分子進化分析

關(guān)于分子進化分析課件18世紀之前，神創(chuàng)論和物種不變論。18世紀，相信物種是變化的。拉馬克用環(huán)境作用的影響、器官的用進廢退和獲得性的遺傳等原理解釋生物進化過程，創(chuàng)立了第一個比較嚴整的進化理論。1859年達爾文發(fā)表《物種起源》，論證了地球上現(xiàn)存的生物都由共同祖先發(fā)展而來，并提出自然選擇學(xué)說以說明進化的原因，從而創(chuàng)立了科學(xué)的進化理論。20世紀30年代，綜合進化論，綜合了細胞遺傳學(xué)、群體遺傳學(xué)以及古生物學(xué)等學(xué)科的成就，進一步發(fā)展了進化理論。20世紀60年代末，分子進化中性學(xué)說，認為種內(nèi)和種間大多數(shù)可見差異是適合度很小的隨機突變的固定所決定的。

第2頁,共58頁，2024年2月25日，星期天Darwin,Charles(1809-1882)《TheOriginofSpecies》（1859）生物進化第3頁,共58頁，2024年2月25日，星期天1.化石證據(jù)：理想但是零散、不完整生物進化研究方法

第4頁,共58頁，2024年2月25日，星期天2.比較形態(tài)學(xué)和比較生理學(xué)：確定大致的進化框架但是細節(jié)存很多的爭議生物進化研究方法

第5頁,共58頁，2024年2月25日，星期天3.分子進化（molecularevolution）研究生物大分子(如核酸和蛋白質(zhì)分子)的進化速率、模式及機制的理論生物進化研究方法

第6頁,共58頁，2024年2月25日，星期天分子進化1964年，Pauling等提出分子進化理論：

(1)生命起源：有機分子由簡單向復(fù)雜演變

(2)生物進化：構(gòu)成生物體的生物大分子如蛋白質(zhì)、核酸的演變?；炯僭O(shè)：核苷酸和氨基酸序列中含有生物進化歷史的全部信息意義：分子進化的研究可以為生物進化過程提供佐證，為深入研究進化機制提供重要依據(jù)。第7頁,共58頁，2024年2月25日，星期天

普適性由4種核酸組成分子水平的進化表現(xiàn)為：DNA序列的演化、氨基酸序列演化、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)及功能的演化可比較性比較不同物種的有關(guān)DNA序列建立DNA序列的演化模型、氨基酸序列的演化模型（數(shù)學(xué)模型）蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的演化模型

基因組編碼信息的豐富

與形態(tài)、性狀包含的信息相比，基因組序列、蛋白質(zhì)序列包含更多、更復(fù)雜的信息結(jié)構(gòu)分子進化第8頁,共58頁，2024年2月25日，星期天序列比較：源于同一祖先DNA/氨基酸序列的兩條DNA/氨基酸序列，考察二者的差異。序列差異：進化過程中分子突變的痕跡分子進化：以累計在DNA/氨基酸分子上的歷史信息為基礎(chǔ)，研究分子水平的生物進化過程和機制。分子進化的研究方法第9頁,共58頁，2024年2月25日，星期天分子進化的模式DNA突變的模式：替代，插入，缺失，倒位(2)核苷酸替代：轉(zhuǎn)換(Transition)&顛換(Transversion)(3)基因復(fù)制：多基因家族的產(chǎn)生以及偽基因的產(chǎn)生A.單個基因復(fù)制–重組或者逆轉(zhuǎn)錄B.染色體片斷復(fù)制C.基因組復(fù)制第10頁,共58頁，2024年2月25日，星期天分子進化鐘：某一蛋白在不同物種間的取代數(shù)與所研究物種間的分歧時間接近正線性關(guān)系，進而將分子水平的這種恒速變異稱為“分子鐘”。

