分子進化與系統(tǒng)發(fā)育一、分子水平的進化第一節(jié)：分子進化與系統(tǒng)發(fā)育2分子水平的進化主要是指在生物進化過程中，構(gòu)成生物體的大分子物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、核酸的演變過程。分子進化是發(fā)生在生物分子層次上的進化，是生物進化層次中最基礎(chǔ)層次上的進化。過程涉及在DNA中發(fā)生缺失，插入，倒位，替換等。（一）分子進化的特點1、生物大分子進化速率相對恒定核酸和蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)分子序列中核苷酸或者氨基酸替換數(shù)作為進化改變量，進化時間以年為單位，生物大分子隨時間改變幾乎是恒定的。2、生物大分子進化的保守性功能上重要大分子或大分子局部進化速率上明顯低于不重要大分子或大分子局部。一、分子水平的進化

第一節(jié)：分子進化與系統(tǒng)發(fā)育3（二）分子進化的中性學(xué)說分子進化的中性學(xué)說認為多數(shù)或絕大多數(shù)突變都是中性或近中性的，即無所謂有利或不利，自然選擇對它們不起作用，因此對于這些中性突變不會發(fā)生自然選擇與適者生存的情況。生物進化主要是中性突變在自然群體中進行隨機的“遺傳漂變”的結(jié)果，與選擇無關(guān)，這些突變?nèi)恳淮忠淮碾S機漂變兒被保存或者趨于消失，從而形成分子水平的進化性改變或者種內(nèi)變異承認自然選擇在表型進化的作用，又強調(diào)分子水平進化現(xiàn)象的特殊性一、分子水平的進化第一節(jié)：分子進化與系統(tǒng)發(fā)育4（三）基因組計劃與分子進化人類基因組計劃（HGP）最主要的目的是測出人類基因組DNA的30億堿基對的序列，發(fā)現(xiàn)所有人類基因，找出它們在染色體上的位置，破譯人類全部遺傳信息，解碼生命，了解生命的起源，了解生命體生長發(fā)育的規(guī)律，認識種屬之間和個體之間存在差異的起因，認識疾病產(chǎn)生的機制，以及長壽與衰老等生命現(xiàn)象，從而為疾病的診治提供科學(xué)依據(jù)。（四）研究分子進化的意義通過研究核酸和蛋白質(zhì)這些生物大分子在物種間的變異速率，探討進化過程，對研究生命起源具有重要意義。二、分子系統(tǒng)發(fā)育分析的基本概念第一節(jié)：分子進化與系統(tǒng)發(fā)育5（一）分子系統(tǒng)發(fā)育樹的基本概念不同種類的生物的同源大分子一級結(jié)構(gòu)作比較，其差異量只與所比較生物由共同祖先分異以后所經(jīng)歷的獨立進化的時間成正比，用差異量表示所比較生物種類的進化中的地位，由此建立系統(tǒng)樹叫做分子系統(tǒng)樹。理論前提：生物大分子進化速率相對恒定在研究生物進化和系統(tǒng)分類中，常用一種類似樹狀分支的圖形來概括各種（類）生物之間的親緣關(guān)系，這種樹狀分支的圖形稱為系統(tǒng)發(fā)育樹。結(jié)：分支末端或者聯(lián)結(jié)點

