分子进化分析.ppt

第六章 分子进化分析主讲：涂昀主讲：涂昀生物信息学生物信息学 重庆大学生物工程学院重庆大学生物工程学院u18世纪之前，神创论和物种不变论神创论和物种不变论。u18世纪，相信物种是变化物种是变化的。拉马克用环境作用的影响、器官的用进废退和获得性的遗传等原理解释生物进化过程，创立了第一个比较严整的进化理论。u18591859年达尔文发表年达尔文发表物种起源物种起源，论证了地球上现存的生，论证了地球上现存的生物都由共同祖先发展而来，并提出自然选择学说以说明进化物都由共同祖先发展而来，并提出自然选择学说以说明进化的原因，从而创立了的原因，从而创立了科学的进化理论科学的进化理论。u20世纪30年代，综合进化论综合进化论，综合了细胞遗传学、群体遗传学以及古生物学等学科的成就，进一步发展了进化理论。u20世纪60年代末，分子进化中性学说分子进化中性学说，认为种内和种间大多数可见差异是适合度很小的随机突变的固定所决定的。Darwin,CharlesDarwin,Charles(1809-1882)(1809-1882)The Origin of The Origin of SpeciesSpecies（18591859）生物进化1.1.化石证据化石证据：理想但是零散、不完整：理想但是零散、不完整生物进化研究方法 2.2.比较形态学和比较生理学比较形态学和比较生理学：确定大致的进化：确定大致的进化框架框架 但是细节存很多的争议但是细节存很多的争议生物进化研究方法 3.3.分子进化（分子进化（molecular evolution molecular evolution）研究生物大分子研究生物大分子(如核酸和蛋白质如核酸和蛋白质分子分子)的进化速率、模式及机制的理论的进化速率、模式及机制的理论生物进化研究方法 分子进化 1964 1964年，年，PaulingPauling等提出等提出分子进化理论分子进化理论：(1)(1)生命起源：有机分子由简单向复杂演变生命起源：有机分子由简单向复杂演变 (2)(2)生物进化：构成生物体的生物大分子如蛋白质、生物进化：构成生物体的生物大分子如蛋白质、核酸的演变。核酸的演变。基本假设：基本假设：核苷酸和氨基酸序列中含有生物进化历核苷酸和氨基酸序列中含有生物进化历史的全部信息史的全部信息 意义：意义：分子进化的研究可以为生物进化过程提供佐分子进化的研究可以为生物进化过程提供佐证，为深入研究进化机制提供重要依据。证，为深入研究进化机制提供重要依据。l 普适性普适性 由由4 4种核酸组成种核酸组成 分子水平的进化表现为：分子水平的进化表现为：DNADNA序列序列的演化、氨基酸序列演化、蛋白质结构及功能的演化的演化、氨基酸序列演化、蛋白质结构及功能的演化l 可比较性可比较性 比较不同物种的有关比较不同物种的有关DNADNA序列序列 建立建立DNADNA序列的演序列的演化模型、氨基酸序列的演化模型（数学模型）化模型、氨基酸序列的演化模型（数学模型）蛋白质结构的演化模型蛋白质结构的演化模型 l 基因组编码信息的丰富基因组编码信息的丰富 与形态、性状包含的信息相比，基因组序列、蛋白质与形态、性状包含的信息相比，基因组序列、蛋白质序列包含更多、更复杂的信息结构序列包含更多、更复杂的信息结构分子进化序列比较：序列比较：源于同一祖先源于同一祖先DNA/DNA/氨基酸序列的两条氨基酸序列的两条DNA/DNA/氨基酸序列，考察二者的差异。氨基酸序列，考察二者的差异。序列差异：序列差异：进化过程中分子突变的痕迹进化过程中分子突变的痕迹分子进化分子进化：以累计在以累计在DNA/DNA/氨基酸分子上的历史信息为基氨基酸分子上的历史信息为基础，研究分子水平的生物进化过程和机制。础，研究分子水平的生物进化过程和机制。分子进化的研究方法分子进化的模式(1)(1)(1)(1)DNADNADNADNA突变的模式突变的模式突变的模式突变的模式：替代，插入，缺失，倒位：替代，插入，缺失，倒位：替代，插入，缺失，倒位：替代，插入，缺失，倒位(2)(2)(2)(2)核苷酸替代核苷酸替代核苷酸替代核苷酸替代：转换：转换：转换：转换 (Transition)&(Transition)&(Transition)&(Transition)&颠换颠换颠换颠换 (Transversion)(Transversion)(Transversion)(Transversion)(3)(3)(3)(3)基因复制基因复制基因复制基因复制：多基因家族的产生以及伪基因的产生：多基因家族的产生以及伪基因的产生：多基因家族的产生以及伪基因的产生：多基因家族的产生以及伪基因的产生 A.A.A.A.