中性學(xué)說：突變大多數(shù)是中性的,中性突變通過隨機的遺傳漂變在群體里固定下來,分子進化是遺傳漂變的結(jié)果,在分子進化上自然選擇不起作用。分子進化的理論基礎(chǔ)第11頁,共58頁，2024年2月25日，星期天(1)從物種的一些分子特性出發(fā)，構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹，進而了解物種之間的生物系統(tǒng)發(fā)生的關(guān)系——生命樹，物種分類(2)大分子功能與結(jié)構(gòu)的分析：同一家族的大分子，具有相似的三級結(jié)構(gòu)及生化功能，通過序列同源性分析，進行大分子功能預(yù)測(3)進化速率分析：例如，HIV的高突變性，哪些位點易發(fā)生突變？分子進化的研究目的第12頁,共58頁，2024年2月25日，星期天

作為進化標尺的生物大分子的選擇原則1）在所需研究的種群范圍內(nèi)，它必須是普遍存的。2）在所有物種中該分子的功能是相同的。3）為了鑒定大分子序列的同源位置或同源區(qū)，要求所選擇的分子序列必須能嚴格線性排列，以便進行進一步的分析比較。4）分子上序列的改變（突變）頻率應(yīng)與進化的測量尺度相適應(yīng)。大量的資料表明：功能重要的大分子、或者大分子中功能重要的區(qū)域，比功能不重要的分子或分子區(qū)域進化變化速度低。第13頁,共58頁，2024年2月25日，星期天16SrRNA被普遍公認為是一把好的譜系分析的“分子尺”第14頁,共58頁，2024年2月25日，星期天16SrRNA1）rRNA具有重要且恒定的生理功能；2）在16SrRNA分子中，既含有高度保守的序列區(qū)域，又有中度保守和高度變化的序列區(qū)域，因而它適用于進化距離不同的各類生物親緣關(guān)系的研究；3）16SrRNA分子量大小適中，便于序列分析；4）rRNA在細胞中含量大(約占細胞中RNA的90%)，也易于提??；5）16SrRNA普遍存在于真核生物和原核生物中(真核生物中其同源分子是18SrRNA)。因此它可以作為測量各類生物進化的工具。第15頁,共58頁，2024年2月25日，星期天(1)TreeofLife:16SrRNA真菌真核生物古生菌第16頁,共58頁，2024年2月25日，星期天OutofAfrica53個人的線粒體基因組(16,587bp)人類遷移的路線非洲人相對其他大陸上的人類在基因上極為多樣化隨著距非洲距離越來越長，遺傳多樣性的衰退程度，正好沿著人類早期遷徙的路線慢慢增大。第17頁,共58頁，2024年2月25日，星期天系統(tǒng)發(fā)育樹（Phylogenetictree）第18頁,共58頁，2024年2月25日，星期天對一組實際對象的世系關(guān)系的描述（如基因，物種等）。末端物種頂端中間節(jié)點中間枝條根末端分支葉子節(jié)點一個系統(tǒng)發(fā)育樹用一種類似樹狀分支的圖形來概括各種（類）生物之間的親緣關(guān)系通過比較生物大分子序列差異的數(shù)值構(gòu)建的系統(tǒng)樹稱為分子系統(tǒng)樹系統(tǒng)發(fā)育樹第19頁,共58頁，2024年2月25日，星期天系統(tǒng)發(fā)育樹的術(shù)語代表最終分類，可以是物種，群體或者蛋白質(zhì)、DNA、RNA分子等第20頁,共58頁，2024年2月25日，星期天系統(tǒng)發(fā)育樹是一種二叉樹。由一系列節(jié)點（nodes）和分支（branches）組成，其中每個節(jié)點代表一個分類單元（物種或序列），而節(jié)點之間的連線代表物種之間的進化關(guān)系。樹的節(jié)點又分為外部節(jié)點（terminalnode）和內(nèi)部節(jié)點（internalnode）。外部節(jié)點代表實際觀察到的分類單元。內(nèi)部節(jié)點又稱為分支點，代表分類單元進化歷程中的祖先。系統(tǒng)發(fā)育樹的術(shù)語第21頁,共58頁，2024年2月25日，星期天abcdabcd拓撲結(jié)構(gòu)：有根樹：反映時間順序無根樹：反映距離

