Mixture models of nucleotide sequence evolution that account for heterogeneity in the substitution process across sites and across lineages

Molecular phylogenetic studies of homologous sequences of nucleotides often assume that the underlying evolutionary process was globally stationary, reversible, and homogeneous (SRH), and that a model of evolution with one or more site-specific and time-reversible rate matrices (e.g., the GTR rate matrix) is enough to accurately model the evolution of data over the whole tree. However, an increasing body of data suggests that evolution under these conditions is an exception, rather than the norm. To address this issue, several non-SRH models of molecular evolution have been proposed, but they either ignore heterogeneity in the substitution process across sites (HAS) or assume it can be modeled accurately using the distribution. As an alternative to these models of evolution, we introduce a family of mixture models that approximate HAS without the assumption of an underlying predefined statistical distribution. This family of mixture models is combined with non-SRH models of evolution that account for heterogeneity in the substitution process across lineages (HAL). We also present two algorithms for searching model space and identifying an optimal model of evolution that is less likely to over- or underparameterize the data. The performance of the two new algorithms was evaluated using alignments of nucleotides with 10 000 sites simulated under complex non-SRH conditions on a 25-tipped tree. The algorithms were found to be very successful, identifying the correct HAL model with a 75% success rate (the average success rate for assigning rate matrices to the tree's 48 edges was 99.25%) and, for the correct HAL model, identifying the correct HAS model with a 98% success rate. Finally, parameter estimates obtained under the correct HAL-HAS model were found to be accurate and precise. The merits of our new algorithms were illustrated with an analysis of 42 337 second codon sites extracted from a concatenation of 106 alignments of orthologous genes encoded by the nuclear genomes of Saccharomyces cerevisiae, S. paradoxus, S. mikatae, S. kudriavzevii, S. castellii, S. kluyveri, S. bayanus, and Candida albicans. Our results show that second codon sites in the ancestral genome of these species contained 49.1% invariable sites, 39.6% variable sites belonging to one rate category (V1), and 11.3% variable sites belonging to a second rate category (V2). The ancestral nucleotide content was found to differ markedly across these three sets of sites, and the evolutionary processes operating at the variable sites were found to be non-SRH and best modeled by a combination of eight edge-specific rate matrices (four for V1 and four for V2). The number of substitutions per site at the variable sites also differed markedly, with sites belonging to V1 evolving slower than those belonging to V2 along the lineages separating the seven species of Saccharomyces. Finally, sites belonging to V1 appeared to have ceased evolving along the lineages separating S. cerevisiae, S. paradoxus, S. mikatae, S. kudriavzevii, and S. bayanus, implying that they might have become so selectively constrained that they could be considered invariable sites in these species.

Creation and suppression of point defects through a kick-out substitution process of Fe in InP

Indium antisite defect In-P-related photoluminescence has been observed in Fe-diffused semi-insulating (SI) InP. Compared to annealed undoped or Fe-predoped SI InP, there are fewer defects in SI InP obtained by long-duration, high-temperature Fe diffusion. The suppression of the formation of point defects in Fe-diffused SI InP can be explained in terms of the complete occupation by Fe at indium vacancy. The In-P defect is enhanced by the indium interstitial that is caused by the kick out of In and the substitution at the indium site of Fe in the diffusion process. Through these Fe-diffusion results, the nature of the defects in annealed undoped SI InP is better understood. (C) 2002 American Institute of Physics.

Mechanistic Aspects of Nucleophilic Substitution at Half-Sandwich Metal Complexes

The hydrolysis reactions of organometallic ruthenium(II) piano-stool complexes of the type Ru-II(eta(6)-cymene)(L)Cl](0/+) (1-5, where L = kappa(1)- or kappa(2)-1,1-bis(diphenylphosphino)methane,1,1bis-(diphenylphosphino)methane oxide, kappa(1)-mercaptobenzothiazole) have been studied using density functional theory at the B3LYP level. In addition to considering a syn attack in an associative fashion, where the nucleophile approaches from the same side as the leaving group, we have explored alternative paths such as an anti attack in an associative manner, where the nucleophile attacks from the opposite side of the leaving group. During the anti attack, an intermediate is formed and there is a coordination mode change of the arene ring from eta(6) to eta(2) along with its rotation. When the intermediate goes to the product, the arene ring slips back from eta(2) to eta(6) coordination. This coordinated movement of the arene ring makes the associative anti attack an accessible pathway for the substitution process. Our calculations predict very similar activation barriers for both syn and anti attacks. In the dissociative path, the rate-determining step is the generation of a coordinatively unsaturated 16-electron ruthenium species. This turns out to be viable once solvent effects are included. The large size of the ancillary ligands on Ru makes the dissociative process as favorable as the associative process. Activation energy calculations reveal that although the dissociative path is favorable for kappa(1) complexes, both dissociative and associative processes can have significant contribution to the hydrolysis reaction in kappa(2) complexes. Once activated by hydrolysis, these complexes react with guanine and adenine bases of DNA. The thermodynamic stabilities of complexes formed with the nucleobases are also presented.

