分子进化分析
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20世纪60年代末，分子进化中性学说，认为种内和种间大 多数可见差异是适合度很小的随机突变的固定所决定的。
生物进化
《The Origin of Species》 （1859）
Darwin, Charles (1809-1882)
生物进化研究方法
• 1. 化石证据：理想但是零散、不完整
生物进化研究方法
根
末端 物种 顶端 叶子
中间节点 中间枝条
节点
一个系统发育树
系统发育树的术语
代表最终分类，可 以是物种，群体或 者蛋白质、DNA、 RNA分子等
系统发育树的术语
• 系统发育树是一种二叉树。由一系列节点（nodes） 和分支（branches ）组成，其中每个节点代表一 个分类单元（物种或序列），而节点之间的连线 代表物种之间的进化关系。 • 树的节点又分为外部节点（terminal node）和内部 节点（internal node）。外部节点代表实际观察到 的分类单元。内部节点又称为分支点，代表分类 单元进化历程中的祖先。
人类迁移的路线
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
系统发育树 （Phylogenetic tree）
系统发育树
对一组实际对象的世系关系的描述（如基因，物种等）。
末端分支
用一种类似树状分支的 图形来概括各种（类）生 物之间的亲缘关系 通过比较生物大分子序 列差异的数值构建的系统 树称为分子系统树
系统发育树的种类: 有根树、无根树
理论上，一个DNA序列在物种形成或基因复制时， 分裂成两个子序列，因此系统发育树一般是二叉的。 一般考虑二叉的树结构：二叉树
拓扑结构： 有根树：反映时间 顺序
生物信息学
第六章 分子进化分析
主讲：涂昀
重庆大学生物工程学院
18世纪之前，神创论和物种不变论。 18世纪，相信物种是变化的。拉马克用环境作用的影响、 器官的用进废退和获得性的遗传等原理解释生物进化过程， 创立了第一个比较严整的进化理论。
1859年达尔文发表《物种起源》，论证了地球上现存的生 物都由共同祖先发展而来，并提出自然选择学说以说明进化 的原因，从而创立了科学的进化理论。 20世纪30年代，综合进化论，综合了细胞遗传学、群体遗 传学以及古生物学等学科的成就，进一步发展了进化理论。
(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，进行大分子功能预测
(3) 进化速率分析：例如，HIV的高突变性，哪些位 点易发生突变？
作为进化标尺的 生物大分子的选择原则
1）在所需研究的种群范围内，它必须是普遍存的。 2）在所有物种中该分子的功能是相同的。
基因组编码信息的丰富
与形态、性状包含的信息相比，基因组序列、蛋白质 序列包含更多、更复杂的信息结构
分子进化的研究方法
序列比较：源于同一祖先DNA/氨基酸序列的两条DNA/
氨基酸序列，考察二者的差异。
序列差异：进化过程中分子突变的痕迹 分子进化：以累计在DNA/氨基酸分子上的历史信息为基
础，研究分子水平的生物进化过程和机制。
3）为了鉴定大分子序列的同源位置或同源区，要求所 选择的分子序列必须能严格线性排列，以便进行进 一步的分析比较。
4）分子上序列的改变（突变）频率应与进化的测量尺 度相适应。
大量的资料表明：功能重要的大分子、或者大分子中功能重要 的区域，比功能不重要的分子或分子区域进化变化速度低。
16S rRNA被普遍公认为 是一把好的谱系分析的 “分子尺”
5）16SrRNA普遍存在于真核生物和原核生物中(真核生物中其同 源分子是18SrRNA)。因此它可以作为测量各类生物进化的工具。
(1) Tree of Life: 16S rRNA
真菌 古生菌
真核生物
Out of Africa
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。
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 意义：分子进化的研究可以为生物进化过程提供佐 证，为深入研究进化机制提供重要依据。
分子进化
普适性
由4种核酸组成 分子水平的进化表现为：DNA序列 的演化、氨基酸序列演化、蛋白质结构及功能的演化
可比较性
比较不同物种的有关DNA序列 建立DNA序列的演 化模型、氨基酸序列的演化模型（数学模型） 蛋白质结构的演化模型
• 2. 比较形态学和比较生理学：确定大致的进化 框架 但是细节存很多的争议
生物进化研究方法
• 3. 分子进化（ molecular evolution ）
研究生物大分子(如核酸和蛋白质 分子)的进化速率、模式及机制的理论
Βιβλιοθήκη Baidu 分子进化
1964年，Pauling等提出分子进化理论：
(1) 生命起源：有机分子由简单向复杂演变 (2) 生物进化：构成生物体的生物大分子如蛋白质、 核酸的演变。
分子进化钟：某一蛋白在不同物种间的取代数与所研
究物种间的分歧时间接近正线性关系，进而将分子水 平的这种恒速变异称为“分子钟”。
中性学说：突变大多数是中性的, 中性突变通过随机
的遗传漂变在群体里固定下来, 分子进化是遗传漂变的 结果, 在分子进化上自然选择不起作用。
分子进化的研究目的
(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 ——生 命树，物种分类
16S rRNA
1）rRNA具有重要且恒定的生理功能； 2）在16SrRNA分子中，既含有高度保守的序列区域，又有中度 保守和高度变化的序列区域，因而它适用于进化距离不同的 各类生物亲缘关系的研究； 3）16SrRNA分子量大小适中，便于序列分析；
4）rRNA在细胞中含量大(约占细胞中RNA的90%)，也易于提取；
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 (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