理論上，一個DNA序列在物種形成或基因復(fù)制時，分裂成兩個子序列，因此系統(tǒng)發(fā)育樹一般是二叉的。一般考慮二叉的樹結(jié)構(gòu)：二叉樹系統(tǒng)發(fā)育樹的種類:有根樹、無根樹第22頁,共58頁，2024年2月25日，星期天abcdabcdabcdadbcbacdcabddabcacbdbcadcbaddbacadbcbaaccdabdcab考慮4個分類群時，共有15種可能的有根樹第23頁,共58頁，2024年2月25日，星期天abcdacbdadbc考慮4個分類群時，共有3種可能的無根樹第24頁,共58頁，2024年2月25日，星期天考察類群數(shù)為m(m

3)的系統(tǒng)樹，其可能的拓撲結(jié)構(gòu)數(shù)目為：有根樹無根樹m=10:34,459,425種m=10:2,027,025種當m較大時，選出真實樹的拓撲結(jié)構(gòu)十分困難。分支數(shù)目：有根樹無根樹內(nèi)部分支數(shù)目：有根樹無根樹內(nèi)部節(jié)點數(shù)目：有根樹無根樹第25頁,共58頁，2024年2月25日，星期天系統(tǒng)發(fā)育樹的種類:有根樹、無根樹第26頁,共58頁，2024年2月25日，星期天選擇一個或多個已知與分析序列關(guān)系較遠的序列作為外圍支2.外圍支可以輔助定位樹根3.外圍支條件：序列必須與剩余序列關(guān)系較近，但外圍支序列與其他序列間的差異必須比其他序列之間的差異更顯著選擇外圍支(Outgroup)第27頁,共58頁，2024年2月25日，星期天

基因樹：由來自各個物種的一個基因構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)育樹（不完全等同于物種樹），表示基因分離的時間。

物種樹：代表一個物種或群體進化歷史的系統(tǒng)發(fā)育樹，表示兩個物種分歧的時間。系統(tǒng)發(fā)育樹的種類：基因樹、物種樹abcABDGenetreeSpeciestree第28頁,共58頁，2024年2月25日，星期天進化分支圖，進化樹第29頁,共58頁，2024年2月25日，星期天系統(tǒng)發(fā)生樹性質(zhì)

如果是一棵有根樹，則樹根代表在進化歷史上是最早的、并且與其它所有分類單元都有聯(lián)系的分類單元。如果找不到可以作為樹根的單元，則系統(tǒng)發(fā)生樹是無根樹。從根節(jié)點出發(fā)到任何一個節(jié)點的路徑指明進化時間或者進化距離。第30頁,共58頁，2024年2月25日，星期天對于給定的分類單元數(shù)，有很多棵可能的系統(tǒng)發(fā)生樹，但是只有一棵樹是正確的。

系統(tǒng)發(fā)生分析的目標

——尋找這棵正確的樹系統(tǒng)發(fā)生樹性質(zhì)第31頁,共58頁，2024年2月25日，星期天系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建分析步驟多序列比對（自動比對，手工比對）建立取代模型（建樹方法）建立進化樹進化樹評估第32頁,共58頁，2024年2月25日，星期天系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建1.系統(tǒng)發(fā)育樹：分子進化樹/分子進化分析2.通過進化樹的構(gòu)建，分析分子之間的起源關(guān)系，預(yù)測分子的功能3.建樹方法：A.最大簡約法(MaximumParsimony)B.距離法(distance-basedmethods)C.最大似然性法(MaximumLikelihood)第33頁,共58頁，2024年2月25日，星期天A.最大簡約法（MP）

最大簡約法(maximumparsimony,MP)最早源于形態(tài)性狀研究，現(xiàn)在已經(jīng)推廣到分子序列的進化分析中。最大簡約法的理論基礎(chǔ)是奧卡姆（Ockham）原則，這個原則認為：解釋一個過程的最好理論是所需假設(shè)數(shù)目最少的那一個。對所有可能的拓撲結(jié)構(gòu)進行計算，計算出所需替代數(shù)最小的那個拓撲結(jié)構(gòu)，作為最優(yōu)樹。