Évolution moléculaire : un modèle Markov-modulé pour les processus de substitution

Les processus Markoviens continus en temps sont largement utilisés pour tenter d’expliquer l’évolution des séquences protéiques et nucléotidiques le long des phylogénies. Des modèles probabilistes reposant sur de telles hypothèses sont conçus pour satisfaire la non-homogénéité spatiale des contraintes fonctionnelles et environnementales agissant sur celles-ci. Récemment, des modèles Markov-modulés ont été introduits pour décrire les changements temporels dans les taux d’évolution site-spécifiques (hétérotachie). Des études ont d’autre part démontré que non seulement la force mais également la nature de la contrainte sélective agissant sur un site peut varier à travers le temps. Ici nous proposons de prendre en charge cette réalité évolutive avec un modèle Markov-modulé pour les protéines sous lequel les sites sont autorisés à modifier leurs préférences en acides aminés au cours du temps. L’estimation a posteriori des différents paramètres modulants du noyau stochastique avec les méthodes de Monte Carlo est un défi de taille que nous avons su relever partiellement grâce à la programmation parallèle. Des réglages computationnels sont par ailleurs envisagés pour accélérer la convergence vers l’optimum global de ce paysage multidimensionnel relativement complexe. Qualitativement, notre modèle semble être capable de saisir des signaux d’hétérogénéité temporelle à partir d’un jeu de données dont l’histoire évolutive est reconnue pour être riche en changements de régimes substitutionnels. Des tests de performance suggèrent de plus qu’il serait mieux ajusté aux données qu’un modèle équivalent homogène en temps. Néanmoins, les histoires substitutionnelles tirées de la distribution postérieure sont bruitées et restent difficilement interprétables du point de vue biologique.

The Use of Equality in Deduction and Knowledge Representation

This report describes a system which maintains canonical expressions for designators under a set of equalities. Substitution is used to maintain all knowledge in terms of these canonical expressions. A partial order on designators, termed the better-name relation, is used in the choice of canonical expressions. It is shown that with an appropriate better-name relation an important engineering reasoning technique, propagation of constraints, can be implemented as a special case of this substitution process. Special purpose algebraic simplification procedures are embedded such that they interact effectively with the equality system. An electrical circuit analysis system is developed which relies upon constraint propagation and algebraic simplification as primary reasoning techniques. The reasoning is guided by a better-name relation in which referentially transparent terms are preferred to referentially opaque ones. Multiple description of subcircuits are shown to interact strongly with the reasoning mechanism.

Suppression of long-branch attraction artefacts in the animal phylogeny using a site-heterogeneous model