单个基因复制单个基因复制单个基因复制单个基因复制 重组或者逆转录重组或者逆转录重组或者逆转录重组或者逆转录 B.B.B.B.染色体片断复制染色体片断复制染色体片断复制染色体片断复制 C.C.C.C.基因组复制基因组复制基因组复制基因组复制分子进化钟：分子进化钟：某一蛋白在不同物种间的取代数与所研某一蛋白在不同物种间的取代数与所研究物种间的究物种间的分歧时间接近正线性关系分歧时间接近正线性关系，进而将分子水，进而将分子水平的这种恒速变异称为平的这种恒速变异称为“分子钟分子钟”。中性学说：中性学说：突变大多数是中性的突变大多数是中性的,中性突变通过中性突变通过随机随机的遗传漂变的遗传漂变在群体里固定下来在群体里固定下来,分子进化是遗传漂变的分子进化是遗传漂变的结果结果,在分子进化上自然选择不起作用。在分子进化上自然选择不起作用。分子进化的理论基础(1)(1)(1)(1)从物种的一些分子特性出发，构建系统发育树，从物种的一些分子特性出发，构建系统发育树，从物种的一些分子特性出发，构建系统发育树，从物种的一些分子特性出发，构建系统发育树，进而了解物种之间的生物系统发生的关系进而了解物种之间的生物系统发生的关系进而了解物种之间的生物系统发生的关系进而了解物种之间的生物系统发生的关系 生生生生命树命树命树命树，物种分类，物种分类，物种分类，物种分类(2)(2)(2)(2)大分子功能与结构的分析：同一家族的大分子，大分子功能与结构的分析：同一家族的大分子，大分子功能与结构的分析：同一家族的大分子，大分子功能与结构的分析：同一家族的大分子，具有相似的三级结构及生化功能，通过序列具有相似的三级结构及生化功能，通过序列具有相似的三级结构及生化功能，通过序列具有相似的三级结构及生化功能，通过序列同源同源同源同源性分析性分析性分析性分析，进行大分子功能预测，进行大分子功能预测，进行大分子功能预测，进行大分子功能预测(3)(3)(3)(3)进化速率分析：例如，进化速率分析：例如，进化速率分析：例如，进化速率分析：例如，HIVHIVHIVHIV的高突变性，哪些位的高突变性，哪些位的高突变性，哪些位的高突变性，哪些位点易发生突变？点易发生突变？点易发生突变？点易发生突变？分子进化的研究目的 作为进化标尺的生物大分子的选择原则1 1）在所需研究的种群范围内，它必须是普遍存的。）在所需研究的种群范围内，它必须是普遍存的。2 2）在所有物种中该分子的功能是相同的。）在所有物种中该分子的功能是相同的。3 3）为了鉴定大分子序列的同源位置或同源区，要求所）为了鉴定大分子序列的同源位置或同源区，要求所 选择的分子序列必须能严格线性排列，以便进行进选择的分子序列必须能严格线性排列，以便进行进 一步的分析比较。一步的分析比较。4 4）分子上序列的改变（突变）频率应与进化的测量尺）分子上序列的改变（突变）频率应与进化的测量尺 度相适应。度相适应。大量的资料表明：大量的资料表明：功能重要功能重要的大分子、或者大分子中功能重要的大分子、或者大分子中功能重要的区域，比功能不重要的分子或分子区域进化变化的区域，比功能不重要的分子或分子区域进化变化速度低速度低。16S rRNA被普遍公认为是一把好的谱系分析的“分子尺”16S rRNA1 1）rRNArRNA具有重要且恒定的生理功能；具有重要且恒定的生理功能；2 2）在）在16SrRNA16SrRNA分子中，既含有高度保守的序列区域，又有中度分子中，既含有高度保守的序列区域，又有中度 保守和高度变化的序列区域，因而它适用于进化距离不同的保守和高度变化的序列区域，因而它适用于进化距离不同的 各类生物亲缘关系的研究；各类生物亲缘关系的研究；3 3）16SrRNA16SrRNA分子量大小适中，便于序列分析；分子量大小适中，便于序列分析；4 4）rRNArRNA在细胞中含量大在细胞中含量大(约占细胞中约占细胞中RNARNA的的90%)90%)，也易于提取；，也易于提取；5 5）16SrRNA16SrRNA普遍存在于真核生物和原核生物中普遍存在于真核生物和原核生物中(真核生物中其同真核生物中其同 源分子是源分子是18SrRNA)18SrRNA)。因此它可以作为测量各类生物进化的工具。因此它可以作为测量各类生物进化的工具。