第五章系統(tǒng)發(fā)生分析第一節(jié)基本概念系統(tǒng)發(fā)生樹:物種(遺傳特征)之間的關(guān)系;進(jìn)化樹:從低等到高等,有始有終

經(jīng)典系統(tǒng)發(fā)生學(xué) 主要是物理或表型特征 如生物體的大小、顏色、觸角個數(shù)即通過表型比較來推斷生物體的基因型(genotype),研究物種之間的進(jìn)化關(guān)系.有時候親緣關(guān)系遠(yuǎn)的物種也能進(jìn)化出相似的表型,所謂的趨同進(jìn)化(convergentevolution).所以表型為依據(jù)的進(jìn)化分析有時候并不正確.如是否有眼睛?現(xiàn)代系統(tǒng)發(fā)生學(xué)利用從遺傳物質(zhì)中提取的信息作為物種特征 具體地說就是核酸序列或蛋白質(zhì)分子所有的生物都可以追溯到共同的祖先,生物的產(chǎn)生和分化就象數(shù)一樣地生長,分叉,以樹的形式來表示生物之間的進(jìn)化關(guān)系是非常自然的事.系統(tǒng)發(fā)生樹是一種二叉樹(每個節(jié)點(diǎn)最多有兩個子節(jié)點(diǎn)),由一系列的節(jié)點(diǎn)(nodes)和分支(branches)組成,每個節(jié)點(diǎn)代表一個分類單元(物種或序列),節(jié)點(diǎn)之間的連線表示物種之間的進(jìn)化關(guān)系.枝長branchlength通常代表在該分枝中曾發(fā)生過的變化數(shù).系統(tǒng)樹可以是有根的rooted也可以是無根的(unrooted).在有根樹中存在一個被稱為根特殊節(jié)點(diǎn)由此導(dǎo)向任何別的節(jié)點(diǎn)都只有唯一圖.每一途徑中的方向與進(jìn)化時間相對應(yīng).而根則是所有正被研究的的共同祖先.無根樹是一種只將各間的關(guān)系具體化而未定義進(jìn)化途徑的樹圖.系統(tǒng)發(fā)生樹性質(zhì)：（1）如果是一棵有根樹，則樹根代表在進(jìn)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；（2）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；（3）從根節(jié)點(diǎn)出發(fā)到任何一個節(jié)點(diǎn)的路徑指明進(jìn)化時間或者進(jìn)化距離。直系同源(orthologs):同源的基因是由于共同的祖先基因進(jìn)化而產(chǎn)生的.旁系同源(paralogs):同源的基因是由于基因復(fù)制產(chǎn)生的.直系同源與旁系同源必須了解的概念:paralogsorthologs思考:用于分子進(jìn)化的序列必須是直系or旁系同源才能真實(shí)反映進(jìn)化過程?

Bacterium1Bacterium3Bacterium2Eukaryote1Eukaryote4Eukaryote3Eukaryote2Bacterium1Bacterium3Bacterium2Eukaryote1Eukaryote4Eukaryote3Eukaryote2Phylogramsshowbranchorderandbranchlengths進(jìn)化樹，有分支和支長信息.進(jìn)化分支圖，進(jìn)化樹Cladogramsshowbranchingorder-branchlengthsaremeaningless進(jìn)化分支圖，只用分支信息，無支長信息。Rootedbyoutgrouparchaeaarchaeaarchaeaeukaryoteeukaryoteeukaryoteeukaryotebacteriaoutgrouprooteukaryoteeukaryoteeukaryoteeukaryote無根樹archaeaarchaeaarchaea有根樹，無根樹，外圍群有根樹外圍群兩類數(shù)據(jù)：距離離散特征

離散特征數(shù)據(jù)可分為

二態(tài)特征——例如：DNA序列上的某個位置如果是剪切位點(diǎn)

多態(tài)特征——例如：某一位置可能的堿基有Ａ、Ｔ、Ｇ或Ｃ系統(tǒng)發(fā)生樹的構(gòu)建方法分為兩大類：基于距離的構(gòu)建方法 非加權(quán)組平均法 鄰近歸并法

Fitch-Margoliash法 最小進(jìn)化方法基于離散特征的構(gòu)建方法最大簡約法最大似然法進(jìn)化簡約法相容性方法1.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(jìn)化分析中。最大簡約法的理論基礎(chǔ)是奧卡姆（Ockham）哲學(xué)原則，這個原則認(rèn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行計算，并計算出所需替代數(shù)最小的那個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，作為最優(yōu)樹。最大簡約法就是尋找長度最小,代價最小(替換的次數(shù)最少)的樹.我們只考慮信息位點(diǎn).(以5為例)try…2.距離法 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(jìn)化距離模型）推導(dǎo)得出分類群之間的進(jìn)化距離，構(gòu)建一個進(jìn)化距離矩陣。進(jìn)化樹的構(gòu)建則是基于這個矩陣中的進(jìn)化距離關(guān)系。一種簡單的距離矩陣由進(jìn)化距離構(gòu)建進(jìn)化樹的方法有很多，常見有：1.Fitch-MargoliashMethod（FM法）

2.

