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第六章分子进化分析 生物信息学 1 18世纪之前 神创论和物种不变论 18世纪 相信物种是变化的 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 1859年达尔文发表 物种起源 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的原因 从而创立了科学的进化理论 20世纪30年代 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 20世纪60年代末 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 2 Darwin Charles 1809 1882 TheOriginofSpecies 1859 生物进化 3 1 化石证据 理想但是零散 不完整 生物进化研究方法 4 2 比较形态学和比较生理学 确定大致的进化框架但是细节存很多的争议 生物进化研究方法 5 3 分子进化 molecularevolution 研究生物大分子 如核酸和蛋白质分子 的进化速率 模式及机制的理论 生物进化研究方法 6 分子进化 1964年 Pauling等提出分子进化理论 1 生命起源 有机分子由简单向复杂演变 2 生物进化 构成生物体的生物大分子如蛋白质 核酸的演变 基本假设 核苷酸和氨基酸序列中含有生物进化历史的全部信息意义 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 7 普适性由4种核酸组成 分子水平的进化表现为 DNA序列的演化 氨基酸序列演化 蛋白质结构及功能的演化可比较性比较不同物种的有关DNA序列 建立DNA序列的演化模型 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 蛋白质序列包含更多 更复杂的信息结构 分子进化 8 序列比较 源于同一祖先DNA 氨基酸序列的两条DNA 氨基酸序列 考察二者的差异 序列差异 进化过程中分子突变的痕迹分子进化 以累计在DNA 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 分子进化的研究方法 9 分子进化的模式 DNA突变的模式 替代 插入 缺失 倒位 2 核苷酸替代 转换 Transition 颠换 Transversion 3 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 重组或者逆转录B 染色体片断复制C 基因组复制 10 分子进化钟 某一蛋白在不同物种间的取代数与所研究物种间的分歧时间接近正线性关系 进而将分子水平的这种恒速变异称为 分子钟 中性学说 突变大多数是中性的 中性突变通过随机的遗传漂变在群体里固定下来 分子进化是遗传漂变的结果 在分子进化上自然选择不起作用 分子进化的理论基础 11 1 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 生命树 物种分类 2 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 进行大分子功能预测 3 进化速率分析 例如 HIV的高突变性 哪些位点易发生突变 分子进化的研究目的 12 作为进化标尺的生物大分子的选择原则 1 在所需研究的种群范围内 它必须是普遍存的 2 在所有物种中该分子的功能是相同的 3 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 以便进行进一步的分析比较 4 分子上序列的改变 突变 频率应与进化的测量尺度相适应 大量的资料表明 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速度低 13 16SrRNA被普遍公认为是一把好的谱系分析的 分子尺 14 16SrRNA 1 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各类生物亲缘关系的研究 3 16SrRNA分子量大小适中 便于序列分析 4 rRNA在细胞中含量大 约占细胞中RNA的90 也易于提取 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 因此它可以作为测量各类生物进化的工具 15 1 TreeofLife 16SrRNA 真菌 真核生物 古生菌 16 OutofAfrica 53个人的线粒体基因组 16 587bp 人类迁移的路线 非洲人相对其他大陆上的人类在基因上极为多样化 随着距非洲距离越来越长 遗传多样性的衰退程度 正好沿着人类早期迁徙的路线慢慢增大 17 系统发育树 Phylogenetictree 18 对一组实际对象的世系关系的描述 如基因 物种等 一个系统发育树 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通过比较生物大分子序列差异的数值构建的系统树称为分子系统树 系统发育树 19 系统发育树的术语 代表最终分类 可以是物种 群体或者蛋白质 DNA RNA分子等 20 系统发育树是一种二叉树 由一系列节点 nodes 和分支 branches 组成 其中每个节点代表一个分类单元 物种或序列 而节点之间的连线代表物种之间的进化关系 树的节点又分为外部节点 terminalnode 和内部节点 internalnode 外部节点代表实际观察到的分类单元 内部节点又称为分支点 代表分类单元进化历程中的祖先 系统发育树的术语 21 拓扑结构 有根树 反映时间顺序无根树 反映距离 理论上 一个DNA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 一般考虑二叉的树结构 二叉树 系统发育树的种类 有根树 无根树 22 考虑4个分类群时 共有15种可能的有根树 23 a b c d a c b d a d b c 考虑4个分类群时 共有3种可能的无根树 24 考察类群数为m m 3 的系统树 其可能的拓扑结构数目为 有根树 无根树 m 10 34 459 425种 m 10 2 027 025种 当m较大时 选出真实树的拓扑结构十分困难 分支数目 有根树 无根树 内部分支数目 有根树 无根树 内部节点数目 有根树 无根树 25 系统发育树的种类 有根树 无根树 26 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2 外围支可以辅助定位树根3 外围支条件 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列之间的差异更显著 选择外围支 Outgroup 27 基因树 由来自各个物种的一个基因构建的系统发育树 不完全等同于物种树 表示基因分离的时间 物种树 