Affiliation: Département de Biochimie, Université de Montréal

Estimation des longueurs de branche et artefact sur la datation moléculaire

La phylogénie moléculaire fournit un outil complémentaire aux études paléontologiques et géologiques en permettant la construction des relations phylogénétiques entre espèces ainsi que l’estimation du temps de leur divergence. Cependant lorsqu’un arbre phylogénétique est inféré, les chercheurs se focalisent surtout sur la topologie, c'est-à-dire l’ordre de branchement relatif des différents nœuds. Les longueurs des branches de cette phylogénie sont souvent considérées comme des sous-produits, des paramètres de nuisances apportant peu d’information. Elles constituent cependant l’information primaire pour réaliser des datations moléculaires. Or la saturation, la présence de substitutions multiples à une même position, est un artefact qui conduit à une sous-estimation systématique des longueurs de branche. Nous avons décidé d’estimer l‘influence de la saturation et son impact sur l’estimation de l’âge de divergence. Nous avons choisi d’étudier le génome mitochondrial des mammifères qui est supposé avoir un niveau élevé de saturation et qui est disponible pour de nombreuses espèces. De plus, les relations phylogénétiques des mammifères sont connues, ce qui nous a permis de fixer la topologie, contrôlant ainsi un des paramètres influant la longueur des branches. Nous avons utilisé principalement deux méthodes pour améliorer la détection des substitutions multiples : (i) l’augmentation du nombre d’espèces afin de briser les plus longues branches de l’arbre et (ii) des modèles d’évolution des séquences plus ou moins réalistes. Les résultats montrèrent que la sous-estimation des longueurs de branche était très importante (jusqu'à un facteur de 3) et que l’utilisation d'un grand nombre d’espèces est un facteur qui influence beaucoup plus la détection de substitutions multiples que l’amélioration des modèles d’évolutions de séquences. Cela suggère que même les modèles d’évolution les plus complexes disponibles actuellement, (exemple: modèle CAT+Covarion, qui prend en compte l’hétérogénéité des processus de substitution entre positions et des vitesses d’évolution au cours du temps) sont encore loin de capter toute la complexité des processus biologiques. Malgré l’importance de la sous-estimation des longueurs de branche, l’impact sur les datations est apparu être relativement faible, car la sous-estimation est plus ou moins homothétique. Cela est particulièrement vrai pour les modèles d’évolution. Cependant, comme les substitutions multiples sont le plus efficacement détectées en brisant les branches en fragments les plus courts possibles via l’ajout d’espèces, se pose le problème du biais dans l’échantillonnage taxonomique, biais dû à l‘extinction pendant l’histoire de la vie sur terre. Comme ce biais entraine une sous-estimation non-homothétique, nous considérons qu’il est indispensable d’améliorer les modèles d’évolution des séquences et proposons que le protocole élaboré dans ce travail permettra d’évaluer leur efficacité vis-à-vis de la saturation.

Amélioration de l'exactitude de l'inférence phylogénomique

L’explosion du nombre de séquences permet à la phylogénomique, c’est-à-dire l’étude des liens de parenté entre espèces à partir de grands alignements multi-gènes, de prendre son essor. C’est incontestablement un moyen de pallier aux erreurs stochastiques des phylogénies simple gène, mais de nombreux problèmes demeurent malgré les progrès réalisés dans la modélisation du processus évolutif. Dans cette thèse, nous nous attachons à caractériser certains aspects du mauvais ajustement du modèle aux données, et à étudier leur impact sur l’exactitude de l’inférence. Contrairement à l’hétérotachie, la variation au cours du temps du processus de substitution en acides aminés a reçu peu d’attention jusqu’alors. Non seulement nous montrons que cette hétérogénéité est largement répandue chez les animaux, mais aussi que son existence peut nuire à la qualité de l’inférence phylogénomique. Ainsi en l’absence d’un modèle adéquat, la suppression des colonnes hétérogènes, mal gérées par le modèle, peut faire disparaître un artéfact de reconstruction. Dans un cadre phylogénomique, les techniques de séquençage utilisées impliquent souvent que tous les gènes ne sont pas présents pour toutes les espèces. La controverse sur l’impact de la quantité de cellules vides a récemment été réactualisée, mais la majorité des études sur les données manquantes sont faites sur de petits jeux de séquences simulées. Nous nous sommes donc intéressés à quantifier cet impact dans le cas d’un large alignement de données réelles. Pour un taux raisonnable de données manquantes, il appert que l’incomplétude de l’alignement affecte moins l’exactitude de l’inférence que le choix du modèle. Au contraire, l’ajout d’une séquence incomplète mais qui casse une longue branche peut restaurer, au moins partiellement, une phylogénie erronée. Comme les violations de modèle constituent toujours la limitation majeure dans l’exactitude de l’inférence phylogénétique, l’amélioration de l’échantillonnage des espèces et des gènes reste une alternative utile en l’absence d’un modèle adéquat. Nous avons donc développé un logiciel de sélection de séquences qui construit des jeux de données reproductibles, en se basant sur la quantité de données présentes, la vitesse d’évolution et les biais de composition. Lors de cette étude nous avons montré que l’expertise humaine apporte pour l’instant encore un savoir incontournable. Les différentes analyses réalisées pour cette thèse concluent à l’importance primordiale du modèle évolutif.

Sociedade em rede: faces virtuais da ideologia capitalista do século XXI

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Substituição na produção de /ɵ/ e /ð/ por falantes do português: uma análise não linear

