分子进化
分子进化
了核苷酸水平突变的4种基本类型
替代
插入
缺失
倒位
4、蛋白质进化
1、氨基酸的替换与系统发育
氨基酸替换是蛋白质进化的主要表现形式。 ①细胞色素 C
存在于有氧呼吸的原核生物和真核生物的细 胞质中，在呼吸作用中与血红蛋白共同协作，以 推动有氧呼吸的进行。
不同生物的细胞色素C中氨基酸的组成和顺 序反映了这些生物之间的亲缘关系。
表1 表2
由表1可以看到亲缘关系愈近的生物的 细胞色素C和人的愈相近似。
这些氨基酸的差异是由进化过程中的 碱基突变引起的，通过这些氨基酸的 差异可推算遗传密码的差异。两个物 种间氨基酸的差异所代换的核苷酸种 数称为最小突变距离（表2）。可据此 绘制成系统树。
②系统树
认为生物各种族的系统关系有如树状，可用图 来表示其状态，此称为系统树。由海克尔 （E．H．Haeckel）所提倡的。他制成了动物界和 植物界全部的系统树，给予生物学者以很大的推动。 也有的认为生物的系统关系不一定是树状的，把系 统的图解（diagram）称作系统树也是不恰当的。但 是，时至今日仍继续作出各种系统树，并且已相当 的普及，所以还不能说对树状的系统持否定意见的 已得到支配的地位。
中性学说提出后在学术界引起了激烈的争论，但有两 点已得到普遍认同：
1、在考虑分子进化时，随机漂变的作用不容忽视。
2、阐明了分子进化和遗传多态性只是同一现象的 两个不同的侧面，从而使得分子生物学与群体遗 传学结合进一步加强。
二、分子进化
1、分子进化的概念 2、分子进化的特点及研究方法 3、分子进化的机制 4、蛋白质进化 5、核苷酸的进化
根据不同 物种细胞 色Байду номын сангаасc氨 基酸序列 的差异描 绘的系统 树
分子进化
9
2.3 核酸序列 二种：简单序列：结构基因的组成部分；
重复序列：包含调节基因的顺序。 序列变化：替换、插入、缺失 在不同生物中，核酸序列的差异能反映它们之间
亲缘关系的远近。 同源基因而言，亲缘关系越近，序列差异越小。 核酸序列变化的速率在同一基因中的不同区域是有
3
经历两个阶段： 60年代，蛋白质序列分析和电泳技术的引入，对不同生物
的蛋白质结构进行比较，分析它们之间的差别及差别性质。 发现特定蛋白质的氨基酸替换速度是基本恒定的。
分子钟；分子进化的中性学说 80年代，RFLP,PCR等，对不同生物的基因进行分析比较，
并对DNA序列进行比对，找出差异，以探究不同物种在进 化上的渊源与联系。基因的进化速度是稳定的。
19
不破坏分子的现有结构和功能的突变发生的频 率较高。
例如，基因的内含子、假基因、卫星DNA等的 替换速率远高于基因的外显子；密码子第三位 碱基的替换率远高于第一、二位碱基。 —— 3 > 1 > 2
20
4.3 新基因常来源于原有基因的重复。
基因重复在生物进化和新基因产生中起创造性的 作用。同一基因存在着两个拷贝，使一个拷贝 可积累突变并最终以一个新基因的姿态出现， 而另一个拷贝则保留物种在过渡时期生存所需 的老功能。
33
建立分子钟的步骤
⑴ 选择所要比较的生物大分子种类：根据具体的研究目的和 已掌握的资料，选择进化速率相对恒定、速率大小合适、 在要比较的所有物种中都存在的生物大分子。
⑵ 选择所要比较的物种，确定各个比较组合及其所代表的进 化事件。
⑶ 获得要比较的物种的生物大分子一级结构信息；从古生物 学和地质年代学资料中获得每一个比较组合所代表的进化 事件发生的地质时间的数据。
进化分子基础
进化分子基础
• 分子树使我们对种间差异的认识系统化，树上的先后 分支组成一个统一的整体，为认识生物进化的程序提 供一个大致的轮廓。可以看出，这个包含从真菌、昆 虫、鱼、爬行类、鸟类、哺乳类和人这样不同进化等 级的生物的系统树与对应的化石等资料所建立的进化 树极其相似。当然，也有些不恰当的地方，如鸡和企 鹅的关系显得比鸭和鸽子还近，人和猴与其他哺乳动 物的趋异发生在袋鼠与非灵长类胎盘动物分离以前。 但研究一种蛋白质能得出20种生物的系统发生，而且 其正确程度又如此之高，这就相当不简单了。