(1)Tree of Life:16S rRNA真菌真菌 真核生物真核生物 古生菌古生菌 Out of Africa5353个人的线粒体基因组个人的线粒体基因组(16,587bp)人类迁移的路线人类迁移的路线非洲人相对其他大陆上的非洲人相对其他大陆上的人类在基因上极为多样化人类在基因上极为多样化随着距非洲距离越来越长，随着距非洲距离越来越长，遗传多样性的衰退程度，正遗传多样性的衰退程度，正好沿着人类早期迁徙的路线好沿着人类早期迁徙的路线慢慢增大。慢慢增大。系统发育树（Phylogenetic tree）对一组实际对象的对一组实际对象的世系关系世系关系的描述（如基因，物种等）。的描述（如基因，物种等）。末端物种顶端中间节点中间枝条根末端分支叶子节点一个系统发育树p用一种类似树状分支的图用一种类似树状分支的图形来概括各种（类）生物形来概括各种（类）生物之间的亲缘关系之间的亲缘关系p通过通过比较生物大分子序列比较生物大分子序列差异差异的数值构建的系统树的数值构建的系统树称为称为分子系统树分子系统树系统发育树系统发育树的术语代表最终分类，可代表最终分类，可以是物种，群体或以是物种，群体或者蛋白质、者蛋白质、DNADNA、RNARNA分子等分子等n n系统发育树是一种系统发育树是一种系统发育树是一种系统发育树是一种二叉树二叉树二叉树二叉树。由一系列节点。由一系列节点。由一系列节点。由一系列节点（nodesnodesnodesnodes）和分支（）和分支（）和分支（）和分支（branches branches branches branches）组成，其中每个）组成，其中每个）组成，其中每个）组成，其中每个节节节节点点点点代表一个分类单元（物种或序列），而代表一个分类单元（物种或序列），而代表一个分类单元（物种或序列），而代表一个分类单元（物种或序列），而节点之节点之节点之节点之间的连线间的连线间的连线间的连线代表物种之间的进化关系。代表物种之间的进化关系。代表物种之间的进化关系。代表物种之间的进化关系。n n树的节点又分为外部节点（树的节点又分为外部节点（树的节点又分为外部节点（树的节点又分为外部节点（terminal nodeterminal nodeterminal nodeterminal node）和内部）和内部）和内部）和内部节点（节点（节点（节点（internal nodeinternal nodeinternal nodeinternal node）。）。）。）。外部节点外部节点外部节点外部节点代表实际观察到代表实际观察到代表实际观察到代表实际观察到的分类单元。的分类单元。的分类单元。的分类单元。内部节点内部节点内部节点内部节点又称为分支点，代表分类又称为分支点，代表分类又称为分支点，代表分类又称为分支点，代表分类单元进化历程中的祖先。单元进化历程中的祖先。单元进化历程中的祖先。单元进化历程中的祖先。系统发育树的术语abcdabcd拓扑结构：拓扑结构：有根树有根树：反映时间：反映时间顺序顺序无根树无根树：反映距离：反映距离 理论上，一个理论上，一个DNADNA序列在物种形成或基因复制时，序列在物种形成或基因复制时，分裂成两个子序列，因此系统发育树一般是二叉的。分裂成两个子序列，因此系统发育树一般是二叉的。一般考虑二叉的树结构：一般考虑二叉的树结构：二叉树二叉树系统发育树的种类:有根树、无根树abcdabcdabcd adbcbacdcabddabcacbdbcadcbaddbacadbcbaaccdabdcab考虑考虑4个分类群时，共有个分类群时，共有15种可能的有根树种可能的有根树abcdacbdadbc考虑考虑4个分类群时，共有个分类群时，共有3种可能的无根树种可能的无根树考察类群数为考察类群数为 m(m 3)的系统树，其可能的拓扑结构数目为：的系统树，其可能的拓扑结构数目为：有根树有根树无根树无根树m=10:34,459,425种种m=10:2,027,025种种当当 m较大时，选出真实树的拓扑结构十分困难。较大时，选出真实树的拓扑结构十分困难。分支数目：分支数目：有根树有根树无根树无根树内部分支数目：内部分支数目：有根树有根树无根树无根树内部节点数目：内部节点数目：有根树有根树无根树无根树系统发育树的种类:有根树、无根树1.1.1.1.选择一个或多个已知与分析序列关系较远的序选择一个或多个已知与分析序列关系较远的序选择一个或多个已知与分析序列关系较远的序选择一个或多个已知与分析序列关系较远的序列作为外围支列作为外围支列作为外围支列作为外围支2.2.2.2.