生物分子进化.ppt

分子进化与分子系统学 主讲 杨长友组员 杨长友王春海王孝坤游菊 AnagenesisandCladogenesis Anagenesisisapatternofevolutionthatresultsinlineardescentwithnobranchingorsplittingofthepopulation Cladogenesisisapatternofevolutionthatresultsinthesplittingofalineage 线性进化 分支进化 Phyleticgradualism 线系渐变论 PhyleticGradualismisthescientifictheorythatallcreaturesevolvethroughaslowandgradualprocess Phyleticgradualism Punctuatedequilibrium Punctuatedequilibriumisthetheorythatevolutionoccursinshortrapidburstsofspeciation whicharethenfollowedbylongperiodsofstasis Punctuatedequilibrium 间断平衡论 and 主要内容 一 分子进化的概念二 分子进化的产生与发展三 生物大分子与生物进化四 分子进化的机制五 分子进化分析步骤六 分子树与分子系统学 一 分子进化的概念 分子进化 molecularevolution 有两层含义 一是原始生命出现之前的进化 即生命起源的化学演化 二是原始生命产生之后生物在进化发展过程中 生物大分子结构和功能的变化以及这些变化与生物进化的关系 从时序上说 分子进化是生物进化的初始阶段 从组织层次上说 分子进化是生物组织的基础层次的进化 分子进化的研究对象主要是蛋白质和核酸等生物大分子 二 分子进化的产生与发展 分子进化是进化论与分子生物学相互交叉形成的边缘学科 是达尔文进化论学说在分子水平上的延伸 20世纪50年代以来 随着分子生物学的产生与发展 进化生物学在分子进化方面得到了迅速发展 产生了有关分子进化的理论 实现了生物进化论在宏观和微观水平上的统一 到目前 分子进化研究大致经历了两个发展阶段 1 20世纪六七十年代 蛋白质序列分析和电泳技术的引入 使生物化学家有可能对不同生物的蛋白质结构进行比较 分析它们间的差别及差别的性质 2 20世纪80年代以后 由于分子生物学的突飞猛进 RFLP分析及PCR技术等现代生物技术相继问世 是分子生物学家有可能对不同生物的基因进行分析比较 并对基因中DNA序列进行分析比较 找出它们的差异 以探究不同物种在进化上的渊源与联系 三 生物大分子与生物进化 分子进化研究的目的分子进化的研究方法核酸的进化蛋白质的进化 一 分子进化研究的目的 物种分类及关系 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 通过序列同源性分析 构建系统发育树 进行相关分析 功能预测进化速率分析 例如 HIV的高突变性 哪些位点易发生突变 二 分子进化的研究方法 PCR技术 polymerasechainreaction 蛋白质电泳分析凝胶电泳蛋白质氨基酸序列的测定二硝基氟苯 FDNB 法 Edman法 PTH法 核酸序列的测定 Chain terminationmethods Maxam Gilbertchemicalcleavagesequencing 核酸分子杂交技术 Southernblot Northernblot SchemeoftheprincipleoftheFISHExperimenttolocalizeageneinthenucleus 限制性片段长度多态性 RestrictionFragmentLengthPolymorphism RFLP 分析 三 核酸的进化 DNA含量的变化在不同生物细胞内 DNA含量差别很大 生物体的单倍体基因组所含DNA总量通常用C值表示 在整个生物进化过程中 从低等到高等 细胞内DNA含量逐渐增加 总趋势是C值逐渐增大 值得注意的是 DNA含量不一定是跟生物的复杂程度成正比 有些生物的C值很大 但在进化上不一定更高等 C值悖理 如肺鱼的C值为112 2G 而人的是3 2G 又如豌豆和蚕豆的亲缘关系较近 但C值相差甚大 豌豆为14G 而蚕豆仅为2G 三 核酸的进化 DNA质的变化DNA质的变化即核酸序列的变化 主要是在生物进化过程中 由核苷酸碱基的替换 插入或缺失等原因引起的 由于这种变化 在不同的生物中 DNA序列的差异就能反映出它们之间亲缘关系的远近 四 蛋白质的进化 不同物种中同一蛋白质序列及结构的比较细胞色素C同一物种中不同蛋白质序列及结构的比较 四 分子进化的机制 点突变点突变是指DNA分子中单个核苷酸碱基的变化 其变化有4种基本类型 替代 插入 缺失 倒位 调节突变调节突变是指某一基因内部或其附近决定该基因活化与否的部位的变化 这一基因调节部位的变化 会影响基因的表达 尤其影响发育过程中某些特定基因的开启和关闭 核苷酸水平突变的4种基本类型 四 分子进化的机制 中性突变与随机漂变基因复制 多基因家族的产生以及伪基因的产生A 单个基因复制 如基因重组 B 染色体片断复制C 基因组复制 五 分子进化分析步骤 以目的序列为种子序列 搜索其在其它物种中的同源序列将上述同源序列进行序列比对构建系统发生树评价所建立的树 分析其生物学意义 bootstrap法 六 分子树与分子系统学 什么是分子树分子树又称分子系统树 它是根据生物大分子的序列资料建立起来的 用图解法表示的 类似数状的分子进化模型 无根树 有根树 六 分子树与分子系统学 分子系统学 molecularsystematics 是一门通过对生物大分子 蛋白质 核酸等 的结构 功能等的进化研究 来阐明生物各类群 包括已绝灭的生物类群 间的谱系发生关系的学科 分子系统学研究的一般步骤 1 确定所要分析的生物类群 选择该类群中相关亚类群的一些代表种类 2 选择合适的生物大分子 设法获得它们的序列数据或其它相关数据 3 对获得的相关数据进行比对或其它的数学处理 4 利用相关软件构建系统树 5 对构建的系统树做相应的数学统计分析以检验系统树的可靠性 分子系统学研究的主要方法是根据分子生物学数据构建生物类群的谱系发生树 它一般包括以下程序 FromDNA proteinsequencestotrees ModifiedfromHillisetal 1993 MethodsinEnzymology224 456 487 1 2 3 4 5 AlignSequences Phylogeneticsignal Patterns evolutionaryprocesses Testphylogeneticreliability Distancesmethods Chooseamethod MB ML Charactersbasedmethods Singletree Optimalitycriterion Calculateorestimatebestfittree LS ME NJ Distancecalculation whichmodel Model MP Wheighting sites changes Model Sequencedata 进化树的可靠性分析 自展法 BootstrapMethod 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重复上面的过程 得到多组新的序列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 A Bootstrap值表示在一个随机重新采样的数据包中某一分支出现的次数 相关构树软件 PHYLIP thePHYLogenyInferencePackage 是一个免费的系统发育分析软件包 由华盛顿大学遗传学系开发 1980年首次公布 可以通过以下地址下载 http evolution genetics washington edu phylip htmlPAUP PhylogeneticAnalysisUsingParsimony 最早是在苹果机上开发的具有菜单界面的进化分析软件 该软件不是免费软件 使用者需要向开发者购买 MEGA MolecularEvolutionaryGeneticsAnalysis 官方下载网站 国际上最通用的系统树构建软件包为PHYLIP和PAUP 参考资料来源 李难主编 进化生物学基础 北京 高等教育出版社 2005 王德利主编 进化生物学导论