调节突变
• 调节突变这一概念的引入，对分子进化和机体进化 的相互联系有了新的认识。有人认为，引起机体水平 适应进化的主要原因在于某种蛋白质的浓度，而不是 它的结构。根据编码哺乳动物肠酶类的基因研究表明， 反刍动物胃内含有高浓度的溶菌酶。溶菌酶的作用是 分解多聚糖，使细菌细胞壁破裂（溶解）。由于这些 细菌在消化纤维素中起作用，动物可从它们中重新获 得氮和磷。在长期进化过程中，该酶成为反刍动物胃 中的主要消化酶。反刍动物和其他哺乳动物相比，胃 内溶菌酶的功能几乎完全相同，差别在于后者含量很 低。引起含量差别的主要因素在于调节突变，而主要 不是结构突变（点突变）。根据上述事例以及在试管 中进行类似的大量实验结果，威尔逊 （A．C．Wilson）等人认为，分子进化和机体进化 之间的联系很可能是通过调节突变建立起来的；调节 突变在适应进化中可能起主要作用。
进化分子基础
（二）分子树的分析法
分子树是根据生物大分子的序列资料建立起来的用图 解法表示的、类似树状的分子进化模型。两个同源蛋白 质的差异程度可用它们的氨基酸的差异数目或百分率来 表示，也可用相应的基因之间的核苷酸差异的最小数目 来表示。将差异的数据进行排列组合，即可得出表示各 物种之间亲缘关系的系统图。
分子进化和系统发育的研究及其应用
分子进化和系统发育的研究及其应用进化是生物学的核心概念之一，分子进化是现代进化生物学的重要组成部分，而分子系统发育则是分子进化研究的一项重要应用。
本文将从分子进化的基本原理出发，介绍分子系统发育的原理、方法与应用，并探讨其在不同领域中的意义。
一、分子进化的基本原理分子进化是基于DNA/RNA序列或蛋白质序列的进化研究分支。
基因等遗传物质包含了生物过去和现在的大部分信息，通过比较彼此的差异，就能推导出它们之间的进化关系。
分子进化的基本原理在于遗传突变的随机性和累积性。
在生物个体复制时，遗传物质会随机地产生突变，这些突变可以累积，最终就会形成差异。
这些差异可以代表生物的基因型和表型的演化历史。
二、分子系统发育的原理分子系统发育是根据生物体DNA/RNA序列或蛋白质序列的变化，推断生物之间的进化关系和亲缘关系的科学。
生物之间的相似性是由共同的祖先所造成的，相似性越大，共同祖先的距离就越近。
分子系统发育利用各个物种之间的序列差异，通过复杂的计算机分析推断各个物种之间的进化关系及其进化时间。
分子系统发育中通常用到的基本原理之一是“钟模型”，即基因变异率（即分子钟）是在所有物种中大致相同的。
换句话说，如果我们确定了一组基因序列的共同祖先时间，我们就可以根据不同物种间的分子差异推定这些物种的进化时间。
三、分子系统发育的方法分子系统发育研究通常使用序列比对、物种树构建、分支支持度评估和模型选择等方法。
下面简要介绍每种方法的基本原理：1. 序列比对序列比对是分子系统发育分析的基础之一，其目的是从一组相关序列中确定基因组中位点、简化不必要的信息，减小计算量。
序列比对中使用的最常用算法是 Needleman-Wunsch（NW）算法和Smith-Waterman（SW）算法。
这些算法旨在寻找两个（或多个）序列之间的最长公共子序列（LCS），并且可以计算序列间的“匹配”和“不匹配”得分。
2. 物种树构建分子系统发育分析的主要目的是构建物种树，物种树是表示生物之间进化关系的分枝图。
第四章 分子进化分析
1.2.3 最大似然法（ML）
最大似然法(maximum likelihood,ML) ML对 系统发育问题进行了彻底搜查。ML期望能够 搜寻出一种进化模型（包括对进化树本身进 行搜索），使得这个模型所能产生的数据与 观察到的数据最相似.