外围支可以外围支可以外围支可以外围支可以辅助定位树根辅助定位树根辅助定位树根辅助定位树根3.3.3.3.外围支外围支外围支外围支条件条件条件条件：序列必须与剩余序列关系较近，但：序列必须与剩余序列关系较近，但：序列必须与剩余序列关系较近，但：序列必须与剩余序列关系较近，但外围支序列与其他序列间的差异必须比其他序外围支序列与其他序列间的差异必须比其他序外围支序列与其他序列间的差异必须比其他序外围支序列与其他序列间的差异必须比其他序列之间的差异更显著列之间的差异更显著列之间的差异更显著列之间的差异更显著选择外围支(Outgroup)pp 基因树：基因树：由来自各个物种的由来自各个物种的一个基因一个基因构建的系统发育树（不完全等构建的系统发育树（不完全等同于物种树），表示同于物种树），表示基因分离的时间基因分离的时间。pp 物种树：物种树：代表代表一个物种或群体一个物种或群体进化历史的系统发育树，表示进化历史的系统发育树，表示两个物两个物种分歧的时间种分歧的时间。系统发育树的种类：基因树、物种树abcABDGene treeSpecies tree进化分支图，进化树系统发生树性质p 如果是一棵如果是一棵有根树有根树，则，则树根树根代表在进化历史上是代表在进化历史上是最早的、并且与其它所有分类单元都有联系的分类最早的、并且与其它所有分类单元都有联系的分类单元。单元。p 如果找不到可以作为树根的单元，则系统发生树如果找不到可以作为树根的单元，则系统发生树是是无根树无根树。p 从根节点出发到任何一个节点的路径指明从根节点出发到任何一个节点的路径指明进化时进化时间间或者或者进化距离进化距离。n n对于给定的分类单元数，有很多棵可能的对于给定的分类单元数，有很多棵可能的系统发生树，但是只有一棵树是正确的。系统发生树，但是只有一棵树是正确的。系统发生分析的目标系统发生分析的目标 寻找这棵正确的树寻找这棵正确的树系统发生树性质系统发育树构建分析步骤多序列比对（自动比对，手工比对）多序列比对（自动比对，手工比对）建立取代模型（建树方法）建立取代模型（建树方法）建立进化树建立进化树进化树评估进化树评估系统发育树的构建1.1.1.1.系统发育树：分子进化树系统发育树：分子进化树系统发育树：分子进化树系统发育树：分子进化树/分子进化分析分子进化分析分子进化分析分子进化分析2.2.2.2.通过进化树的构建，分析分子之间的通过进化树的构建，分析分子之间的通过进化树的构建，分析分子之间的通过进化树的构建，分析分子之间的起源关系起源关系起源关系起源关系，预测分子的预测分子的预测分子的预测分子的功能功能功能功能3.3.3.3.建树方法：建树方法：建树方法：建树方法：A.A.A.A.最大简约法最大简约法最大简约法最大简约法 (Maximum Parsimony)(Maximum Parsimony)(Maximum Parsimony)(Maximum Parsimony)B.B.B.B.距离法距离法距离法距离法 (distance-based methods)(distance-based methods)(distance-based methods)(distance-based methods)C.C.C.C.最大似然性法最大似然性法最大似然性法最大似然性法 (Maximum Likelihood)(Maximum Likelihood)(Maximum Likelihood)(Maximum Likelihood)A.最大简约法（MP）最大简约法最大简约法最大简约法最大简约法(maximum parsimony,MP)(maximum parsimony,MP)(maximum parsimony,MP)(maximum parsimony,MP)最早源于最早源于最早源于最早源于形态性状研究，现在已经推广到分子序列的进化形态性状研究，现在已经推广到分子序列的进化形态性状研究，现在已经推广到分子序列的进化形态性状研究，现在已经推广到分子序列的进化分析中。分析中。分析中。分析中。最大简约法的理论基础是奥卡姆（最大简约法的理论基础是奥卡姆（最大简约法的理论基础是奥卡姆（最大简约法的理论基础是奥卡姆（OckhamOckhamOckhamOckham）原则，这个原则认为：解释一个过程的最好理论原则，这个原则认为：解释一个过程的最好理论原则，这个原则认为：解释一个过程的最好理论原则，这个原则认为：解释一个过程的最好理论是所需假设数目最少的那一个。