生物種群二、分子系統(tǒng)發(fā)育分析的基本概念第一節(jié)：分子進化與系統(tǒng)發(fā)育6a：有根樹

有方向的樹，包含唯一節(jié)點，為所有物種的最近共同祖先b：無根樹

沒有方向，不確定共同祖先頂結(jié)：樹系末端，為現(xiàn)存物種內(nèi)結(jié)：樹內(nèi)分支點分枝：兩結(jié)之間的連接部分

枝長：進化距離差異二、分子系統(tǒng)發(fā)育分析的基本概念第一節(jié)：分子進化與系統(tǒng)發(fā)育7（三）物種樹和基因/蛋白樹基于單個同源基因差異構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)生樹分子系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建方法第二節(jié)：分子系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建方法8利用生物大分子數(shù)據(jù)重建系統(tǒng)進化樹，目前最常用的有4種方法距離法、最大簡約法、最大似然法和貝葉斯法。最大簡約法主要適用于序列相似性很高的情況；距離法在序列具有比較高的相似性時適用；最大似然法和貝葉斯法可用于任何相關(guān)的數(shù)據(jù)序列集合。從計算速度來看，距離法的計算速度最快，其次是最大簡約法和貝葉斯方法，然后是最大似然法。一、基于距離的系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建方法第二節(jié)：分子系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建方法9（一）非加權(quán)分組平均法UPGMA主要適用于在基因替代速率恒定時，尤其是用基因頻率數(shù)據(jù)來構(gòu)建分子系統(tǒng)發(fā)育樹時。所有分支突變率相等的假設(shè)上算法假設(shè)d12在所有距離最小，1和2聚合形成距離b=d12/2的一個分支點1和2成為復(fù)合序列l(wèi)。l和另一個序列k的距離是dlk=（d1k+d2k）/2一、基于距離的系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建方法第二節(jié)：分子系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建方法10假設(shè)dl3在上一個距離矩陣最小，b=dl3/2的一個分支點。新集合和另一個序列k的距離是dlk=（d1k+d2k+d3k）/3假設(shè)dm4為以上3個距離最小，m和4產(chǎn)生新集合b=dm4/2的一個分支點。序列5最后并入進化樹b=d15+d25+d35+d45）/（4*2）一、基于距離的系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建方法第二節(jié)：分子系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建方法11dl3不是最小，d45才是，4和5成為新集合，則b45/2，新的矩陣如圖，d3m=(d35+d45)/2dlm=（d14+d15+d24+d25）/4一、基于距離的系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建方法第二節(jié)：分子系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建方法12一、基于距離的系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建方法第二節(jié)：分子系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建方法13b=1/2=0.5集合到c：（2+3）/2=2.5集合到D：（4+3）/2=3.5所以C和D之間最短b=2/2=1AB,CD的距離（3.5+2.5）/2=3b=3/2=1.5一、基于距離的系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建方法第二節(jié)：分子系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建方法14二）最小二乘法將成對距離的矩陣作為給定數(shù)據(jù)。通過匹配那些盡可能近的距離估計樹的枝長，對給定的和預(yù)測的距離差數(shù)的平方和最小化一、基于距離的系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建方法第二節(jié)：分子系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建方法15一、基于距離的系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建方法第二節(jié)：分子系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建方法16dij已知，則Rs是五個未知枝長t0，t1，t2，t3，t4的函數(shù)，通過最小二乘法擬合，則最小的Rs。其t0=0.008840，t1=0.0043266，t2=0.053280，t3=0.0058908，t4=0.135795Rs=0.0003547一、基于距離的系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建方法第二節(jié)：分子系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建方法17（三）鄰接法通過確定距離最近的成對分類單元使系統(tǒng)樹的總長度盡可能達到最小，它跟蹤的是樹的節(jié)點1：將序列構(gòu)建一顆星狀樹，算出總樹枝長度2：將兩個序列作為聚合群與其他序列區(qū)分，再算總枝長3：合并兩個序列使總枝長在所有合并方式最短4：合并序列作為一個序列重復(fù)上述步驟5：直到循環(huán)只剩一個類為止一、基于距離的系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建方法第二節(jié)：分子系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建方法18一、基于距離的系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建方法第二節(jié)：分子系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建方法19NJ方法構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹的一般步驟：一、基于距離的系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建方法第二節(jié)：分子系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建方法20一、基于距離的系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建方法第二節(jié)：分子系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建方法212、實例設(shè)有4段序列，分別為A:TAGG;B:TACG;C:AAGC;D:AGCC，利用鄰接法構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹。1)兩兩比對，并計算遺傳距離。2)構(gòu)建一顆星狀樹，算出總樹的樹枝長度。一、基于距離的系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建方法第二節(jié)：分子系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建方法22分枝長分別為：利用序列間的距離求出星狀樹的總枝長，一、基于距離的系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建方法第二節(jié)：分子系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建方法233)篩選出第1對鄰居