进化模型可能只是简单地假定所有核苷酸（或 AA）之间相互转变的概率相同，程序会把所有 可能的核苷酸轮流置于进化树的内部节点上， 并且计算每个这样的序列产生实际数据的可能 性（比如两个姊妹群都有核苷酸A，那么如果 假定原先的核苷酸C得到现在的A的可能性比起 假定原先就是A的可能性要小得多），所有可 能性的几率被加总，产生一个特定位点的似然 值，然后这个数据集的所有比对位点的似然值 的加和就是整个进化树的似然值。
2.选择适当的分析方法 如你分析的是DNA数据，可以选择简约法 （DNAPARS），似然法（DNAML， DNAMLK）， 距离法等（DNADIST）。。。 3.进行分析 选择好程序后，执行，读入分析数据，选 择适当的参数，进行分析，结果自动保存为 outfile，outtree。
Outfile是一个记录文件，记录了分析的 过程和结果，可以直接用文本编辑器（如写 字板）打开。 Outtree是分析结果的树文件，可以用 phylip提供的绘树程序打开查看，也可以用 其他的程序来打开，如treeview。
paralogs
orthologs
1.1.2 类
群
祖先类群(ancestral group):如果一个类群（物种）至少有一 个子裔群，这个原始的类群就称为祖先类群 单系类群（monophyletic group）包含一个祖先类群所有子裔 的群组称为单系类群，其成员间存在共同祖先关系 并系类群（paraphyletic group）和复系类群(polyphyletic group)：不满足单系类群要求，各成员间又具有共同祖先特征 的群组称为并系类群；各成员不具有共同衍生特征也不具有共 同祖先特征，只具有同型特征的分类群组称为复系类群 内类群（ingroup）：一项研究所涉及的某一特定类群可称为内类 群
分子进化分析讲解
—— 寻找这棵正确的树
+ 分子进化分析介绍 + 系统发育树重建方法 + 常用分子进化与系统发育分析的软件
选择数据（核酸/蛋白质，外围支） 多序列比对（自动比对，手工比对）
选择建树方法及取代模型 建立进化树 进化树评估
+ 从多重序列比对到构建进化树有多种算法， 可分两大类：
+ 基于距离的方法
– Tree 1长4，Tree 2& 3长2
+ 同理，综合所有信息位点：
– Tree 1长4，Tree 2长5，Tree 3长6
+ 计算结果：MP tree的最优结果为Tree 1
+ 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 阵中的进计化算距序离列关的距系离，建立距离矩阵
– 首先通过各个序列之间的比较，根据一定的假 设（进化距离模型）推导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。
+ 基于特征的方法
– 不计算序列之间的距离，而是将序列中有差异 的位点作为单独的特征，并依据这些特征来建
+ 基于距离的方法
– 非加权分组平均法（UPGMA） – 最小近乎距离(ME) – 邻近法(NJ)
真细菌 真核生物
古生菌
随着距非洲距离越来越长， 遗传多样性的衰退程度， 正好沿着人类早期迁徙的 路线慢慢增大。
53个人的线粒体基因组 (16,587bp)
非洲人相对其他大陆上的 人类在基因上极为多样化
人类迁移的路线
一、系统发育树（Phylogenetic tree）
第十章 分子进化和分子系统学
表:血红蛋白不同部位氨基酸的替换率
区域 血红蛋白α链 血红蛋白β链
表面
1．35
2．73
血红素结合部 0.65
0．236
由以上的例子可以看出，不同的蛋
白质分子其进化速度不同，即使是同一
种蛋白质分子其不同的区域或不同的
氨基酸进化的速度也不同。进化特点是
越重要的分子、分子中越重要的部位或
第二个是组蛋白H4，它在核内和 DNA结合，对遗传信息的贮存具有十分 重要的作用，是一种特殊化的蛋白质， 在漫长的进化过程中几乎不允许它发生 变化，所以它是一个非常保守的蛋白质。
第三个是血红蛋白，它的分子结构已 经非常清楚，它有几个螺旋状的区域和非 螺旋状的区域，分子的内部是疏水氨基酸， 这些氨基酸非常保守，特别是和血红素结 合的氨基酸，它们对血红蛋白的功能具有 重要的作用，它的变化将使其功能发生变 化甚至丧失，所以它们保守。而血红蛋白 表面的氨基酸对血红蛋白机能的影响相对 较小，所以容易发生变化。
的两个物种的分歧年数和蛋白质氨基酸的
差异，就可以计算出该蛋白质的进化速率。 如人和鲨鱼的分歧年数为4．2X108年，血
红蛋白α链差异Kaa为0．76，Kaa=0．76 ／2 X 4．2X10-8 = 0．9X10-9。用同样的方
法对人和鲤鱼的血红蛋白α链进行比较计 算，进化速率为0．6X10-9。
通过以上分析结果，不难看出，蛋白质是
