分子进化与系统发育
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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
2014-6-8
4
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
2014-6-8
12
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
A
C
G
T
2014-6-8
13
基因复制：单个基因复制
2014-6-8
14
基因复制：染色体片段复制
2014-6-8
15
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
2014-6-8
39
序列比对的应用价值
1. 观察序列的同源性
2. 观察序列保守区和多变区，确定功能区
3. 设计PCR引物
4. 发现突变位点 5. 系统发育分析
2014-6-8 40
一、序列相似性比较 1、序列相似性比较：
就是将待研究序列与DNA或蛋白质序列库进行比较， 用于确定该序列的生物属性，也就是找出与此序列相似
异同源物（xenolog）：由某一个水平基因转移事 件而得到的同源序列。
17
2014-6-8
paralogs
orthologs
直系同源
2014-6-8 18
paralogs
orthologs
Erik L.L. Sonnhammer Orthology, paralogy and proposed classification for paralog subtypes TRENDS in Genetics Vol.18 No.12 December 2002
中间节点 中间枝条 节点
根
2014-6-8
25
系统发生树性质：
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
末端分支 末端物种
此系统发育树一般是二歧的；
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
中间枝条 节点 根
分类单元都有联系的分类单元，反映
时间顺序； 如果找不到可以作为树根的单元，则
2014-6-8 30
系统发生学的应用
可应用于各种生物的进化分析： 1. 基因鉴别分型，提供生物分类依据。如，新发传
染病病原体的确定。
2. 发现新的基因进化现象，发现新的病原体，帮助
预防和控制疾病。
3. 通过揭示基因进化规律，预测未来基因进化趋势。 4. 考古学研究。
2014-6-8
31
构建进化树的方法
可以用写字板/Word编写。 文件扩展名为fasta, fst
2014-6-8
37
序列名称要求
1. 应简短， 2. 没有重复的名称， 3. 没有软件所不认可的符号，如“-”，“？”， 等。
2014-6-8
38
序列比对（multiple alignment）
常用软件：
ClustalW
Mega BioEdit DNAStar中的MegAlign GeneDoc
外围群
Monophyletic group(单源群)
有根树
2014-6-8
eukaryote eukaryote
root
eukaryote eukaryote
Monophyletic group
29
基因树，物种树
a A B
Gene tree
Species tree
b
D c We often assume that gene trees give us species trees
2014-6-8
43
3、Blast简介
BLAST 是由美国国立生物技术信息中心 （NCBI）开发的一个基于序列相似性的数据
库搜索程序。
BLAST是“局部相似性基本查询工 具”(Basic Local Alignment Search Tool)的 缩写。
2014-6-8
44
Blast简介
Blast 是一个序列相似性搜索的程序包，其 中包含了很多个独立的程序，这些程序是根 据查询的对象和数据库的不同来定义的。比 如说查询的序列为核酸，查询数据库亦为核 酸序列数据库，那么就应该选择blastn程序。
下表列出了主要的blast程序。
2014-6-8
45
主要的blast程序
程序名 Blastn Blastp 查询序列 核酸 蛋白质 数据库 核酸 蛋白质 搜索方法 核酸序列搜索逐一核酸数据库中的序列 蛋白质序列搜索逐一蛋白质数据库中的序列
2014-6-8
16
同源性分析——功能相似性
直系同源（ortholog）：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， 一般具有系统的功能。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（paralog）：两个基因在同一物种中， 通过至少一次基因复制的事件而发生。同源的基 因是由于基因复制产生的。
是指生物形成或进化的历史。
系统发生学（phylogenetics）： 研究物种之间的
进化关系，其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。
结果往往以系统发生树（phylogenetic tree）表示， 用它描述物种之间的进化关系。
2014-6-8
24
一个系统发育树
末端分支 末端 物种 顶端 叶子
2014-6-8
5
分子进化研究的目的
从物种的一些分子特性出发，构建系统发育树，从而了
解物种之间的生物系统发生的关系— —tree of life；物种分
类。 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。
进化速率分析：例如，HIV的高突变性，哪些位点易发
生突变？
的已知序列是什么。完成这一工作只需要使用两两序列
比较算法。常用的程序包有BLAST、FASTA等.
2014-6-8
41
1、相似性
相似性： 是指一种很直接的数量关系，比如部分 相同或相似的百分比或其它一些合适的度 量。比如说，A序列和B序列的相似性是80 ％，或者4/5。这是个量化的关系。
2014-6-8
42
2、相似性和同源性关系
序列的相似性和序列的同源性有一定的关系， 一般来说序列间的相似性越高的话，它们是同源 序列的可能性就更高，所以经常可以通过序列的 相似性来推测序列是否同源。
正因为存在这样的关系，很多时候对序列的 相似性和同源性就没有做很明显的区分，造成经 常等价混用两个名词。所以有出现A序列和B序列 的同源性为80％一说。
一类是序列类似性比较，主要是基于氨基酸相对
突变率矩阵（常用PAM250）计算不同序列差异性积 分作为它们的差异性量度（序列进化树）； 另一类在难以通过序列比较构建序列进化树的情 况下，通过蛋白质结构比较包括刚体结构叠合和多结
构特征比较等方法建立结构进化树。
2014-6-8 32
序列进化树
原理：
根据序列同源性来分析物种/基因之间的进 化关系。 同源性的判断往往根据BLAST，或者多重 比对(multiple alignment)。 根据一定的理论来计算进化关系 结果用系统发育树（进化树）表示。
2014-6-8
19
基因的趋同进化
(genes have converged function by separate evolutionary paths)
基因通过
不同的进
化过程获 得保守的 功能.