第34頁,共58頁，2024年2月25日，星期天B.距離法又稱距離矩陣法，首先通過各個物種之間的比較，根據(jù)一定的假設(shè)（進化距離模型）推導(dǎo)得出分類群之間的進化距離，構(gòu)建一個進化距離矩陣。進化樹的構(gòu)建則是基于這個矩陣中的進化距離關(guān)系

計算序列的距離，建立距離矩陣通過距離矩陣建進化樹第35頁,共58頁，2024年2月25日，星期天由進化距離構(gòu)建進化樹的方法有很多，常見有：1.Fitch-MargoliashMethod（FM法）

2.Neighbor-JoiningMethod(NJ法/鄰接法):求最短支長，最通用的距離方法

3.NeighborsRelatonMethod(鄰居關(guān)系法)4.UnweightedPairGroupMethod(UPGMA法)通過矩陣建樹的方法第36頁,共58頁，2024年2月25日，星期天

選取一個特定的替代模型來分析給定的一組序列數(shù)據(jù)，使得獲得的每一個拓撲結(jié)構(gòu)的似然率都為最大值，然后再挑出其中似然率最大的拓撲結(jié)構(gòu)作為最優(yōu)樹。C.最大似然法（ML）第37頁,共58頁，2024年2月25日，星期天1.可靠的待分析數(shù)據(jù)2.準確的多序列比對3.選擇合適的建樹方法：A.序列相似程度高，MP(最大簡約法)B.序列相似程度較低，ML(最大似然法)C.序列相似程度太低，無意義4.一般采用兩種及以上方法構(gòu)建進化樹，無顯著區(qū)別可接受構(gòu)建進化樹的一般原則第38頁,共58頁，2024年2月25日，星期天

進化樹的可靠性分析:自展法

(BootstrapMethod)(統(tǒng)計方法)。從排列的多序列中隨機有放回的抽取某一列，構(gòu)成相同長度的新的排列序列重復(fù)上面的過程，得到多組新的序列對這些新的序列進行建樹，再觀察這些樹與原始樹是否有差異，以此評價建樹的可靠性進化樹的可靠分析第39頁,共58頁，2024年2月25日，星期天軟件名稱網(wǎng)址說明PHYLIP/phylip.htmlItincludesprogramstocarryoutparsimony,distancematrixmethods,maximumlikelihood,andothermethodsonavarietyoftypesofdata,includingDNAandRNAsequences,proteinsequences,restrictionsites,0/1discretecharactersdata,genefrequencies,continuouscharactersanddistancematrices.PAUP/Itincludesparsimony,distancematrix,invariants,andmaximumlikelihoodmethodsandmanyindicesandstatisticaltests.TreeofLife/tree/program/program.htmlArizona大學(xué)開發(fā)的軟件MEGA美國賓州州立大學(xué)MasatoshiNei開發(fā)(Itcarriesoutparsimony,distancematrixandlikelihoodmethodsformoleculardata.)常用分子進化與系統(tǒng)進化分析的軟件第40頁,共58頁，2024年2月25日，星期天軟件名稱網(wǎng)址說明MOLPHYhttp://www.ism.ac.jp/software/ismlib/softother.e.html#molphy日本國立統(tǒng)計數(shù)理研究所開發(fā)。(Carryingoutmaximumlikelihoodinferenceofphylogeniesforeithernucleotidesequencesorproteinsequences.)PAMLhttp://abacus.gene.ucl.ac.uk/software/paml.html英國倫敦學(xué)院ZHYANG開發(fā)。(ApackageofprogramsfortheMLanalysisofnucleotideorproteinsequences.)PUZZLEftp://fx.zi.biologie.uni-muenchen.de/pub/puzzle應(yīng)用Quarterpuzzling方法（一種最大簡約法）構(gòu)建系統(tǒng)進化樹TreeViewhttp://taxonomy.zoology.gla.ac.uk/rod/treeview.htmlAprogramfordisplayingtreesonAppleMacsandWindowsPCs.Itcandrawrootedandunrootedtrees,displaybootstrapvalues,andsupportsthenativefontandgraphicsfileformatsofbothMacsandPCs.phylogenyhttp://www.ebi.ac.uk/biocat/phylogeny.htmlEBI的系統(tǒng)進化樹分析軟件第41頁,共58頁，2024年2月25日，星期天謝謝第42頁,共58頁，2024年2月25日，星期天(1)DNA突變的模式替代插入缺失倒位酪氨酸亮氨酸半胱氨酸酪氨酸苯丙氨酸甲硫氨酸第43頁,共58頁，2024年2月25日，星期天(2)核苷酸替代：轉(zhuǎn)換&顛換轉(zhuǎn)換：嘌呤被嘌呤替代，或者嘧啶被嘧啶替代顛換：嘌呤被嘧啶替代，或者嘧啶被嘌呤替代A:腺嘌呤

