to directly investigate the relationships among environmental sequences themselves, which represents a key advantage over the placement of short reads on a reference phylogeny. Together, our results show that long amplicons can be treated in a full phylogenetic framework to provide greater taxonomic resolution and a robust evolutionary perspective to environmental DNA

Unique and conserved MicroRNAs in wheat chromosome 5D revealed by next-generation sequencing

MicroRNAs are a class of short, non-coding, single-stranded RNAs that act as post-transcriptional regulators in gene expression. miRNA analysis of Triticum aestivum chromosome 5D was performed on 454 GS FLX Titanium sequences of flow sorted chromosome 5D with a total of 3,208,630 good quality reads representing 1.34x and 1.61x coverage of the short (5DS) and long (5DL) arms of the chromosome respectively. In silico and structural analyses revealed a total of 55 miRNAs; 48 and 42 miRNAs were found to be present on 5DL and 5DS respectively, of which 35 were common to both chromosome arms, while 13 miRNAs were specific to 5DL and 7 miRNAs were specific to 5DS. In total, 14 of the predicted miRNAs were identified in wheat for the first time. Representation (the copy number of each miRNA) was also found to be higher in 5DL (1,949) compared to 5DS (1,191). Targets were predicted for each miRNA, while expression analysis gave evidence of expression for 6 out of 55 miRNAs. Occurrences of the same miRNAs were also found in Brachypodium distachyon and Oryza sativa genome sequences to identify syntenic miRNA coding sequences. Based on this analysis, two other miRNAs: miR1133 and miR167 were detected in B. distachyon syntenic region of wheat 5DS. Five of the predicted miRNA coding regions (miR6220, miR5070, miR169, miR5085, miR2118) were experimentally verified to be located to the 5D chromosome and three of them : miR2118, miR169 and miR5085, were shown to be 5D specific. Furthermore miR2118 was shown to be expressed in Chinese Spring adult leaves. miRNA genes identified in this study will expand our understanding of gene regulation in bread wheat

Parasites dominate hyperdiverse soil protist communities in Neotropical rainforests

High animal and plant richness in tropical rainforest communities has long intrigued naturalists. It is unknown if similar hyperdiversity patterns are reflected at the microbial scale with unicellular eukaryotes (protists). Here we show, using environmental metabarcoding of soil samples and a phylogeny-aware cleaning step, that protist communities in Neotropical rainforests are hyperdiverse and dominated by the parasitic Apicomplexa, which infect arthropods and other animals. These host-specific parasites potentially contribute to the high animal diversity in the forests by reducing population growth in a density-dependent manner. By contrast, too few operational taxonomic units (OTUs) of Oomycota were found to broadly drive high tropical tree diversity in a host-specific manner under the Janzen-Connell model. Extremely high OTU diversity and high heterogeneity between samples within the same forests suggest that protists, not arthropods, are the most diverse eukaryotes in tropical rainforests. Our data show that protists play a large role in tropical terrestrial ecosystems long viewed as being dominated by macroorganisms