分子进化与系统发育分析

53个人的线粒体基因组(16,587bp)
人类迁移的路线
Bioinformatics, 2007-2008, Semester 1, USTC
(2) 同源性分析->功能相似性
Ortholog (直系同源物)：两个基因通过物种形成的事 件而产生，或，源于不同物种的最近的共同祖先的 两个基因，或者两个物种中的同一基因，一般具有 相同的功能。
趋同进化：LaБайду номын сангаасgur
食叶猴 RNASE: 纤维素分解、消化
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同源关系的分析
1.直系同源物的确定：Reciprocal Best Hits; 2. 旁系同源物的确定：BLAST，序列比对及数据
库搜索，至少存在一个共有的功能结构域； 3. 整体分析/蛋白质家族分析：系统发育树的构建；
Paralog (旁系同源物)：两个基因在同一物种中，通 过至少一次基因复制的事件而产生。
Xenolog (异同源物)：由某一个水平基因转移事件而 得到的同源序列。
Convergent evolution: 通过不同的进化途径获得相似 的功能，或者，功能替代物。
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(2) 核苷酸替代：转换 & 颠换
1. 转换：嘌呤被嘌呤 替代，或者嘧啶被嘧 啶替代；
2. 颠换：嘌呤被嘧啶 替代，或者嘧啶被嘌 呤替代；
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基因复制：单个基因复制
重组 逆转录
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酸； 3. 发生在分子层面的进化过程：DNA, RNA和蛋白
质分子； 4. 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；
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分子进化的模式
1. 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
分子进化研究的目的
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 —— tree of life; 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，构建系 统发育树，进行相关分析；功能预测；
Ka/Ks >> 1, 强的正选择压力，具有很高的可突 变性
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本章内容提要
1. 密码子偏好及相应分析； 2. 氨基酸序列的进化演变； 3. DNA序列的进化演变； 4. 同义与非同义的核苷酸替代； 5. 系统发育树的构建； 6. 分子钟与线性树； 7. MEGA软件的使用；
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Reciprocal Best Hits
?
直系同源物：Reciprocal Best Hits
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(3) HIV protease: 高突变性
paralogs
orthologs
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异同源物
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基因的趋同进化
通过不同的进化过程获得保守的功能
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第一节 密码子偏好及相应分析
1. 密码子(codon): 在随机或者无自然选择的情况 下，各个密码子出现频率将大致相等。
(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；
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(1) DNA突变的模式
替代
插入
缺失
倒位
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基因复制：染色体片段复制
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基因复制：基因组复制
S. Cerevisiae (酿酒酵母) K. Waltii (克鲁雄酵母)
研究结果： 克鲁雄酵母 中的同源基 因数量与酿 酒酵母相比 为1：2
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3. 进化速率分析：例如，HIV的高突变性；哪些位点易发 生突变？
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(1) Tree of Life: 16S rRNA
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Out of Africa
梦想走进现实：How?
1. 最理想的方法：化石！—— 然而…零散、不完整 2. 比较形态学和比较生理学：确定大致的进化框
架。—— 然而，细节存在巨多的争议
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第三种方案：分子进化
1. 1964年，Linus Pauling提出分子进化理论； 2. DNA & RNA: 4种碱基；蛋白质分子：20种氨基
生物信息学
第六章 分子进化与系统发育分析
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生物学家：We have a dream…
1. Tree of Life: 重建所有生物的进化历史并以系 统树的形式加以描述
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