分子进化分析-精品文档54页

趋同进化的基因
(genes have converged function by separate evolutionary paths)
异源基因或水平转移基因
(xenologous or horizontally transferred genes)
2.进化分支图，进化树
Bacterium 1
距离法
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
一种简单的距离矩阵
通过矩阵建树的方法
由进化距离构建进化树的方法有很多，常见有：
最大似然法（ML）
最大似然法(maximum likelihood,ML)最早 应用于系统发育分析是在对基因频率数据的 分析上，后来基于分子序列的分析中也已经 引入了最大似然法的分析方法。
最大似然法（ML）
最大似然法分析中，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。在最大似然法的分析中，所考虑的参 数并不是拓扑结构而是每个拓扑结构的枝长， 并对似然率球最大值来估计枝长 。
eukaryote eukaryote
Monophyletic group
4.基因树，物种树
a Gene tree
b
A Species tree
B
c
D
We often assume that gene trees give us
species trees
内容提要
分子进化分析介绍 系统发育树重建方法 Phylip软件包在分子进化分析中的应用 PAUP*在分子进化分析中的应用
Bacterium 2
Bacterium 3 Eukaryote 1 Eukaryote 2
Eukaryote 3
Cladograms show branching order branch lengths are meaningless 进化分支图，只用分支 信息，无支长信息。
Eukaryote 4
DE距离=d+e (1) D到ABC间的平均距离=d+m (2) E到ABC间的平均距离=e+m (3) (2)-(3)+(1) d=4,e=6
NJ/邻接法
任意两个节点选为相邻序列的总支长计算公式
把A、B看成一个新的复合序
列，构建一个新的距离表，重复 以上过程。
UPGMA法 d=e=10/2=5
分子进化研究的目的
从物种的一些分子特性出发，从而了 解物种之间的生物系统发生的关系。
蛋白和核酸序列 通过序列同源性的比较进而了解基因的进 化以及生物系统发生的内在规律。
系统发育树是什么？
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
末端分支
末端 物种 顶端 叶子
中间节点 中间枝条 节点
系统发育树重建分析步骤
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
The Source Below Come From:
Bioinformatics Sequence and Genome Analysis
David W.Mount Chapter 6 Phylogenetic Prediction

最大似然法（ML）
最大似然法的建树过程是个很费时的过程，因 为在分析过程中有很大的计算量，每个步骤都要考 虑内部节点的所有可能性。
最大似然法是一个比较成熟的参数估计的统计 学方法，具有很好的统计学理论基础，在当样本量 很大的时候，似然法可以获得参数统计的最小方差。 只要使用了一个合理的、正确的替代模型，最大似 然法可以推导出一个很好的进化树结果。
分子进化研究的基础（实际）
虽然很多时候仍然存在争议，但是分子进化 确实能阐述一些生物系统发生的内在规律。
序列分歧度
分子钟理论
从一个分歧数据可以推测其他
y x
分歧时间
直系同源与旁系同源
直系同源(orthologs): 同源的基因是由于 共同的祖先基因进化而产生的.
旁系同源(paralogs): 同源的基因是由于 基因复制产生的.