Mross G．A．(1967)通过对偶蹄类的血纤蛋白肽A 和B的氨基酸序列、氨基酸替换的频度进行了研 究，发现氨基酸的替换在分子内部的分布是不 均衡的，变化较快的氨基酸的分布比较集中， 变化较慢的氨基酸的分布比较分散。其中变化 最快的是血纤蛋白肽A的第12到19位，肽B的第18 到21位的氨基酸，这些部位和偶蹄类的适应进 化有着密切的关系。血凝酶是由血凝蛋白原切 除血纤蛋白肽后形成的，A链的切点在N端第一 个Arg处。第4位和第5位的Gly非常保守，不发生 变化或几乎不发生变化，第2位的Pro也非常保 守，而第12、13和14位变化就非常大。
第十章分子进化和分子系统学
所以，木村资生提出 为分子进化的标准速率， 所以，木村资生提出10-9为分子进化的标准速率，并 把每年每个氨基酸座位的1× 把每年每个氨基酸座位的 ×10-9进化速率定为分子进化 速率的单位， × 鲍林。 速率的单位，即1×10-9为1鲍林。 鲍林
（二）分子进化的保守性不同
1、对生物生存制约性大的生物大分子进化速度慢。 、对生物生存制约性大的生物大分子进化速度慢。 2、生物大分子内部功能区结构变化的速度较慢, 而且功能 、生物大分子内部功能区结构变化的速度较慢 越重要的区域变化速度越慢。 越重要的区域变化速度越慢。 3、蛋白质中越重要的氨基酸变化越慢。 、蛋白质中越重要的氨基酸变化越慢。 4、结构和化学性质相近的氨基酸之间的替换要比这两方 、 面不同的氨基酸之间的替换更容易发生。 面不同的氨基酸之间的替换更容易发生。
四、分子系统学和分子系统树 （一）什么是分子系统学 研究生物大分子进化历史的科学。 研究生物大分子进化历史的科学 。 主要研 究某一生物大分子在生物进化过程中突变的产 固定以及积累的过程。 生、固定以及积累的过程。 分子系统学的研究基础是以生物大分子进 化速率恒定为前提， 化速率恒定为前提 ， 其变化量与该分子经历的 时间呈正相关。 时间呈正相关。 公式k 公式 aa=Kaa/2T
（二）分子系统树的构建方法 1、获得生物大分子的差异数据 、
首先确定要分析的生物大分子。 首先确定要分析的生物大分子。原则是所有生物中均要存在该种同源生 物大分子。 物大分子。 建立亲缘关系比较远，分歧时间比较长的生物之间的分子系统树时， 建立亲缘关系比较远，分歧时间比较长的生物之间的分子系统树时，要 选择进化速率相对较慢的生物大分子（细胞色素c、 选择进化速率相对较慢的生物大分子（细胞色素 、16s RNA、丙糖磷酸异 、 构酶） 相反要选择进化较快的大分子（ 构酶），相反要选择进化较快的大分子（mtDNA）。 ） 生物大分子确定之后，对该种生物大分子进行一级结构的测定， 生物大分子确定之后，对该种生物大分子进行一级结构的测定，就可以 得到用于建立分子系统树的最基本的数据。 得到用于建立分子系统树的最基本的数据。
分子进化简介
人工合成生命体的进化研究
人工合成生命体的多样性
通过基因工程技术，人工合成生命体具有更加丰富的基因组合和更 高的遗传多样性。
人工合成生命体的适应性
人工合成生命体能够更好地适应不同的环境条件，表现出更强的生 存能力。
人工合成生命体的应用前景
通过应用工程学方法，可以设计和优化生物系统，从而更 好地解决实际问题，如提高农作物的产量、降低环境污染 等。
06
CATALOGUE
分子进化案例研究
HIV病毒的分子进化研究
病毒株的多样性
HIV病毒在传播过程中， 由于存在大量的变异和重 组，导致病毒株具有极高 的多样性。
病毒的适应性
通过不断适应宿主免疫系 统和抗病毒药物的攻击， HIV病毒能够逃避免疫系 统和药物的杀伤作用。
分子进化的速度通常以每个世代 的突变率来表示，一般较低，约 为10^-8-10^-10个突变/每个基
因/每个世代。
分子进化的方向通常是指由随机 突变和基因重组引起的随机变化 ，以及由自然选择和人工选择引
起的适应性变化。
分子进化的速度和方向可以通过 遗传学和生物信息学的方法进行
研究和检测。
03
CATALOGUE
分子进化简介
目 录
• 分子进化概述 • 分子进化的核心概念 • 分子进化实验技术 • 分子进化在生物医药领域的应用 • 分子进化的未来展望 • 分子进化案例研究
01
CATALOGUE
分子进化概述
定义与特点
定义
分子进化是指生物在分子水平上由于 遗传变异和自然选择等因素而发生的 适应性变化。
特点
分子进化通常涉及DNA、RNA和蛋白 质等生物分子的结构和功能的改变， 这些变化可以是细微的突变，也可以 是较大的基因重排或基因复制事件。
分子进化与基因家族扩张
分子进化与基因家族扩张随着科技的不断发展和研究的深入，我们对生物进化的认识也越来越深入。
分子进化是生物进化研究的一个重要分支，它主要关注遗传物质DNA和蛋白质在进化过程中的演化以及基因家族的扩张。
本文将探讨分子进化与基因家族扩张之间的关系以及这种现象的意义。
一、分子进化的基本概念分子进化是通过比较不同物种的DNA和蛋白质序列来了解物种间的进化关系和演化过程。
在生物进化的过程中，每个物种的基因组都会发生变异和改变，这些变异和改变的积累最终导致了物种间的差异。
