生物竞赛-生物信息学部分-分子进化树

这篇文章是作者专门用于反对造物主理论和智能设计论的。第一页第二页，共40页。拉马克主义“blindasamole”“giraffe‘slongneck”“birdshavenoteeth?”JeanBaptisteLamarck(1744-1829)用进废退论：拉马克（1744-1829）认为，生物经常使用的器官会逐渐发达，不使用的器官会逐渐退化。拉马克认为用进废退这种后天获得的性状是可以遗传的，因此生物可把后天锻练的成果遗传给下一代。如长颈鹿的祖先原本是短颈的，但是为了要吃到高树上的叶子经常伸长脖子和前腿，通过遗传而演化为现在的长颈鹿。又例如上一代是为举重选手，则子代应遗传得自父母之强健肌肉。第二页第三页，共40页。拉马克主义推翻拉马克主义：德国的魏斯曼把老鼠尾巴都切断后，再让其互相交配来产生子代，而生出来的结果也依旧都是有尾巴的。再将这些没有尾巴的子代互相交配产生下一代，而下一代的老鼠也仍然是有尾巴的。他一直这样重复进行至第二十一代，其子代仍然是有尾巴的。支持拉马克主义：水生的雄蟾蜍都有一个黑色指垫，陆生的没有。奥地利的卡姆梅勒强迫陆生的产婆蟾在水中生活，繁殖了几代之后绝种了，但是在绝种之前，雄蟾蜍据称长出了黑色指垫，而且一代比一代更明显。他为了拉到资助，周游列国到处演讲。1923年，他带着产婆蟾标本去英国演讲，引起了遗传学家贝特森的怀疑。1926年，美国自然历史博物馆和维也纳大学检查他的产婆蟾标本，发现所谓“黑色指垫”乃是用黑墨水涂上去的。一个多月后卡姆梅勒开枪自杀，留下一封遗书，声称他是无辜的，是另外有人在他不知道的情况下造假。第三页第四页，共40页。达尔文与《进化论》第四页第五页，共40页。达尔文主义优胜劣汰，适者生存理论：

生物都有繁殖过剩的倾向，而生存空间和食物是有限的，所以生物必须“为生存而斗争”。在同一种群中的个体存在着一定程度的变异，那些具有能适应环境的有利变异的个体将存活下来，并繁殖后代，并把有利变异遗传给后代，不具有有利变异的个体就被淘汰。如果自然条件的变化是有方向的，则在历史过程中，经过长期的自然选择，微小的变异就得到积累而成为显著的变异。由此可能导致亚种和新种的形成。以长颈鹿为例：一群长颈鹿，脖子长长短短的都有，但自然环境中较低处的树叶都吃完了，只有那些脖子长的能够到更高处叶子的鹿才能吃饱并繁衍后代，而那些脖子不够长的饿死了，也就没有了后代。第五页第六页，共40页。达尔文与牛顿谁更牛？第六页第七页，共40页。如何研究进化史1.Themostauthenticevidencesarefossils!Butfossilsarescattered,notcomplete,notsystematic.2.Comparativemorphologyandcomparativeanatomy:todeterminegeneralframeworkofevolution;manydetailsarecontroversial.1.Themostauthenticevidencesarefossils!Butfossilsarescattered,notcomplete,notsystematic.2.Comparativemorphologyandcomparativeanatomy:todeterminegeneralframeworkofevolution;manydetailsarecontroversial.第七页第八页，共40页。如何研究进化史3.Computationalmolecularevolution:phylogenetictree.LinusPaulingadvancedthetheoryofmolecularevolutionin1964.Toinvestigatephylogeneticrelationshipbetweenspecies,basedonsomecertainmolecularcharacteristicsacrossthesespecies.Evolutionprocesshappenedonthelevelofmolecules:DNA,RNAandprotein.Basicassumptions:1)Nucleicacidsequencesandproteinsequencescontainallinformationofevolutionaryhistoryofspecies;2)Molecularclock:therateofevolutionarychange(thenumberofaminoaciddifferences)ofacertainproteinwasapproximatelyconstantovertimeandoverdifferentlineages.=>Themoresimilartwohomologousproteinsare,theclosertheyaretotheircommonancestor.第八页第九页，共40页。三种不同的Homologs