是所需假设数目最少的那一个。是所需假设数目最少的那一个。是所需假设数目最少的那一个。对所有可能的拓对所有可能的拓对所有可能的拓对所有可能的拓扑结构进行计算，计算出所需替代数最小的那个扑结构进行计算，计算出所需替代数最小的那个扑结构进行计算，计算出所需替代数最小的那个扑结构进行计算，计算出所需替代数最小的那个拓扑结构，作为最优树。拓扑结构，作为最优树。拓扑结构，作为最优树。拓扑结构，作为最优树。B.距离法n n又称距离矩阵法，首先通过各个物种之间的比较，又称距离矩阵法，首先通过各个物种之间的比较，又称距离矩阵法，首先通过各个物种之间的比较，又称距离矩阵法，首先通过各个物种之间的比较，根据一定的假设（进化距离模型）推导得出分类群根据一定的假设（进化距离模型）推导得出分类群根据一定的假设（进化距离模型）推导得出分类群根据一定的假设（进化距离模型）推导得出分类群之间的进化距离，构建一个进化距离矩阵之间的进化距离，构建一个进化距离矩阵之间的进化距离，构建一个进化距离矩阵之间的进化距离，构建一个进化距离矩阵。进化树。进化树。进化树。进化树的构建则是基于这个矩阵中的进化距离关系的构建则是基于这个矩阵中的进化距离关系的构建则是基于这个矩阵中的进化距离关系的构建则是基于这个矩阵中的进化距离关系 计算序列的距离，建立距离矩阵计算序列的距离，建立距离矩阵通过距离矩阵建进化树通过距离矩阵建进化树由进化距离构建进化树的方法有很多，常见有：由进化距离构建进化树的方法有很多，常见有：由进化距离构建进化树的方法有很多，常见有：由进化距离构建进化树的方法有很多，常见有：1.Fitch-Margoliash Method1.Fitch-Margoliash Method1.Fitch-Margoliash Method1.Fitch-Margoliash Method（FMFMFMFM法）法）法）法）2.Neighbor-Joining Method(NJ2.Neighbor-Joining Method(NJ2.Neighbor-Joining Method(NJ2.Neighbor-Joining Method(NJ法法法法/邻接法邻接法邻接法邻接法):):):):求最短支长，求最短支长，求最短支长，求最短支长，最通用的距离方法最通用的距离方法最通用的距离方法最通用的距离方法 3.Neighbors Relaton Method(3.Neighbors Relaton Method(3.Neighbors Relaton Method(3.Neighbors Relaton Method(邻居关系法邻居关系法邻居关系法邻居关系法)4.Unweighted Pair Group Method(UPGMA4.Unweighted Pair Group Method(UPGMA4.Unweighted Pair Group Method(UPGMA4.Unweighted Pair Group Method(UPGMA法法法法)通过矩阵建树的方法选取一个特定的选取一个特定的选取一个特定的选取一个特定的替代模型替代模型替代模型替代模型来分析给定的一组序来分析给定的一组序来分析给定的一组序来分析给定的一组序列数据，使得获得的每一个拓扑结构的列数据，使得获得的每一个拓扑结构的列数据，使得获得的每一个拓扑结构的列数据，使得获得的每一个拓扑结构的似然率似然率似然率似然率都都都都为最大值，然后再挑出其中似然率最大的拓扑结为最大值，然后再挑出其中似然率最大的拓扑结为最大值，然后再挑出其中似然率最大的拓扑结为最大值，然后再挑出其中似然率最大的拓扑结构作为最优树。构作为最优树。构作为最优树。构作为最优树。C.最大似然法（ML）1.1.1.1.可靠的待分析数据可靠的待分析数据可靠的待分析数据可靠的待分析数据2.2.2.2.准确的多序列比对准确的多序列比对准确的多序列比对准确的多序列比对3.3.3.3.选择合适的建树方法选择合适的建树方法选择合适的建树方法选择合适的建树方法：A.A.A.A.序列相似程度高，序列相似程度高，序列相似程度高，序列相似程度高，MP(MP(MP(MP(最大简约法最大简约法最大简约法最大简约法)B.B.B.B.序列相似程度较低，序列相似程度较低，序列相似程度较低，序列相似程度较低，ML(ML(ML(ML(最大似然法最大似然法最大似然法最大似然法)C.C.C.C.