二、基因家族的特点和意义基因家族是指在一个基因组内存在多个具有相似序列或功能的基因。
这些基因可能是通过基因重复产生的，也可能是遗传物质的复制和扩增过程中出现的。
基因家族的形成是生物进化的重要表现之一。
基因家族的扩张具有以下特点：1. 基因重复：基因家族的形成往往涉及基因的复制和重复。
这是因为在基因组的复制过程中，可能会发生复制错误或插入新的DNA片段，导致新的基因组成员的产生。
2. 保守性：尽管基因家族中的成员可能存在一定的差异，但它们通常具有相似的功能。
这是因为它们最初可能来自于同一个祖先基因，经过演化和选择后保留了相似的功能。
3. 功能的改变：基因家族中的成员在演化过程中可能会发生功能的改变，表现出不同的表达模式和调控路径，使得它们在不同的物种中发挥着不同的作用。
基因家族的扩张具有重要的意义：1. 功能的丰富化：基因家族的扩张为生物提供了更多不同的功能基因，这有助于生物在面对新的环境和压力时进行适应和进化。
2. 基因调控和表达的多样性：不同基因家族中的基因成员可能在表达模式和调控机制上存在差异，使得生物可以通过调控基因的表达实现自身的特定适应需求。
3. 进化的变化和适应性：基因家族的扩张提供了遗传变异的来源，这为进化提供了基础，使得生物在不同环境中能够更好地适应和生存。
三、分子进化与基因家族扩张的关系分子进化研究可以通过比较不同物种的基因组序列来了解基因家族的扩张和演化过程。
进化生物学的现代发展与应用
进化生物学的现代发展与应用进化生物学是研究生物种群与物种的起源、演化、分化和多样性变化的学科。
它是生物学的一个重要分支，也是现代生命科学中的重要学科之一。
进化生物学在过去几十年中发展的非常迅速，取得了许多重要的进展和成果。
本文将介绍进化生物学的现代发展与应用。
一、分子进化生物学分子进化生物学是研究生物分子在进化过程中的变化和演化的学科。
它在进化生物学研究中扮演着越来越重要的角色。
随着分子生物学技术的不断发展，分子进化生物学的基础研究得到了很大的发展。
分子进化生物学研究主要是通过分析DNA、RNA和蛋白质的序列来比较物种之间的遗传差异和相似性，从而揭示生物的进化历史和演化关系。
分子进化生物学已经成为系统发育学和物种演化的一种基本方法和技术手段。
同时，分子进化生物学的研究成果也为基因组学、生物技术和生物医学等领域提供了基础研究和应用基础。
二、基因组学基因组学是研究生物基因组的组成、结构、功能和演化的学科。
它是进化生物学的重要分支，并且对生物学、生命科学和医学等领域具有重要的应用价值。
随着高通量测序技术的发展，基因组学研究得到了很大的发展。
如今，基因组学已经成为研究生物多样性、进化演化、基因家族、基因转录和表达等方面的一种重要手段和方法。
同时，基因组学还为生物医学、农业遗传育种、环境保护和人类起源等领域提供了重要的应用价值。
三、遗传进化学遗传进化学是研究基因和遗传信息在进化中的演化和变化的学科。
它是进化生物学的重要分支之一，也是生物学、生命科学和医学等领域中的重要学科之一。
随着分子生物学和基因组学等技术的发展，遗传进化学得到了很大的发展。
遗传进化学主要研究基因、群体遗传、表观遗传和基因互作等方面的问题，从而揭示生物物种的进化关系和演化规律。
同时，遗传进化学的应用也让我们更好地理解遗传性状、人类起源和进化、疾病遗传和预防等方面的问题。
四、生态进化学生态进化学是研究生物进化和周围环境因素相互作用的学科。
它是进化生物学和生态学两个学科的综合，对于揭示生物生态适应性、进化生态位和生物地理程度等方面的问题有重要的意义。
第四章 分子进化
物种 A1
物种 A2
T(年)
Kaa：两个同源序列中每个位点氨基酸的 平均替代数 (substitute number):
Kaa = - ln (1 - pd )
每个位点的氨基酸平均替代率 (substitute rate)：
k aa = Kaa / (2T)
例子:血红蛋白、链，在鲨鱼和高等脊椎动物中为异源 四聚体
第四部分
中性演化论
―达尔文的演化理论错了吗？
一. 自然界中的基因突变
自然选择的基础： 遗传变异 不断变化的环境 遗传变异的类型：
染色体重组 染色体突变 基因（碱基）突变
在自然界中基因会不会突变？其程度如何？ Dobzhansky 的果蝇实验 从野外捉一批表型正常的果蝇 不断进行近亲交配 33%的染色体上有致死、或半致死的隐性基因 93%的染色体上有导致发育迟缓等不利的隐性基因 如何产生的？
ß链 链
链的进化： 七鳃鳗的血红蛋白为单体
在七鳃鳗物种分化后，约 在5.2-4.5亿年前，编码血 红蛋白基因重复 (duplicated)一次，形成 、链
约在4.5亿年前，鲨鱼分化 出，4亿年前鲤鱼分化出， 3.5亿年前蝾螈分化出，然 后分别为鸡，针鼹，袋鼠， 狗，人
总的来说，分化时间越短， 积累的氨基酸的差异就越小
3. 中性理论中s的定义及计算：