Orthologs:They’reseparatedbyspeciation—isthephenomenonduringwhichacommonancestorgivesbirthtotwosubgroupsthatslowlydriftawayfromtheircommongeneticmakeuptobecomedistinctspecies.Orthologsusuallyhavesimilarfunctionsandstructure.Paralogs:Paralogsarehomologuesseparatedbyaduplicationevent,meaningthatwithinagenome,agenewasduplicated.Oneoftheduplicatesmayhavekepttheoriginalfunctionwhiletheotherduplicatecouldhaveacquiredanewfunction.Xenologs:XenoisaGreekwordthatmeans“foreigner.”Xenologsresultfromalateraltransferbetweentwoorganisms—adirectDNAtransferbetweentwospecies.Thismeansthatoneofthespeciescontainsagenethatdoesnothavethesamehistoryasthegenomeinwhichitisinserted.Thisisoftenseenbetweenpathogeneticbacteriaandhumans.第九页第十页，共40页。三种不同的Homologs第十页第十一页，共40页。基因平移与网状树越来越多的细菌和动植物的基因测试显示，基因并不是简单遗传给生命树上的个别枝条，它们还在物种之间以不同的进化路径转换，其结果是一个杂乱无章的“生命网”。水平基因转移是指在不同生物个体间或单个细胞内部细胞器之间，遗传物质的交流。早在1993年，就有生物学家提出细菌的基因排序不是树状，而是网状。1999年，美国《科学》杂志发表言论说：“生命进化树并不是真实存在于自然界中的，而是人类用来规划自然界的一个理论。”但是，有研究者运用更多的研究捍卫达尔文的观点，认为所谓网状的进化论是理想化、不切实际的想法。“树状”和“网状”的辩论在2006年正式拉开帷幕，位于德国海德堡的欧洲分子生物实验室（EMBL）派出由皮尔·博克领导的工作组，研究了来自细菌、古细菌以及真核细胞的191个基因组，他们发现，其中31组基因，没有任何迹象表明曾经被水平转移过，和尚未完善的“树”相近。第十一页第十二页，共40页。基因平移与网状树但是，来自德国杜塞尔多夫大学的达冈和马汀教授认为，31组的结果不能够证明什么，这个数字太小。2008年，达冈和他的团队研究了181个基因组，发现80％的基因组存在水平基因转移，即网状树。有学者相信，杂交是物种进化的有力驱动。来自伦敦大学的生物进化学家詹姆斯·马里特说：“杂交是非常普遍的现象，有1／10的动物都是杂交的。”2008年，美国得克萨斯大学的科学家在包括家鼠、野鼠和非洲爪蛙在内的8种动物的基因组合中发现了一种奇特的DNA。这是鸡、大象和人类所没有的DNA，这说明它是一些动物通过异种交配形成的基因组。几年前，科学家也曾在牛体内发现蛇的DNA，鱼类、昆虫和植物中也都曾发现水平基因转移现象。这些新发现意味着，用达尔文的进化枝条来连接物种过于简单了。第十二页第十三页，共40页。基因平移与网状树第十三页第十四页，共40页。系统发生树系统发生树有什么用？

对于一个未知的蛋白质或基因序列，确定其亲缘关系最近的物种。例如：你得到了一个新发现的细菌的核糖体RNA，你可以把它与所有已知的核糖体RNA一起构建一棵系统发生树。这样就可以从树上推测这个新细菌跟谁关系最近。