Trata o presente estudo da produção das fricativas interdentais da língua inglesa por falantes do português brasileiro (PB), aprendizes de Inglês como língua estrangeira, (English as a Foreign Language – EFL) nos Cursos Livres de Línguas Estrangeiras mantidos pela Universidade Federal do Pará. O objetivo deste estudo é investigar as possibilidades de ocorrência de substituições para as fricativas interdentais surda e sua contraparte sonora em posições de onset e coda silábica, os resultados são analisados com base na Fonologia de Geometria de Traços (Clements e Hume, 1995). A coleta de dados foi realizada junto a um grupo de vinte e dois alunos, sendo 12 alunos do terceiro nível e 10 alunos do sétimo nível. Pretende-se fazer a representação detalhada do processo de substituição que falantes do português brasileiro (PB), aprendizes de inglês como segunda língua (ESL), realizam especificamente para os segmentos fricativos interdentais da língua inglesa em suas versões surda e sonora /Ɵ/ e /ð/, no processo de aquisição da fonologia desta língua. Diferentes tipos de segmentos foram encontrados em nossa pesquisa como resultado das substituições, quais sejam: [t],[tʃ],[d],[f] e [s] para a fricativa interdental surda /Ɵ/ e [t],[d],[s],[f],[v] e [tʃ] para a fricativa interdental sonora /ð/. Os tipos predominantes de processos observados foram: (a) Fortição, (b) Posteriorização (c) Sonorização (d) Palatalização (e) Labialização (f) Epêntese e (g) Ressilabificação. Todos resultando de um processo anterior chamado Nativização.

The effect of flex fuel vehicles in the Brazilian light road transportation

The retaking of the ethanol program in the year 2003 as a fuel for light road transportation in Brazil through the introduction of flex fuel vehicles fleet was a good strategy to overcome the difficulties of the ethanol production sector and did work to increase its market share relative to gasoline. This process, however, may cause a future disequilibrium on the food production and on the refining oil derivates structure. In order to analyze the substitution process resultant of the competition between two opponents fighting for the same market, in this case the gasoline/ethanol substitution process, a method derived from the biomathematics based on the non-linear differential equations (NLDE) system is utilized. A brief description of the method is presented. Numerical adherence of the method to explain several substitution phenomena that occurred in the past is presented in the previous author`s paper, in which the urban gas pipeline system substitution of bottled LPG in the dwelling sector and the substitution of the urban diesel transportation fleet by compressed natural gas (CNG) buses is presented. The proposed method is particularly suitable for prospective analysis and scenarios assessment. (c) 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Synthesis of Nitrogenated Heterocycles by Asymmetric Transfer Hydrogenation of N-(tert-Butylsulfinyl)haloimines

Highly optically enriched, protected, nitrogenated heterocycles with different ring sizes have been synthesized by a very efficient methodology consisting of the asymmetric transfer hydrogenation of N-(tert-butylsulfinyl)haloimines followed by treatment with a base to promote an intramolecular nucleophilic substitution process. N-Protected aziridines, pyrrolidines, piperidines, and azepanes bearing aromatic, heteroaromatic, and aliphatic substituents have been obtained in very high yields and diastereomeric ratios up to >99:1. The free heterocycles can be easily obtained by a simple and mild desulfinylation procedure. Both enantiomers of the free heterocycles can be prepared with the same good results by changing the absolute configuration of the sulfur atom of the sulfinyl group.

Trade policy in a dynamic Heckscher-Ohlin model

The Import Substitution Process in Latin Amer ica was an attempt to enhance GDP growth and productivity by rising trade barriers upon capital-intensive products. Our main goal is to analyze how an increase in import tariff on a particular type of good affects the production choices and trade pattern of an economy. We develop an extension of the dynamic Heckscher-Ohlin model – a combination of a static two goods, two-factor Heckscher-Ohlin model and a two-sector growth model – allowing for import tariff. We then calibrate the closed economy model to the US. The results show that the economy will produce less of both consumption and investment goods under autarky for low and high levels of capital stock per worker. We also find that total GDP may be lower under free trade in comparison to autarky.

Process Improvement of Coir Pith Degradation Involving White Rot Fungi By Substitution of Urea With Nitrogen Fixing Bacteria and Application of Biodegraded Coir Pith as Plant Growth Medium

In this study, a novel improved technology could be developed to convert the recalcitrant coir pith into environmental friendly organic manure. The standard method of composting involves the substitution of urea with nitrogen fixing bacteria viz. Azotobacter vinelandii and Azospirillum brasilense leading to the development of an improved method of coir pith. The combined action of the microorganisms could enhance the biodegradation of coir pith. In the present study, Pleurotus sajor caju, an edible mushroom which has the ability to degrade coir pith, and the addition of nitrogen fixing bacteria like Azotobacter vinelandii and Azospirillum brasilense could accelerate the action of the fungi on coir pith. The use of these microorganisms brings about definite changes in the NPK, Ammonia, Organic Carbon and Lignin contents in coir pith. This study will encourage the use of biodegraded coir pith as organic manure for agri/horti purpose to get better yields and can serve as a better technology to solve the problem of accumulated coir pith in coir based industries