Neutral：s = 0
基本的公式：p2+2pq+q2 = 1
s 0, selected for; s 0, select against
Nearly neutral:
|s|
1/（2 Ne），或 |s| ≤1/Ne
Ne ：有效种群的大小 —— 种群中真正参与生殖的个体数
分子进化论
分子进化论
章总结以上内容
达尔文发表了自然选择论，宣称动物的进化是由自然选择改变基因组成的结果。
自19世纪60年代以来，分子进化一直是进化生物学的核心内容。
分子进化是一种综合概念，它涉及分子层次上序列演变及其在种群基因组水平上显示。
在概念上，分子进化认为，进化是一种由从一个个体到种群和物种层次间的基因组变异和演变所引起的生物进化过程。
其中最重要的是，基因组改变是个体自然选择论的核心因素，由此推出的分子进化观点被称为“分子进化论”。
通过分子进化，基因组的结构改变和变异依据具体的物种可以完成。
根据具体的基因组架构，生物在种群中不断繁衍，另一方面，一个基因组内部基因可以在种群中进行交换。
所以在物种进化时，可以通过基因组变异交配和自然选择机制使变异突出的个体被凝聚到更好的类型。
在基因组水平上，分子进化的研究在最近几十年内有了很大的发展，由一个个体的分子变异演化到随着时间不断发展甚至改变基因组组成的集团变异现象，都可以研究出来。
其中，分子进化可用于掩盖和发现物种间、种群间的关系，以及特定物种中某些亚系群体中的分隔和联系，由此可以捕捉到群体变异、重组和组合个体基因序列的信息以及探索群体变异演化的过程。
综上所述，分子进化是一门研究基因组水平上的进化演化的科学。
它的研究对于维持和发展物种丰富性和多样性，促进生物进化研究中所需要的基因组改变基础是至关重要的。
分子进化既是生物多样性保护，也是进化生物学研究中重要的理论基础，是自然选择论的基石。
分子进化的分歧度和进化速率
分子进化的分歧度和进化速率生命的树形谱是由一个个分支组成的，分子进化是生命分支的基础和动力。
从早期生命分化的单细胞生物到现在多种多样的生物种类，分子进化逐渐泛起了进化途径的各种差异，表现出了不同的进化速率和分歧度。
通过对分子进化的研究，人们可以更加清晰地了解和描述生命的进化历程和未来发展方向。
本文将简要探讨分子进化的分歧度和进化速率的相关内容。
一、分子进化的分歧度分子进化的分歧度是指不同生物的基因或蛋白质序列之间的差异。
分歧度可由DNA或蛋白质分子的序列异质性来描述。
基因自然选择的作用和突变机制是影响分子进化分歧度的主要因素。
分歧度高的基因或蛋白质通常被认为是进化较早的方向，而分歧度低的则表明进化较为接近或者具有相似的功能。
分子进化的分歧度包括同源分歧度和同源间分歧度两种。
同源分歧度是在同一基因家族内的基因序列间的差异。
同源间分歧度是在不同基因家族内的基因序列间的差异。
在同源定位方法的基础上，从分子态度上确定不同物种之间分化的时间和方式，以研究生物分类、演化关系、生物地理和生物多样性等问题。
实际上，同源和同源间基因分子分歧度的计算方法也有很多种，它们的选择需要根据研究目的和回答的问题来进行判断和探讨。
其中，基于氨基酸序列的进化双线法和基于DNA或RNA序列的距离基法被广泛应用。
二、分子进化的进化速率分子进化的进化速率是指基因或蛋白质序列在生命进化过程中的变化速度。
进化速率通常是以每百个碱基或氨基酸的变化频率来描述的。
分子进化的速率与基因萧条性、选择压力和突变机制有关。
分子进化速率的主要测量手法为基于时间的方法。
这种方法利用物种分化时间的基准点，通过比较不同的基因序列之间的分歧度来确定这些基因相对于时间的进化速率。
例如，利用核酸或氨基酸的分子钟假说，可以确定该基因在分化过程中的时间和速度。
不过，分子进化的进化速率并不是恒定的，在不同基因或蛋白质序列甚至不同物种之间的速率也是不同的。
而且，分子进化的速率还受到环境因素和基因功能演化的影响。
分子进化研究
分子进化研究分子进化研究是一门涉及分子生物学和进化生物学的交叉学科，旨在通过对生物体内分子基因的变化和演化过程进行研究，揭示生物种群间的亲缘关系、物种形成的机制以及进化规律等。
本文将简要介绍分子进化研究的背景和意义，并阐述其在物种起源、亲缘关系重建、分子钟和分子标记等方面的应用。
一、背景和意义分子进化研究起源于20世纪中期，随着分子生物学和进化生物学的快速发展，逐渐成为进化生物学的重要分支之一。
传统的进化研究主要依靠形态特征、遗传和地理分布等方面的信息，而分子进化研究则通过分析DNA、RNA和蛋白质等分子水平的变化，为进化生物学提供了更为准确和详细的信息。
分子进化研究的意义在于通过揭示生物体内基因序列的变化，可以更准确地推断物种的起源和演化历程。
同时，分子进化研究也促进了物种分类学的发展，为生物多样性保护和资源利用提供了依据。
二、物种起源和物种形成分子进化研究对于揭示物种的起源和物种形成的机制具有重要意义。