子数据如插入、缺失等序列有用。
最大简约法（MP）
缺点： 在分析的序列位点上没有回复突变或平
行突变，且被检验的序列位点数很大的时候， 最大简约法能够推导获得一个很好的进化树。
然而在分析序列上存在较多的回复突变 或平行突变，而被检验的序列位点数又比较 少的时候，最大简约法可能会给出一个不合 理的或者错误的进化树推导结果。
系统发育树重建的基本方法
最大简约法(maximum parsimony,MP) 距离法(distance) 最大似然法(maximum likelihood,ML)
最大简约法（MP）
最大简约法(maximum parsimony,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）哲学原则，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，并计算出所需替代数最小的那个拓 扑结构，作为最优树。
Gamma CCAACC
Delta CCCCAA
Epsilon CCAACC
Bootstrap3
Alpha ACAAAC
Beta
ACCCCC
Gamma CCAAAC
Delta CACCCA
Epsilon CAAAAC
Thanks
谢谢！
其他序列之间的差异更显著。
进化树的可靠性分析
自展法（Bootstrap Method）
从排列的多序列中随机放回的抽取某一列，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
原始排列
Alpha AACAAC
碱基变化的通用模型
L（Tree1）=L1ХL2 Х … Х L6 L（Tree2）=L1 Х L2 Х … Х L6
最大似然法（ML）
由于最大似然法的分析过程需要耗费较多 的时间，针对这种情况，发展出了许多优化 的可以加快最大似然法寻找最优树的搜索方 法，如启发式搜索，分枝交换搜索等。最大 似然法具有坚实的统计学理论基础，充分的 使用了分析序列中的信息资源，只要采用了 合理的替代模型，可以得出很好的进化树分 析结果。
序列个数与树的个数的关系
信息位点(Sites are informative)
所谓信息位点，它必须在至少2个分类群中具 有相同的序列性状。
信息位点是指那些至少存在2个不同碱基且每 个不同碱基至少出现两次的位点。
最大简约法（MP）
优点： 最大简约法不需要在处理核苷酸或者氨基
酸替代的时候引入假设（替代模型）。 此外，最大简约法对于分析某些特殊的分
根
树只代表分支的拓扑结构
A BC D F G E†
D C F GA B E†
分子进化研究的基础（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。
分子进化研究的基础（理论）
在各种不同的发育谱系及足够大的进化时间 尺度中，许多序列的进化速率几乎是恒定不 变的。（分子钟理论， 1965 ）
(以上定义源自Fitch, W.M. (1970) Distinguishing
homologous from analogous proteins. Syst. Zool. 19,
99–113)
paralogs orthologs
paralogs
orthologs
Erik L.L. Sonnhammer Orthology,paralogy and proposed classification for paralog subtypes
分子进化分析与相 关分析软件的应用
内容提要
分子进化分析介绍 系统发育树重建方法 Phylip软件包在分子进化分析中的应用 PAUP*在分子进化分析中的应用
内容提要
分子进化分析介绍 系统发育树重建方法 Phylip软件包在分子进化分析中的应用 PAUP*在分子进化分析中的应用
Phylograms show
Bacterium 1
branch order and
Bacterium 2
branch lengths
Bacterium 3
进化树，有分支和支长
Eukaryote 1
信息
Eukaryote 2
Eukaryote 3
Eukaryote 4
3.有根树，无根树，外围群
archaea archaea archaea
TRENDS in Genetics Vol.18 No.12 December 2019
tig.trends 01689525/02/$ – see front matter © 2019 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.
以上两个概念代表了两个不同的进化事件 用于分子进化分析中的序列必须是直系同源 的，才能真实反映进化过程。
Beta
AACCCC
Gamma ACCAAC
Delta CCACCA
Epsilon CCAAAC
Bootstrap1
Alpha ACAAAC
Beta
ACCCCC
Gamma ACAAAC
Delta CACCCA
Epsilon CAAAAC
Bootstrap2
Alpha AAAACC
Beta
AACCCC
bacteria outgroup 外围群
archaea archaea
选择外类群 （Outgroup）
archaea eukaryote
eukaryote
eukaryote eukaryote
选择一个或多个已知与分析序列关系较 远的序列作为外类群
外类群可以辅助定位树根
外类群序列必须与剩余序列关系较近， 但外类群序列与其他序列间的差异必须比
eukaryote
eukaryote
无根树
eukaryote
Rooted by outgroup
有根树
root
eukaryote
bacteria outgroup 外围群
archaea archaea archaea
Monophyletic group(单源群)
eukaryote eukaryote
1.Fitch-Margoliash Method（FM法） 2. Neighbor-Joining Method (NJ法/邻接法) 3. Neighbors Relaton Method(邻居关系法) 4.Unweighted Pair Group Method (UPGMA法)
Fitch-Margoliash方法（FM法）