第九章：分子进化与系统发育.ppt

　　第九章：分子进化与系统发育

　　普通高等教育 “十二五”规划教材 生物信息学 Bioinformatics

　　第一节 分子进化与系统发育

　　一、分子水平的进化 分子水平的进化主要是指在生物进化过程中，构成生物体的大分子物质，如蛋白质、核酸的演变过程。 (一)分子进化的特点 1、生物大分子进化速率相对恒定 2、生物大分子进化的保守性

　　(二)分子进化的中性学说 分子进化的中性学说认为多数或绝大多数突变都是中性或近中性的，即无所谓有利或不利，自然选择对它们不起作用，因此对于这些中性突变不会发生自然选择与适者生存的情况。

　　(三)基因组计划与分子进化 人类基因组计划(HGP)最主要的目的是测出人类基因组DNA的30亿碱基对的序列，发现所有人类基因，找出它们在染色体上的位置，破译人类全部遗传信息，解码生命，了解生命的起源，了解生命体生长发育的规律，认识种属之间和个体之间存在差异的起因，认识疾病产生的机制，以及长寿与衰老等生命现象，从而为疾病的诊治提供科学依据。 (四)研究分子进化的意义

　　二、分子系统发育分析的基本概念 (一)分子系统发育树的基本概念 在研究生物进化和系统分类中，常用一种类似树状分支的图形来概括各种(类)生物之间的亲缘关系，这种树状分支的图形称为系统发育树。

　　(二)有根树和无根树

　　(三)物种树和基因/蛋白树

　　第二节 分子系统发育树的构建方法

　　利用生物大分子数据重建系统进化树，目前最常用的有4种方法，即距离法、最大简约法、最大似然法和贝叶斯法，其中，最大简约法主要适用于序列相似性很高的情况;距离法在序列具有比较高的相似性时适用;最大似然法和贝叶斯法可用于任何相关的数据序列集合。从计算速度来看，距离法的计算速度最快，其次是最大简约法和贝叶斯方法，然后是最大似然法。

　　一、基于距离的系统发育树构建方法 (一)非加权分组平均法 UPGMA主要适用于在基因替代速率恒定时，尤其是用基因频率数据来构建分子系统发育树时。

　　1、算法

　　2、实例

　　(二)最小二乘法

　　2、实例

　　(三)邻接法 1、算法

　　NJ方法构建系统发育树的一般步骤：

　　2、实例 设有4段序列，分别为A:TAGG;B:TACG;C:AAGC; D:AGCC，利用邻接法构建系统发育树。 1)两两比对，并计算遗传距离。 2)构建一颗星状树，算出总树的树枝长度。

　　分枝长分别为： 利用序列间的距离求出星状树的总枝长，即

　　3) 筛选出第1对邻居 先将序列A和序列B作为邻居与其他序列分离开来

　　二、最大简约发 最大简约法(maximum parsimony)是一种常用的系统发生学分析的方法，根据离散性状【包括形态学性状和分子序列(DNA和蛋白质等)】的变异程度，构建生物的系统发育树，并分析生物物种之间的演化关系。 (一)最大简约法的基本思想 对于系统发育树最直接的计算方式就是沿着各个分枝累加特征变化的数目，而简约的含义即为代价最小，所以，利用最大简约法构建系统发育树的过程，就是一个对给定分类单元所有可能的树进行比较的过程。

　　(二)最大简约树的搜索策略 穷举式搜索、分支界限法、启发式搜索法 3、实例 设有4段序列，分别为d1:TAGG;d2:TACG;d3:AAGC;d4:AGCC

　　4段序列的第一位上3种树的碱基替换数目：

　　4段序列构建的所有可能的树：

　　三、最大似然法 利用最大似然法构建系统进化树基于两条基本假设：不同的性状进化是独立的;物种发生分化后的进化是独立的。 似然函数：

　　(二)实例

　　四、贝叶斯推断法

　　第三节 系统发育树构建及应用

　　一、构建系统发育树的步骤 1、选择合适的分子序列 2、多序列比对 3、选择合适的建树方法 4、系统发育树的评估 重复抽样检验、内枝检验

　　二、常见系统发育树的软件简介 (一)PHYLIP—the phylogeny inference package 主要程序组： 分子序列组：蛋白质序列组，如ptotpars、proml;核苷酸序列组，如dnapenny、dnapars 距离矩阵组：fitch、kitsch、neighbor 基因频率组：gendist、contrast、contml 离散字符组：pars、mix、penny 进化树绘制组：drawgram、drawtree、consense

　　(二)PAUP--phylogenetic analysis using parsimony (三)MEGA—molecular evolutionary genetics analysis 主要功能模块包括：通过网络进行数据的搜索、遗传距离的估计、多序列比对、系统发育树的构建和进化假说检验等。

　　(四)TREE-PUZZLE 采用最大似然法构建系统发育树 (五)MrBayes 采用贝叶斯方法进行系统发育树构建 (六)PhyML 根据最大似然法原理，采用更加简便的爬山算法来同时估计树的拓扑结构和树的分枝长。

　　三、系统发育分析示例 (一)利用MEGA4构建系统发育树 1、序列获取

　　2、使用MEGA4进行多序列比对

　　3、使用MEGA4进行系统发育树的构建

　　(二)利用在线分析软件构建系统发育树

　　Mobyle

　　1、利用ClustaLW进行多序列比对

　　2、利用PhyMLS在线分析软件进行系统发育树的构建

　　3、系统发育树的展示