通过比较不同物种的基因组序列，可以估计它们之间的亲缘关系，进而推断共同祖先的存在以及物种形成的时间和地点等信息。
这为我们理解物种形成的过程提供了重要线索。
例如，通过对人类和其他灵长类动物的基因组进行比较，分子进化研究发现人类与黑猩猩的基因差异非常小，说明它们在进化过程中具有较近的亲缘关系。
此外，分子进化研究还揭示了迁移、隔离和自然选择等因素对物种分化和形成的重要作用。
三、亲缘关系重建分子进化研究在亲缘关系重建方面也起到了关键作用。
通过比较不同物种的基因组序列或不同个体的基因型，可以推断它们之间的亲缘程度。
亲缘关系的重建不仅可以帮助我们理解物种之间的演化关系，还可用于确定物种的分类地位和进行物种鉴定。
例如，通过对鸟类基因组的分析，分子进化研究发现鸟类的系统发育关系与传统分类学有所不同，这为鸟类分类学的修订提供了重要依据。
此外，分子进化研究还可以准确判断个体间的亲缘关系，例如用于亲子鉴定和亲属关系确认等方面。
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第二节 分子进化的模式
Bioinformatics, 2013
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 3. 进化速率和程度分析：例如，HIV的高突变性；哪些位点
（4）适者生存
生物体普遍存在着遗传和变异，其中有利变异
得到保存，对生存不利的变异遭受淘汰，出现适者生 存。变异是随机的，是没有方向的，只有通过定向的 选择，才能保存有利变异，以适应环境。即：变异＋ 选择＝适应，称为“二步适应”。
总之，通过一代代的生存环境的选择作用，物种
变异被定向地向着一个方向积累，于是性状逐渐和原
分子进化速率取决于蛋白质或核酸等大分子中的氨基 酸或核苷酸在一定时间内的替换率。每年每个氨基酸置换 频率为0.3~5 X 10-9个，是个常数。 两个物种在同一蛋白分子中的氨基酸相异的数目即
发生置换的数目，与该两种生物分歧的时间成正比。不同 蛋白质的进化速率很不一样。例如，每变换1％的氨基酸 残基所需的时间：血纤维蛋白肽约是 120万年；血红蛋白 约 610万年；细胞色素c约 2000万年。
Bioinformatics, 2014
DNA序列间核苷酸的差异越少，分化时间越短； 同一祖先序列衍生的两条后裔序列间分化的简单 测度就是两条后裔序列不同核苷酸位点的比例。
Bioinformatics, 2014
(1) DNA突变的模式
替代
插入
缺失
倒位
Bioinformatics, 2014
密码子偏好：各个物种中，编码同一氨基酸的 不同同义密码子的频率非常不一致
可能的原因：密码子对应的同功tRNA丰度的 不同
Bioinformatics, 2014
系统发育分析软件介绍
软件 PHYLIP MEGA PAUP PHYML 说明
免费的、集成的进化分析工具 /phylip.html 图形化、集成的进化分析工具，不包括ML / 商业软件，集成的进化分析工具 / 最快的ML建树工具 http://atgc.lirmm.fr/phyml/
Bioinformatics, 2014
Mitochondrial DNA
线粒体基因组也叫线粒体DNA(mtDNA，Mitochondrial DNA)。MtDNA结构与细菌DNA相似，成双链环状。线粒 体基因组的结构特点也与原核生物相同。 mtDNA表现为母系遗传。由于其裸露于线粒体基质中，既 没有组蛋白的结合保护，又缺少DNA损伤的修复系统，所 以极易发生突变，且突变结果容易保存下来，因此mtDNA 的突变率为核DNA的10倍以上。
氨基酸序列较核苷酸序列更为保守，对年代跨度大 的进化分析大多采用氨基酸序列数据；
对于编码蛋白质的基因序列对齐排列时可能需要借 助氨基酸序列的校正； 氨基酸置换模型比核苷酸置换模型简单。
Bioinformatics, 2014
密码子偏好及相应分析
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
• 血红蛋白、 MtDNA 、核DNA 、病毒DNA拥有不同进化 速率。 • 用MtDNA的基因中的同义置换的频率来计算进化速度要 比用核基因快7倍，于是MtDNA便成为测定分子进化速 度的更方便更合理的“分针，核DNA则为时针，病毒的 进化速度被比喻为分子钟的秒针。
分子模式 DNA序列的进化演变
16S rRNA
通过比较真核细胞 rRNA的核苷酸顺序和“真细 菌”、“古细菌”的 rRNA核苷酸顺序，发现它们之 间截然不同，表明真核细胞不是来自原核细胞，而是 远在原核细胞生成之前，真核细胞就已和原核细胞分 开而成独立的一支，即“早真核生物”，它才是现代 真核生物的始祖。
(1) Tree of Life: 16S rRNA
MrBayes
MAC5
基于贝叶斯方法的建树工具 /
基于贝叶斯方法的建树工具 /software/mac5/