C:胞嘧啶G:鳥嘌呤

T:胸腺嘧啶

第44頁,共58頁，2024年2月25日，星期天(3)基因復(fù)制：A.單個基因復(fù)制重組逆轉(zhuǎn)錄第45頁,共58頁，2024年2月25日，星期天(3)基因復(fù)制：B.染色體片段復(fù)制缺失—染色體失去了片段重復(fù)—染色體增加了片段易位—非同源染色體間相互交換染色體片段，造成染色體間的重新排列倒立—染色體片段作180°的顛倒，造成染色體內(nèi)的重新排列。第46頁,共58頁，2024年2月25日，星期天(3)基因復(fù)制：C.基因組復(fù)制S.Cerevisiae(釀酒酵母)K.Waltii(克魯雄酵母)克魯雄酵母中的同源基因數(shù)量與釀酒酵母相比為1：2第47頁,共58頁，2024年2月25日，星期天分子進化的兩個特點生物大分子進化速率的相對恒定分子進化速率生物大分子隨時間的改變主要表現(xiàn)為核苷酸、蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)的改變，即分子序列中核苷酸、氨基酸的替換不同物種同源大分子的分子進化速率大體相同分子進化速率遠遠比表型進化速率穩(wěn)定第48頁,共58頁，2024年2月25日，星期天生物大分子進化的保守性保守性：功能上重要的大分子或大分子的局部在進化速率上明顯低于那些在功能上不重要的大分子或者大分子局部。（引起表型發(fā)生顯著改變的突變發(fā)生的頻率要低于無明顯表型發(fā)生顯著改變得突變發(fā)生的頻率。）氨基酸例：血紅蛋白分子的外區(qū)的功能要次于內(nèi)區(qū)的功能，外區(qū)的進化速率是內(nèi)區(qū)進化速率的10倍。核苷酸

例：DNA密碼子的同義替代頻率高于非同義替代頻率；內(nèi)含子上的核苷酸替代頻率較高。生物大分子進化并非完全隨機存在某種制約因素，存在某種機制……?第49頁,共58頁，2024年2月25日，星期天分子鐘（MolecularClock）

根據(jù)分子系統(tǒng)學(xué)研究與古生物學(xué)資料相結(jié)合，建立推論生物進化事件發(fā)生的時間表。

假定分子進化速率r恒定，則分子進化改變量（替代數(shù)目或替代率）與進化時間成正比。以兩條序列為例：d=2rt其中，t是進化時間，d是這兩條序列每個位點的替代數(shù)目。第50頁,共58頁，2024年2月25日，星期天分子鐘成立的先決條件：分子進化速率恒定分子鐘成立的證據(jù)：1、至少某些生物大分子（如珠蛋白）的進化速率在相當長的地質(zhì)時間內(nèi)的相對穩(wěn)定、均勻；2、許多不同物種的多種同源大分子在相當長時間內(nèi)的平均進化速率近似恒定。第51頁,共58頁，2024年2月25日，星期天建立分子鐘的大致步驟1、選擇所要比較的生物大分子種類根據(jù)具體研究目標和已掌握的資料，選擇進化速率相對恒定、速率大小合適、分布范圍能涵蓋各待比較物種的生物大分子。2、選擇所要比較的物種，確定各比較組合及其所代表的進化事件3、獲得生物大分子一級結(jié)構(gòu)的資料第52頁,共58頁，2024年2月25日，星期天建立分子鐘的大致步驟4、獲得有關(guān)的代表性進化事件發(fā)生的地質(zhì)時間數(shù)據(jù)5