分子系统发育分析

1859年查尔斯.达尔文发表了其标志性的学术著作——《在自然选择 意义下的物种起源》，亦可称为《在生存竞争中保留优势物种》。 进化可以被定义为生物体系统发生的过程。
分子系统发育分析

分子进化是生物分子层次上的进化，分子系统学是从生物大分子 (蛋白质、核酸)的信息推断生物进化历史，或者说重建系统发育关 系，并以系统树形式表示出来。


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蛋白质序列和DNA序列的测序为分子系统发生分析提供 了可靠的数据。 基本原理：从一条序列转变为另一条序列所需要的变换 越多，那么，这两条序列的相关性就越小，从共同祖先 分歧的时间就越早，进化距离就越大；相反，两个序列 越相似，那么它们之间的进化距离就可能越小。为了便 于分析，一般假设序列变化的速率相对恒定。
S. Cerevisiae (酿酒酵母) K. Waltii (克鲁雄酵母)
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
Tree of Life: 16S rRNA
Out of Africa
人类迁移的路线
53个人的线粒体基因组(16,587bp)
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
同源性分析->功能相似性
paralogs
orthologs
3. 进化速率分析：例如，HIV的高突变性；哪些位点 易发生突变？


系统发育分析早在达尔文时代就已经开始 经典系统发育学研究所涉及的特征主要是生物的表型 特征（指形态学的或结构的特征）。通过表型比较来 推断生物体的基因型，研究物种之间的进化关系。 利用表型特征的局限性：表型相似并不总是反映基因 相似；对于许多生物体很难检测到可用来进行比较的 表型特征；如何选择表性特征。
对于给定的分类单元数，有很多棵可能
的系统发生树，但是只有一棵树是正确 的。
系统发生分析的目标 ——寻找这棵正确的树
生物学家：We have a dream…
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
从19世纪60年代起，许多生物学家便开始着手重建地球上所有生命的 进化历史，并以系统树的形式描述这部历史。
Linus Pauling
1954年诺贝尔化学奖得主Linus Pauling在1960年代初开创性地展开的基 于直系同源蛋白序列比对的分子进化与分子钟研究。通过直系同源蛋白质 之间比较来确定物种之间的亲缘关系。
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
梦想走进现实：How?
1. 最理想的方法：化石！—— 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 —— 但细节存很多的争议（属于经典系统发生学）
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
α α β β
胸腺嘧啶 T
颠换 β
（transvertion） 嘌呤 ¨嘧啶 嘧啶 ¨嘌呤
β
β
β
β
A 腺嘌呤
α α
G 鸟嘌呤
在大多数DNA片段中，转换出现的概率高于颠换出现的概率。
基因复制：单个基因复制
重组
逆转录
基因复制：基因组复制
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
à A. 单个基因复制 – 重组或者逆转录 à B. 染色体片断复制 à C. 基因组复制
在分子水平上，进化是一种伴随着突变的自然选择过程。分子进化理论 着重于研究不同系统发育树分子上基因和蛋白质的变化方式。
DNA突变的模式
替代 插入
缺失
倒位
核苷酸替代的几种分类 转换 α
（transition） 嘌呤 ¨ 嘌呤 嘧啶 ¨ 嘧啶 胞嘧啶 C
系统发育树

一种表现形式，是对一组实际对象（如基因， 物种等）的世系关系的描述
末端分支 末端 物种 顶端 叶子 中间节点 中间枝条 节点 根
系统发生树的性质：
（1）如果是一棵有根树，则树根代表在进化历 史上是最早的、并且与其它所有分类单元都有 联系的分类单元； （2）如果找不到可以作为树根的单元，则系统 发生树是无根树； （3）从根节点出发到任何一个节点的路径指明 进化时间或者进化距离。
第六章 分子系统发育分析
系统发育
系统发育(种系发生、系统发生)：指生物形成或进化 的历史； 系统发育学：研究物种之间的进化关系，基本思想是 比较物种的特征，并认为特征相似的物种在遗传学上 接近。研究结果往往以系统发生树（系统发育树）表 示，用它描述物种之间的进化关系。 通过对生物学数据的建模提取特征，进而比较这些特 征，研究生物形成或进化的历史。在分子水平上进行 系统发生分析具有许多优势，所得到的结果更加科学 、可靠。