Bioinformatics, 2014
相关软件
软件 说明
ClustalX
GeneDoc BioEdit TreeView
Bioinformatics, 2014
直系同源物 vs. 旁系同源物
paralogs
Bioinformatics, 2014 orthologs
(3) HIV protease: 高突变性
Ka/Ks >> 1, 强的正选择压力，具有很高的可突变性
Bioinformatics, 2014
氨基酸序列的进化
氨基酸序列的进化演变
密码子进化选择
同义与非同义的核苷酸替代
Bioinformatics, 2014
DNA序列的进化
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 (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
环境条件的变化决定了变异的方向，因此称作 “定向变异”，同时定向变异又是生物对环境的一种 适应，即变异＝适应，称为“一步适应”。
3.自然选择学说（达尔文主义）
英国博物学家华莱士（Wallace)，1858年提出了生物进 化的见解，和达尔文结论如出一辙。 英国人达尔文（ Charles Darwin)，1859年出版了<<物 种起源>>一书。为达尔文主义打下了坚实的基础。
中性理论 阳性选择：少有； 阴性选择：普遍存在； 中性进化：普遍存在；同义替代与非同义替代比例相当， 突变不好不坏，不改变或轻微改变蛋白质的功能
Bioinformatics, 2014
4 分子钟
分子钟（molecular clock）是以某一进化事件作为划分 时间的刻度，并以此判定其他进化事件出现的时间。
Bioinformatics, 2014
53个人的线粒体基因组(16,587bp)
Bioinformatics, 2014
Out of Africa
人类迁移的路线
Bioinformatics, 2014
2.获得性状遗传学说
法国拉马克(Lamarck,1744－1829)，科学进化论的 创始者。他认为生命是连续的，物种是变化的，环境 改变是物种变化的原因。 主要思想：“用进废退” 。即生物在环境的直接 影响下，经常使用的器官逐渐发达，不使用的器官 逐 渐退化，这种后天获得的性状可以遗传下去。
细胞色素C
细胞色素C是一个具有104~112个氨基酸的多肽分
子，从进化上看，它是很保守的分子。不同生物的细 胞色素C中氨基酸的组成和顺序反映了这些生物之间的 亲缘关系。 根据细胞色素C分子中氨基酸顺序的差异，可以得
知这一分子的基因核苷酸顺序的差异，依此也同样反
映出不同生物之间的亲缘关系。
• 在细胞色素c中，根据差异的程度，推算它们 在进化过程中分歧的时间。大概每2千万年， 有1%的氨基酸残基发生替换。在哺乳动物与爬 行动物104个氨基酸中，平均有14.3个的差异 （占13.7%）。可算出哺乳类从原始兽形爬行 类分歧的时间为2.74亿年，这与古生物学上的 资料完全相符；陆生脊椎动物与鱼类的细胞色 素c中，平均有18.5个氨基酸（占17.8%）的差 异，那么两者分歧的时间应为3.56亿年。
1肱骨；2尺骨和桡骨；3腕骨和掌骨；4指骨
3.胚胎学证据
从鱼类、两栖类、爬行类、鸟类到哺乳类和人，
它们的早期胚胎很相似，都具有鳃裂和尾。这说明脊
椎动物也具有共同的祖先，它们均来自用鳃呼吸、有 尾的水栖动物祖先，而人类则是从有尾的动物发展而 来的。
4.免疫学证据
根据抗原抗体沉淀反应的强弱程度，确定不同生物 之间的亲疏关系。
向的成分，进化即朝一定方向变化的趋势。
生物从共同祖先由低级到高级，由简单到复杂逐
步分化演变的过程叫进化（evolution)。
Bioinformatics, 2014
一.生物进化的证据
1.古生物进化的证据
化石 同位素衰变
2.比较解剖学证据
同源器官 homologue organ
是指具有不同的功能和外部形态，但却有相同的基本结构的器 官。如：蝾螈和鳄的前肢；鸟类的翅和哺乳类 的前肢以及人的手 臂。同源器官在构造及发育上的一致性说明这些动物起源于共同的 祖先，具有相似的遗传基础。
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 Bioinformatics, 2014
(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 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
5. 分子进化
1964年，Linus Pauling提出分子进化理论 DNA & RNA: 4种碱基；蛋白质分子：20种氨 基酸 发生在分子层面的进化过程：DNA, RNA和蛋 白质分子 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