序列相似程度太低，无意义序列相似程度太低，无意义序列相似程度太低，无意义序列相似程度太低，无意义4.4.4.4.一般采用两种及以上方法构建进化树，无显著区一般采用两种及以上方法构建进化树，无显著区一般采用两种及以上方法构建进化树，无显著区一般采用两种及以上方法构建进化树，无显著区别可接受别可接受别可接受别可接受构建进化树的一般原则 进化树的可靠性分析进化树的可靠性分析进化树的可靠性分析进化树的可靠性分析:自展法自展法自展法自展法 (Bootstrap Method)(Bootstrap Method)(Bootstrap Method)(Bootstrap Method)(统计方法统计方法统计方法统计方法)。n n从排列的多序列中随机有放回的抽取某一列，从排列的多序列中随机有放回的抽取某一列，从排列的多序列中随机有放回的抽取某一列，从排列的多序列中随机有放回的抽取某一列，构成相同长度的新的排列序列构成相同长度的新的排列序列构成相同长度的新的排列序列构成相同长度的新的排列序列n n重复上面的过程，得到多组新的序列重复上面的过程，得到多组新的序列重复上面的过程，得到多组新的序列重复上面的过程，得到多组新的序列n n对这些新的序列进行建树，再观察这些树与原对这些新的序列进行建树，再观察这些树与原对这些新的序列进行建树，再观察这些树与原对这些新的序列进行建树，再观察这些树与原始树是否有差异，以此评价建树的可靠性始树是否有差异，以此评价建树的可靠性始树是否有差异，以此评价建树的可靠性始树是否有差异，以此评价建树的可靠性进化树的可靠分析软件名称软件名称网址网址说明说明PHYLIPhttp:/evolution.gs.washington.edu/phylip.htmlIt includes programs to carry out parsimony,distance matrix methods,maximum likelihood,and other methods on a variety of types of data,including DNA and RNA sequences,protein sequences,restriction sites,0/1 discrete characters data,gene frequencies,continuous characters and distance matrices.PAUPhttp:/paup.csit.fsu.edu/It includes parsimony,distance matrix,invariants,and maximum likelihood methods and many indices and statistical tests.Tree of Lifehttp:/phylogeny.arizona.edu/tree/program/program.htmlArizona大学开发的软件大学开发的软件MEGAhttp:/美国宾州州立大学美国宾州州立大学Masatoshi Nei开发开发(It carries out parsimony,distance matrix and likelihood methods for molecular data.)常用分子进化与系统进化分析的软件常用分子进化与系统进化分析的软件常用分子进化与系统进化分析的软件常用分子进化与系统进化分析的软件软件名称软件名称网址网址说明说明MOLPHYhttp:/www.ism.ac.jp/software/ismlib/softother.e.html#molphy日本国立统计数理研究所开发。日本国立统计数理研究所开发。(Carrying out maximum likelihood inference of phylogenies for either nucleotide sequences or protein sequences.)PAMLhttp:/abacus.gene.ucl.ac.uk/software/paml.html英国伦敦学院英国伦敦学院ZH YANG开发。开发。