先將序列A和序列B作為鄰居與其他序列分離開來一、基于距離的系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建方法第二節(jié)：分子系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建方法24一、基于距離的系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建方法第二節(jié)：分子系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建方法25一、基于距離的系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建方法第二節(jié)：分子系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建方法26一、基于距離的系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建方法第二節(jié)：分子系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建方法27二、最大簡約法第二節(jié)：分子系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建方法28最大簡約法（maximumparsimony）是一種常用的系統(tǒng)發(fā)生學(xué)分析的方法，根據(jù)離散性狀【包括形態(tài)學(xué)性狀和分子序列（DNA和蛋白質(zhì)等）】的變異程度，構(gòu)建生物的系統(tǒng)發(fā)育樹，并分析生物物種之間的演化關(guān)系。所需變異次數(shù)最少的演化樹可能為最符合自然情況的系統(tǒng)樹。分為非加權(quán)最大簡約分析和加權(quán)最大簡約分析簡約信息位點：至少兩個以上分類單位存在差異，至少兩個以上不同狀態(tài)（一）最大簡約法的基本思想對于系統(tǒng)發(fā)育樹最直接的計算方式就是沿著各個分枝累加特征變化的數(shù)目，而簡約的含義即為代價最小，所以，利用最大簡約法構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹的過程，就是一個對給定分類單元所有可能的樹進行比較的過程。步驟：1：序列比對2：寫出所有可能的樹3：分析信息位點4：將每棵樹的信息位點上字符替換樹相加，尋找最小替換樹二、最大簡約法第二節(jié)：分子系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建方法29二）最大簡約樹的搜索策略窮舉式搜索：分析的序列樹或者物種樹比較小，一般小于10分支界限法：樹長明顯超過預(yù)測的樹被忽略，通過估計一群可能更短的樹長最為最大簡約樹。步驟：1設(shè)置樹長上限L2描述部分物種之間關(guān)系的數(shù)每次增加一個分支，如果有更小的替換樹，則L更正啟發(fā)式搜索法：通過子樹分支交換，嫁接到該步分析匯總找到那個棵樹上其他位置，從而產(chǎn)生一個拓撲結(jié)構(gòu)與初始樹相似的樹二、最大簡約法第二節(jié)：分子系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建方法30設(shè)有4段序列，分別為d1:TAGG;d2:TACG;d3:AAGC；d4:AGCC4段序列構(gòu)建的所有可能的樹：二、最大簡約法第二節(jié)：分子系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建方法314段序列的第一位上3種樹的堿基替換數(shù)目：1次，1次，2次三、最大似然法第二節(jié)：分子系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建方法32三、最大似然法利用最大似然法（ML）構(gòu)建系統(tǒng)進化樹基于兩條基本假設(shè)：不同的性狀進化是獨立的；物種發(fā)生分化后的進化是獨立的。一個特定的代替模型分析既定的一組序列數(shù)據(jù)，使獲得的每一個拓撲參數(shù)似然率最大，挑出最大似然值最大的拓撲結(jié)構(gòu)，為最終樹似然函數(shù)：三、最大似然法第二節(jié)：分子系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建方法33三、最大似然法第二節(jié)：分子系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建方法34四：貝葉斯推斷法第二節(jié)：分子系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建方法35貝葉斯推斷法BI：速度快，提供衡量可信的有效參數(shù)——后驗概率一、構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹的步驟第三節(jié)：系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建及應(yīng)用361、選擇合適的分子序列

可以用DNA,RNA，蛋白質(zhì)序列。DNA序列比蛋白質(zhì)序列能獲得

更精確的系統(tǒng)發(fā)育樹。親緣較近使用DNA序列比較好，物種間進化距離較遠，則蛋白質(zhì)序列效果好2、多序列比對

利用二級或者三級結(jié)構(gòu)可信度更高3、選擇合適的建樹方法4、系統(tǒng)發(fā)育樹的評估

重復(fù)抽樣檢驗：

自展檢驗：原始數(shù)據(jù)集中重新抽樣替換產(chǎn)生偽數(shù)據(jù)