Neighbor-JoiningMethod(NJ法/鄰接法)

3.NeighborsRelatonMethod(鄰居關(guān)系法)4.UnweightedPairGroupMethod(UPGMA法)通過矩陣建樹的方法2.1非加權(quán)分組平均法

（UnweightedPairGroupMethodwithArithmeticmean,UPGMA）

在非加權(quán)分組平均法中，在計算新分類到其它分類之間的平均距離時按照各分類中分類單元的數(shù)目進(jìn)行加權(quán)處理。

UPGMA法d=e=10/2=5c=19/2=9.5g=c-d=9.5-5=4.5d(DE)A=(AE+AD)/2=(41+39)/2=40a=b=22/2=11AB(CDE)A-2239.5B--41.5(CDE)---d(CDE)A=(AE+AD+AC)/3=(41+39+39)/3=39.5(AB)(CDE)(AB)-40.5(CDE)--f1+a=f2+c=40.5/2=20.25f1=9.25,f2=11.75選擇外類群

（Outgroup）選擇一個或多個已知與分析序列關(guān)系較遠(yuǎn)的序列作為外類群外類群可以輔助定位樹根外類群序列必須與剩余序列關(guān)系較近，但外類群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。bacteriaoutgroupeukaryoteeukaryoteeukaryoteeukaryotearchaeaarchaeaarchaea外圍群可靠性分析自展法

通過系統(tǒng)發(fā)生分析推斷出來的樹的不同部分可能有不同的置信度,造成統(tǒng)計誤差的一個原因是數(shù)據(jù)采樣誤差.因此對分析的對象多次采樣,比較不同樣本得到的估計值.具體做法:從原始數(shù)據(jù)中采集部分?jǐn)?shù)據(jù)組新的數(shù)據(jù)集,構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)生樹,重復(fù)該過程,產(chǎn)生千百的重采樣數(shù)據(jù)集,并同時生成對應(yīng)的自展樹,檢驗(yàn)自展樹對最終系統(tǒng)發(fā)生樹各分支的支持率.最后計算出來的數(shù)值為自展值(Bootstrapvalue).進(jìn)化樹的可靠性分析自展法（BootstrapMethod）將最終系統(tǒng)樹與各個自展樹進(jìn)行比較,其中在各個自展樹中都出現(xiàn)或大量出現(xiàn)的那些部分將具有高的置信度.比較耗時.課堂練習(xí):下列哪些位點(diǎn)是信息位點(diǎn)?位點(diǎn)123456序列1CAGGTA序列2CAGACA序列3CGGCTA序列4TGGTCG課堂練習(xí):2)下列系統(tǒng)發(fā)生樹建立的方法中,基于序列特征分析的是?基于距離的是?A.neighbor-joiningmethodB.UPGMAC.MaximumparismonyD.Maximumlikelihood課堂練習(xí):3)給定一個距離距陣,請用UPGMA法構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)生樹.ABCDEA-8468B--884C---68D----8

或者:

假設(shè)序列A-E如下:

A:aagcttactgaatgggc

B:aagcatactgaatcggc

C:aatcatactgaatgccg

D:aatcatactgtttgccg

E:tttcatagtcaatgcca

假設(shè)序列之間的距離為序列轉(zhuǎn)換需要的堿基替換次數(shù).試用UPGMA法繪制樹.常用系統(tǒng)發(fā)生樹軟件:ClustalW/X,Philip,MEGA,DNAstar查看軟件:Treeview,MEGA專業(yè)軟件1)流程:1)ClustalX多序列比較;2)用ClustalX程序直接繪制NJ樹;

3)用Treeview程序打開.2)流程:1)ClustalX多序列比較;2)用MEGA程序轉(zhuǎn)換格式;

3)選擇構(gòu)建方法;4)MEGA查看.Forsequences:>OsSRZ1MNRKPGDWDCRACQHLNFSRRDLCQRCGGPRGAADRGSGGGGDYANFGGRGGSSFGGGFGTGSDVRPGDWYCNCGAHNFASRSSCFKCAAFKDDAAVNSGGAGAFDGGDMSRSRGYGFGSGAVRASRPGWKSGDWICTRSGCNEHNFASRMECFRCNAPRDSGTEV>OsSRZ2MNIQRKPGDWNCKSCQHLNFSRRDYCQRCHTPRQDLPLGDGYVPGGVLSSLDIRPGDWYCNCGYHNFASRASCFKCGAIVKDLPAGQGGGVANGDFARALDSSAVRAGWKAGDWICTRPGCNVHNFASRIECYRCNAPREAGNVK>OsSRZ3METKAAAMAMRKPGDWSCRSCQYVNFCKREACQRCGEAKLGVERTDYAAMGGGWEVKPGDWCCRCCAVNNYASRGSCFKCGAAKNDSAAAVAQGWGFSVASQAGWKNGDWICPRMECNVQNYANRTECFRCNFPRYYVD>AtSRZ1MSRPGDWNCRSCSHLNFQRRDSCQRCGDSRSGPGGVGGLDFGNFGGRAMSVFGFTTGSDVRPGDWYCTVGNCGTHNFASRSTCFKCGTFKDETGAGGGGGGIGGPAMFDADIMRSRVPGNGGRSSWKSGDWICTRIGCNEHNFASRMECFRCNAPRDFSNRTSF>AtSRZ2MNRPGDWNCRLCSHLNFQRRDSCQRCREPRPGGISTDLLSGFGGRPVSSSFGFNTGPDVRPGDWYCNLGDCGTHNFANRSSCFKCGAAKDEFSCSSAAATTGFMDMNVGPRRGLFGFGGSSSGGGGTGRSPWKSGDWICPRSGCNEHNFASRSECFRCNAPKELATEPPY>AtSRZ3MSWTGGDWLCGACQHANFKKRESCQKCGYPKFGGVDVSTYLYNRTEVMAGDWYCGALNCGSHNYASRTSCYRCGMIKVEYTEQYYGAQMVAYGNDGAACPPGWKTGDW