分子进化的理论基础
生物进化
《The Origin of Species》 （1859）
Darwin, Charles (1809-1882)
生物进化研究方法
• 1. 化石证据：理想但是零散、不完整
生物进化研究方法
根
末端 物种 顶端 叶子
中间节点 中间枝条
节点
一个系统发育树
系统发育树的术语
代表最终分类，可 以是物种，群体或 者蛋白质、DNA、 RNA分子等
系统发育树的术语
• 系统发育树是一种二叉树。由一系列节点（nodes） 和分支（branches ）组成，其中每个节点代表一 个分类单元（物种或序列），而节点之间的连线 代表物种之间的进化关系。 • 树的节点又分为外部节点（terminal node）和内部 节点（internal node）。外部节点代表实际观察到 的分类单元。内部节点又称为分支点，代表分类 单元进化历程中的祖先。
人类迁移的路线
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
系统发育树 （Phylogenetic tree）
系统发育树
对一组实际对象的世系关系的描述（如基因，物种等）。
末端分支
用一种类似树状分支的 图形来概括各种（类）生 物之间的亲缘关系 通过比较生物大分子序 列差异的数值构建的系统 树称为分子系统树
系统发育树的种类: 有根树、无根树
理论上，一个DNA序列在物种形成或基因复制时， 分裂成两个子序列，因此系统发育树一般是二叉的。 一般考虑二叉的树结构：二叉树
拓扑结构： 有根树：反映时间 顺序
生物信息学
第六章 分子进化分析
主讲：涂昀
重庆大学生物工程学院
18世纪之前，神创论和物种不变论。 18世纪，相信物种是变化的。拉马克用环境作用的影响、 器官的用进废退和获得性的遗传等原理解释生物进化过程， 创立了第一个比较严整的进化理论。
1859年达尔文发表《物种起源》，论证了地球上现存的生 物都由共同祖先发展而来，并提出自然选择学说以说明进化 的原因，从而创立了科学的进化理论。 20世纪30年代，综合进化论，综合了细胞遗传学、群体遗 传学以及古生物学等学科的成就，进一步发展了进化理论。
(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，进行大分子功能预测
(3) 进化速率分析：例如，HIV的高突变性，哪些位 点易发生突变？
作为进化标尺的 生物大分子的选择原则
1）在所需研究的种群范围内，它必须是普遍存的。 2）在所有物种中该分子的功能是相同的。
基因组编码信息的丰富
与形态、性状包含的信息相比，基因组序列、蛋白质 序列包含更多、更复杂的信息结构
分子进化的研究方法
序列比较：源于同一祖先DNA/氨基酸序列的两条DNA/
氨基酸序列，考察二者的差异。
序列差异：进化过程中分子突变的痕迹 分子进化：以累计在DNA/氨基酸分子上的历史信息为基
础，研究分子水平的生物进化过程和机制。
3）为了鉴定大分子序列的同源位置或同源区，要求所 选择的分子序列必须能严格线性排列，以便进行进 一步的分析比较。
4）分子上序列的改变（突变）频率应与进化的测量尺 度相适应。
大量的资料表明：功能重要的大分子、或者大分子中功能重要 的区域，比功能不重要的分子或分子区域进化变化速度低。
16S rRNA被普遍公认为 是一把好的谱系分析的 “分子尺”
5）16SrRNA普遍存在于真核生物和原核生物中(真核生物中其同 源分子是18SrRNA)。因此它可以作为测量各类生物进化的工具。
(1) Tree of Life: 16S rRNA
真菌 古生菌
真核生物
Out of Africa
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。
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 意义：分子进化的研究可以为生物进化过程提供佐 证，为深入研究进化机制提供重要依据。
分子进化
普适性
由4种核酸组成 分子水平的进化表现为：DNA序列 的演化、氨基酸序列演化、蛋白质结构及功能的演化
可比较性
比较不同物种的有关DNA序列 建立DNA序列的演 化模型、氨基酸序列的演化模型（数学模型） 蛋白质结构的演化模型
• 2. 比较形态学和比较生理学：确定大致的进化 框架 但是细节存很多的争议
生物进化研究方法
• 3. 分子进化（ molecular evolution ）
研究生物大分子(如核酸和蛋白质 分子)的进化速率、模式及机制的理论
Βιβλιοθήκη Baidu 分子进化
1964年，Pauling等提出分子进化理论：
(1) 生命起源：有机分子由简单向复杂演变 (2) 生物进化：构成生物体的生物大分子如蛋白质、 核酸的演变。
分子进化钟：某一蛋白在不同物种间的取代数与所研
究物种间的分歧时间接近正线性关系，进而将分子水 平的这种恒速变异称为“分子钟”。
中性学说：突变大多数是中性的, 中性突变通过随机
的遗传漂变在群体里固定下来, 分子进化是遗传漂变的 结果, 在分子进化上自然选择不起作用。
分子进化的研究目的
(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 ——生 命树，物种分类
16S rRNA
1）rRNA具有重要且恒定的生理功能； 2）在16SrRNA分子中，既含有高度保守的序列区域，又有中度 保守和高度变化的序列区域，因而它适用于进化距离不同的 各类生物亲缘关系的研究； 3）16SrRNA分子量大小适中，便于序列分析；
4）rRNA在细胞中含量大(约占细胞中RNA的90%)，也易于提取；
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 (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
分子进化的理论基础