代表一个物种或群体进化历史的系统发育树 表示两个物种分歧的时间 系统发育树的种类 基因树 物种树 a b c A B D Genetree Speciestree 28 进化分支图 进化树 29 系统发生树性质 如果是一棵有根树 则树根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单元 如果找不到可以作为树根的单元 则系统发生树是无根树 从根节点出发到任何一个节点的路径指明进化时间或者进化距离 30 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 系统发生分析的目标 寻找这棵正确的树 系统发生树性质 31 系统发育树构建分析步骤 多序列比对 自动比对 手工比对 建立取代模型 建树方法 建立进化树 进化树评估 32 系统发育树的构建 1 系统发育树 分子进化树 分子进化分析2 通过进化树的构建 分析分子之间的起源关系 预测分子的功能3 建树方法 A 最大简约法 MaximumParsimony B 距离法 distance basedmethods C 最大似然性法 MaximumLikelihood 33 A 最大简约法 MP 最大简约法 maximumparsimony MP 最早源于形态性状研究 现在已经推广到分子序列的进化分析中 最大简约法的理论基础是奥卡姆 Ockham 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 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拓扑结构 作为最优树 34 B 距离法 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 推导得出分类群之间的进化距离 构建一个进化距离矩阵 进化树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 通过距离矩阵建进化树 35 由进化距离构建进化树的方法有很多 常见有 1 Fitch MargoliashMethod FM法 2 Neighbor JoiningMethod NJ法 邻接法 求最短支长 最通用的距离方法3 NeighborsRelatonMethod 邻居关系法 4 UnweightedPairGroupMethod UPGMA法 通过矩阵建树的方法 36 选取一个特定的替代模型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似然率都为最大值 然后再挑出其中似然率最大的拓扑结构作为最优树 C 最大似然法 ML 37 1 可靠的待分析数据2 准确的多序列比对3 选择合适的建树方法 A 序列相似程度高 MP 最大简约法 B 序列相似程度较低 ML 最大似然法 C 序列相似程度太低 无意义4 一般采用两种及以上方法构建进化树 无显著区别可接受 构建进化树的一般原则 38 进化树的可靠性分析 自展法 BootstrapMethod 统计方法 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 进化树的可靠分析 39 常用分子进化与系统进化分析的软件 40 41 谢谢 42 1 DNA突变的模式 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 43 2 核苷酸替代 转换 颠换 转换 嘌呤被嘌呤替代 或者嘧啶被嘧啶替代颠换 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 鸟嘌呤 T 胸腺嘧啶 44 3 基因复制 A 单个基因复制 重组 逆转录 45 3 基因复制 B 染色体片段复制 缺失 染色体失去了片段重复 染色体增加了片段易位 非同源染色体间相互交换染色体片段 造成染色体间的重新排列倒立 染色体片段作180 的颠倒 造成染色体内的重新排列 46 3 基因复制 C 基因组复制 S Cerevisiae 酿酒酵母 K Waltii 克鲁雄酵母 克鲁雄酵母中的同源基因数量与酿酒酵母相比为1 2 47 分子进化的两个特点 生物大分子进化速率的相对恒定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 蛋白质的一级结构的改变 即分子序列中核苷酸 氨基酸的替换不同物种同源大分子的分子进化速率大体相同分子进化速率远远比表型进化速率稳定 48 生物大分子进化的保守性保守性 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 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 氨基酸例 血红蛋白分子的外区的功能要次于内区的功能 外区的进化速率是内区进化速率的10倍 核苷酸例 DNA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 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 49 分子钟 MolecularClock 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 假定分子进化速率r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 d 2rt其中 t是进化时间 d是这两条序列每个位点的替代数目 50 分子钟成立的先决条件 分子进化速率恒定 分子钟成立的证据 1 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 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进化速率近似恒定 51 建立分子钟的大致步骤1 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 2 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3 获得生物大分子一级结构的资料 52 建立分子钟的大致步骤4 获得有关的代表性进化事件发生的地质时间数据5 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d 通过回归分析等统计方法得到大分子的进化速率r t 6 由此可以推断未知进化事件的发生时间 53 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大分子一级结构 基因功能的改变 基因数目的增加 2 不存在通用的分子钟 3 争议 分子钟的准确性中性理论 分子钟成立的基础 54 进化理论概述 一个半世纪以前 CharlesDarwin可能没有意识到他所给予科学的是一件从未有过的强大武器 即他的进化理论 科学家用这把坚利之剑斩断了无