(A package of programs for the ML analysis of nucleotide or protein sequences.)PUZZLEftp:/fx.zi.biologie.uni-muenchen.de/pub/puzzle应用应用Quarter puzzling方法（一种最大简约法）构方法（一种最大简约法）构建系统进化树建系统进化树TreeViewhttp:/taxonomy.zoology.gla.ac.uk/rod/treeview.htmlA program for displaying trees on Apple Macs and Windows PCs.It can draw rooted and unrooted trees,display bootstrap values,and supports the native font and graphics file formats of both Macs and PCs.phylogenyhttp:/www.ebi.ac.uk/biocat/phylogeny.htmlEBI的系统进化树分析软件的系统进化树分析软件谢 谢(1)DNA突变的模式替代替代插入插入缺失缺失倒位倒位酪氨酸 亮氨酸 半胱氨酸 酪氨酸 苯丙氨酸 甲硫氨酸(2)核苷酸替代：转换&颠换转换：转换：转换：转换：嘌呤被嘌呤替代，嘌呤被嘌呤替代，嘌呤被嘌呤替代，嘌呤被嘌呤替代，或者嘧啶被嘧啶替代或者嘧啶被嘧啶替代或者嘧啶被嘧啶替代或者嘧啶被嘧啶替代颠换：颠换：颠换：颠换：嘌呤被嘧啶替代，嘌呤被嘧啶替代，嘌呤被嘧啶替代，嘌呤被嘧啶替代，或者嘧啶被嘌呤替代或者嘧啶被嘌呤替代或者嘧啶被嘌呤替代或者嘧啶被嘌呤替代A:腺嘌呤腺嘌呤 C:胞嘧啶胞嘧啶G:鸟嘌呤鸟嘌呤 T:胸腺嘧啶胸腺嘧啶(3)基因复制：A.单个基因复制重组重组逆转录逆转录(3)基因复制：B.染色体片段复制1.1.缺失缺失染色体失去了片段染色体失去了片段2.2.重复重复染色体增加了片段染色体增加了片段3.3.易位易位非同源染色体间相非同源染色体间相互交换染色体片段，造成互交换染色体片段，造成染色体间的重新排列染色体间的重新排列4.4.倒立倒立染色体片段作染色体片段作180180的颠倒，造成染色的颠倒，造成染色体内的重新排列。体内的重新排列。(3)基因复制：C.基因组复制S.Cerevisiae(酿酒酵母酿酒酵母)K.Waltii(克鲁雄酵母克鲁雄酵母)克鲁雄酵克鲁雄酵母中的同母中的同源基因数源基因数量与酿酒量与酿酒酵母相比酵母相比为为1 1：2 2分子进化的两个特点生物大分子进化速率的相对恒定生物大分子进化速率的相对恒定l 分子进化速率分子进化速率 生物大分子随时间的改变主要表现为核苷酸、生物大分子随时间的改变主要表现为核苷酸、蛋白质的一级结构的改变，即分子序列中核苷酸、蛋白质的一级结构的改变，即分子序列中核苷酸、氨基酸的替换氨基酸的替换l 不同物种同源大分子的分子进化速率大体相同不同物种同源大分子的分子进化速率大体相同l 分子进化速率远远比表型进化速率稳定分子进化速率远远比表型进化速率稳定生物大分子进化的保守性生物大分子进化的保守性保守性：保守性：功能上重要的大分子或大分子的局部在进化速率功能上重要的大分子或大分子的局部在进化速率上明显低于那些在功能上不重要的大分子或者大分子局部。上明显低于那些在功能上不重要的大分子或者大分子局部。（引起表型发生显著改变的突变发生的频率要低于无明显表（引起表型发生显著改变的突变发生的频率要低于无明显表型发生显著改变得突变发生的频率。）型发生显著改变得突变发生的频率。）氨基酸氨基酸 例：血红蛋白分子的外区的功能要次于内区的功能，外例：血红蛋白分子的外区的功能要次于内区的功能，外区的进化速率是内区进化速率的区的进化速率是内区进化速率的1010倍。倍。核苷酸核苷酸 例：例：DNADNA密码子的同义替代频率高于非同义替代频率；密码子的同义替代频率高于非同义替代频率；内含子上的核苷酸替代频率较高。内含子上的核苷酸替代频率较高。生物大分子进化并非完全随机生物大分子进化并非完全随机 存在某种制约因素，存在某种机制存在某种制约因素，存在某种机制?分子钟（Molecular Clock）根据分子系统学研究与古生物学资料相结合，建立根据分子系统学研究与古生物学资料相结合，建立推论生物进化事件发生的时间表。推论生物进化事件发生的时间表。假定分子进化速率假定分子进化速率r r恒定，则分子进化改变量（替代恒定，则分子进化改变量（替代数目或替代率）与进化时间成正比。以两条序列为例：数目或替代率）与进化时间成正比。