预测一个新发现的蛋白质或基因的功能。如果在树上与新蛋白质/基因关系十分密切的蛋白质/基因的功能已知，那么这个已知的功能可以被延伸到这个新蛋白质/基因上。

有助与预测一个分子功能的走势。追溯一个基因的起源。一个基因组中的绝大多数基因都随着时间一起演变，但有时某个单独的基因会从一个物种“跳”到另一个物种里，称为基因平移。系统发生树可以很好的展示这种情况。第十四页第十五页，共40页。leaf/outernodebranch/lineageinnernoderootLettersrepresentdifferentspeciesoracertainprotein/DNAfromdifferentspecies.系统发生树第十五页第十六页，共40页。系统发生树第十六页第十七页，共40页。系统发生树第十七页第十八页，共40页。通过外类群来确定树根根bacteriaoutgroupeukaryoteeukaryoteeukaryoteeukaryotearchaeaarchaeaarchaea有根树外类群通过外类群来确定树根有根树通过外类群来确定树根通过外类群（outgroup）来确定树根eukaryoteeukaryoteeukaryoteeukaryotearchaeaarchaeaarchaea无根树有根树与无根树第十八页第十九页，共40页。通过外类群来确定树根有根树通过外类群来确定树根有根树通过外类群来确定树根有根树与无根树有根树反映了树上物种或者基因进化的时间顺序,通过分析有根树的树枝的长度，可以了解不同的物种或者基因以什么方式和速率进化。无根树只反映分类单元之间的距离,而不涉及谁是谁的祖先问题。做有根树需要指定outgroup。所谓outgroup，就是你所分析的东西之外的一个group。比如你分析人类的不同人种，就选个chimpanzee，你要分析哺乳动物，就选个鳄鱼乌龟之类，总之保证它在你要分析的group之外，但又不太远就行了。将你选定的东西指定为outgroup，做出来的树就是有根树。outgroup可以不只一个物种，它是一个group。第十九页第二十页，共40页。

MaximumParsimony(MP):Closelyrelatedsequences,accurate,sequencenumber<12.Distance(NeighborJoining,NJ):Distantly/closelyrelatedsequences,notveryaccurate.MaximumLikelihood(ML):Distantlyrelatedsequences,veryaccurate.Bayesiantree.Speed:Distance>MaximumParsimony>MaximumLikelihood/Bayesian建树算法的选择第二十页第二十一页，共40页。建树算法的选择第二十一页第二十二页，共40页。建树软件的选择构建NJ树，可以用PHYLIP或者MEGA构建MP树，可以使用PHYLIP或者MEGA（MP方法基本淘汰了,很少有人用了）构建ML树可以使用PHYML或者MEGA，速度快，此外还可以用PHYLIP或者BioEdit贝叶斯的算法以MrBayes为代表，不过速度比较慢纯生物信息学文章要用两种方法锁定同一个结果，以实验为主的文章用一种方法便可，一般情况下用ML便可。关于系统发育分析的更多知识请参阅：第二十二页第二十三页，共40页。软件说明PHYLIP免费的、集成的进化分析工具MEGA图形化、集成的进化分析工具

PAUP商业软件，集成的进化分析工具。收费

PHYML最快的ML建树工具MrBayes基于贝叶斯方法的建树工具建树软件的选择第二十三页第二十四页，共40页。DNAorPROTEINIfDNAsequences>70%identical:DNAmultiplesequencealignment.IfDNAsequences˂70%identical:translatethemintoproteinsandbuildtheproteinmultiplesequencealignment.Ifyoursequencesaretoosimilarattheproteinlevel,youcanthreadtheDNAsequencesbackontotheproteinalignmentusingpal2nal:Inpractice,unlessyoursequencesarealmostidentical,itiseasiertokeepworkingattheproteinlevel.第二十四页第二十五页，共40页。用MEGA5建NJ树下载：第二十五页第二十六页，共40页。将多条FASTA序列导入MEGA第二十六页第二十七页，共40页。第二十七页第二十八页，共40页。得到序列比对后，将其存为“.meg”格式。MEGA只能打开meg格式的多序列比对文件。第二十八页第二十九页，共40页。返回MEGA主页面，“File->Open…”打开保存的meg文件，点击“TA”即可。第二十九页第三十页，共40页。点击C可以看到保守位点，点击V则是可变位点（包括Pi和S）。第三十页第三十一页，共40页。点击“选择和编辑数据”图标，可对所选择的序列进行编辑，完成后点击close即可。单击可选择要分析的序列，双击可以编辑序列名称