集，構(gòu)建下同發(fā)育樹，重復(fù)上述步驟，最后檢驗自展樹對最終發(fā)育系統(tǒng)各分支支持率

折刀法5、內(nèi)枝檢驗

檢驗內(nèi)枝長度是否顯著大于零而評價構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹的檢驗方法二、常見系統(tǒng)發(fā)育樹的軟件簡介第三節(jié)：系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建及應(yīng)用37一）PHYLIP—thephylogenyinferencepackage主要程序組：分子序列組：蛋白質(zhì)序列組，如ptotpars、proml；核苷酸序列組，如dnapenny、dnapars距離矩陣組：fitch、kitsch、neighbor基因頻率組：gendist、contrast、contml離散字符組：pars、mix、penny進化樹繪制組：drawgram、drawtree、consense二、常見系統(tǒng)發(fā)育樹的軟件簡介第三節(jié)：系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建及應(yīng)用38（二）PAUP--phylogeneticanalysisusingparsimony

默認的數(shù)據(jù)輸入格式：Nexus（三）MEGA—molecularevolutionarygeneticsanalysis主要功能模塊包括：通過網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)的搜索、遺傳距離的估計、多序列比對、系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建和進化假說檢驗等。（四）TREE-PUZZLE采用最大似然法構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹五）MrBayes采用貝葉斯方法進行系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建（六）PhyML根據(jù)最大似然法原理，采用更加簡便的爬山算法來同時估計樹的拓撲結(jié)構(gòu)和樹的分枝長三、系統(tǒng)發(fā)育分析示例第三節(jié)：系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建及應(yīng)用39一）利用MEGA4構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹1、序列獲?。ㄔ贜CBI獲得蛋白質(zhì)序列，用FASTA格式保存到新建文本，為cytb.fasta）三、系統(tǒng)發(fā)育分析示例第三節(jié)：系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建及應(yīng)用402、使用MEGA4進行多序列比對打開MEGA，選中cytb.fasta，拖進去后，彈出AlignmentExplorer,選擇Alignemnt中AlignbyClustalW

進行序列比對比對后，AlignmentExplorer中選擇Date

然后ExportAlignment

中MEGAFormat,產(chǎn)生cytb.meg三、系統(tǒng)發(fā)育分析示例第三節(jié)：系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建及應(yīng)用413、使用MEGA4進行系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建cytb.meg

拖進去，打開SequenceDataExplorer三、系統(tǒng)發(fā)育分析示例第三節(jié)：系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建及應(yīng)用423、使用MEGA4進行系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建三、系統(tǒng)發(fā)育分析示例第三節(jié)：系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建及應(yīng)用433、使用MEGA4進行系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建三、系統(tǒng)發(fā)育分析示例第三節(jié)：系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建及應(yīng)用443、使用MEGA4進行系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建三、系統(tǒng)發(fā)育分析示例第三節(jié)：系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建及應(yīng)用45三、系統(tǒng)發(fā)育分析示例第三節(jié)：系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建及應(yīng)用46二）利用在線分析軟件構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹

1、利用ClustaLW進行多序列比對在Mobyle在線生物軟件分析平臺網(wǎng)站頁面中選擇多序列比對和比較模塊中的“多序列比對(multiplealignment)”，在彈出的新頁面中選擇“clustalw-multialign”工具，這時將彈出ClustalW進行多序列比對的操作界面。選擇“序列文件(sequencefile)”項目組中的“粘貼(paste)”單選項。將細胞色素b基因編碼的蛋白質(zhì)序列按照fasta格式粘貼到其下面的序列框中。在數(shù)據(jù)類型的下拉列表中選擇“蛋白質(zhì)(protein)”,其余多序列比對參數(shù)(multiplealignmentsparameters)按照默認方式。單擊“RUN"按鈕，將會對該數(shù)據(jù)進行多序列比對。

三、系統(tǒng)發(fā)育分析示例第三節(jié)：系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建及應(yīng)用47二）利用在線分析軟件構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹

1、利用ClustaLW進行多序列比對三、系統(tǒng)發(fā)育分析示例第三節(jié)：系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建及應(yīng)用48二）利用在線分析軟件構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