以两条序列为例：d=2 r td=2 r t其中，其中，t t是进化时间，是进化时间，d d是这两条序列每个位点的替代数目。是这两条序列每个位点的替代数目。分子钟成立的先决条件：分子钟成立的先决条件：分子进化速率恒定分子进化速率恒定分子钟成立的证据：分子钟成立的证据：1 1、至少某些生物大分子（如珠蛋白）的进化速率在相当长、至少某些生物大分子（如珠蛋白）的进化速率在相当长的地质时间内的相对稳定、均匀；的地质时间内的相对稳定、均匀；2 2、许多不同物种的多种同源大分子在相当长时间内的平均、许多不同物种的多种同源大分子在相当长时间内的平均进化速率近似恒定。进化速率近似恒定。建立分子钟的大致步骤1 1、选择所要比较的生物大分子种类、选择所要比较的生物大分子种类 根据具体研究目标和已掌握的资料，选择进化速率根据具体研究目标和已掌握的资料，选择进化速率相对恒定、速率大小合适、分布范围能涵盖各待比较物相对恒定、速率大小合适、分布范围能涵盖各待比较物种的生物大分子。种的生物大分子。2 2、选择所要比较的物种，确定各比较组合及、选择所要比较的物种，确定各比较组合及其所代表的进化事件其所代表的进化事件3 3、获得生物大分子一级结构的资料、获得生物大分子一级结构的资料建立分子钟的大致步骤4 4、获得有关的代表性进化事件发生的地质时、获得有关的代表性进化事件发生的地质时间数据间数据5 5、通过比较大分子一级结构，选择合适的数、通过比较大分子一级结构，选择合适的数学模型，计算得到进化产生的分子差异学模型，计算得到进化产生的分子差异d d，通，通过回归分析等统计方法得到大分子的进化速过回归分析等统计方法得到大分子的进化速率率r(t)r(t)6 6、由此可以推断未知进化事件的发生时间、由此可以推断未知进化事件的发生时间关于分子钟的讨论和争议1、对长期进化而言，不存在以恒定速率替换的生物、对长期进化而言，不存在以恒定速率替换的生物大分子一级结构；（基因功能的改变、基因数目的大分子一级结构；（基因功能的改变、基因数目的增加）增加）2 2、不存在通用的分子钟；、不存在通用的分子钟；3 3、争议：、争议：分子钟的准确性分子钟的准确性 中性理论（分子钟成立的基础）中性理论（分子钟成立的基础）进化理论概述“一个半世纪以前，一个半世纪以前，Charles Charles DarwinDarwin可能没有意识到他所给可能没有意识到他所给予科学的是一件从未有过的强予科学的是一件从未有过的强大武器，即他的进化理论。科大武器，即他的进化理论。科学家用这把坚利之剑斩断了无学家用这把坚利之剑斩断了无知、迷信和傲慢，这些束缚人知、迷信和傲慢，这些束缚人类对亿万年来的生命的了解的类对亿万年来的生命的了解的镣铐。镣铐。”美国自然博物馆成立美国自然博物馆成立125周年纪念周年纪念专刊专刊前言前言Charles Darwin(1809-1882)达尔文进化理论1 1、遗传和变异、遗传和变异 一切生物都能发生变异，至少有一部分变异能够遗一切生物都能发生变异，至少有一部分变异能够遗传给后代传给后代2 2、自然选择、自然选择 繁殖过剩：任何生物产生的生殖细胞或后代数目要远繁殖过剩：任何生物产生的生殖细胞或后代数目要远远多于可能存活的个体数目；而在所产生的后代中，那些远多于可能存活的个体数目；而在所产生的后代中，那些最具有适应环境条件的有利变异的个体有较大的生存机会，最具有适应环境条件的有利变异的个体有较大的生存机会，并繁殖后代，从而使有利变异可以世代积累，不利变异被并繁殖后代，从而使有利变异可以世代积累，不利变异被淘汰。淘汰。“选择选择”不是超自然的上帝的作用。不是超自然的上帝的作用。达尔文进化理论3 3、性状分歧、性状分歧；种的形成、绝灭；系统树种的形成、绝灭；系统树 性状分歧原理性状分歧原理在同一个种内，个体之间在结构、在同一个种内，个体之间在结构、习性上越是歧异，则在适应不同环境方面愈是有利，因而习性上越是歧异，则在适应不同环境方面愈是有利，因而将会繁育更多的个体，分布到更广的范围。由此一个种会将会繁育更多的个体，分布到更广的范围。由此一个种会逐渐演变为若干变种、亚种乃至新种。逐渐演变为若干变种、亚种乃至新种。新种的形成、种间的竞争、种的绝灭、外界环境的作新种的形成、种间的竞争、种的绝灭、外界环境的作用用 系统树系统树由于性状分歧和中间类型的绝灭，新种不由于性状分歧和中间类型的绝灭，新种不断产生、旧种不断绝灭，种间差异不断扩大，形成时间、断产生、旧种不断绝灭，种间差异不断扩大，形成时间、空间上的