2014-6-8
20
异同源物（Xenolog）
由某一个水平基因转移事件而得到的同源序列。
异源基因或水平转移基因
Cladograms show branching order branch lengths are meaningless 进化分支图，只用分支 信息，无支长信息。
Phylograms show branch order and branch lengths 进化树，有分支和支长 信息
2014-6-8
研究基因序列与功能的关系。
2014-6-8 9
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。
局限：即系统发育的发生过程都是己经完成的历 史，只能在拥有大量 序列信息的基础上去推断过去曾经发生过什么，而不能再现。
2014-6-8
10
分子进化的模式
系统发生树是无根树，反映距离；
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。
26
2014-6-8
树只代表分支的拓扑结构
A BC D F E† G
D
C
F
G A
B
E†
2014-6-8
27
进化分支图，进化树
Bacterium 1 Bacterium 2 Bacterium 3 Eukaryote 1 Eukaryote 2 Eukaryote 3 Eukaryote 4 Bacterium 1 Bacterium 2 Bacterium 3 Eukaryote 1
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 染色体片段复制； C 基因组复制。
2014-6-8 11
DNA突变的模式
Eukaryote 2 Eukaryote 3 Eukaryote 4
28
有根树，无根树，外围群
archaea archaea archaea
eukaryote
无根树
eukaryote
eukaryote eukaryote
Rooted by outgroupபைடு நூலகம்
bacteria outgroup
archaea archaea archaea
b. 做实验，获得PCR产物/质粒，测序，获得
基因序列。
② 序列的格式：最基本的格式为FASTA。 ③ 把参考同源序列和你自己的序列全部做成 一个FASTA文件。
2014-6-8 35
在GenBank可以选择序列格式
2014-6-8
36
Fasta format
> 序列名称 ATGGAAAGAATAAAAGAATTAAGAGATCTAATGTCAC AGTCCCGCACTCGCGAGATACTAACAAAAACCA > 序列名称 ATGGAAAGAATAAAAGAATTAAGAGATCTAATGTCAC AGTCCCGCACTCGCGAGATACTAACAAAAACCA
7
2014-6-8
分子钟理论
从一个分歧数据可以推测其他
y 序列分歧度
x
2014-6-8
分歧时间
8
分子钟理论意义
分子钟的发现与中性理论的提出，极大地推动了 进化尤其是分子进化研究，填补了人们对分子进化即 微观进化认识上的空白，推动进化论的研究进入分子 水平，并建立了一套依赖于核酸、蛋白质序列信息的 理论方法。分子进化研究有助于进一步阐明物种进化 的分子基础，探索基因起源机制，从基因进化的角度
分子进化与系统发育
蔡国斌
2010年11月7日
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
2014-6-8
2
生物学家：We have a dream……
Tree of Life：重建所有生物进化历史并以 系统树的形式加以描述
2014-6-8
3
梦想走进现实：How ？
2014-6-8
(xenologous or horizontally transferred genes)
21
2014-6-8
22
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）。
2014-6-8
23
概念（Definitions）
系统发生（种系发生、系统发育）（phylogeny）：
2014-6-8 6
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 ） 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”。
33
2014-6-8
基本操作步骤
序列的准备 序列的多重比对（自动或手动比对） 建立取代模型（建树方法） 系统发育分析，建立进化树 进化树检验、评估 进化树的编辑加工
2014-6-8 34
序列的准备
① 根据研究目的，确定目的基因，全序列或 者部分序列。
a. 从网上下载目的基因的参考同源序列。
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
2014-6-8
4
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
2014-6-8
12
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
A
C
G
T
2014-6-8
13
基因复制：单个基因复制
2014-6-8
14
基因复制：染色体片段复制
2014-6-8
15
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
2014-6-8
39
序列比对的应用价值
1. 观察序列的同源性
2. 观察序列保守区和多变区，确定功能区
3. 设计PCR引物
4. 发现突变位点 5. 系统发育分析
2014-6-8 40
一、序列相似性比较 1、序列相似性比较：
就是将待研究序列与DNA或蛋白质序列库进行比较， 用于确定该序列的生物属性，也就是找出与此序列相似
异同源物（xenolog）：由某一个水平基因转移事 件而得到的同源序列。
17
2014-6-8
paralogs
orthologs
直系同源
2014-6-8 18
paralogs
orthologs
Erik L.L. Sonnhammer Orthology, paralogy and proposed classification for paralog subtypes TRENDS in Genetics Vol.18 No.12 December 2002
中间节点 中间枝条 节点
根
2014-6-8
25
系统发生树性质：
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
末端分支 末端物种
此系统发育树一般是二歧的；
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
中间枝条 节点 根
分类单元都有联系的分类单元，反映
时间顺序； 如果找不到可以作为树根的单元，则
2014-6-8 30
系统发生学的应用
可应用于各种生物的进化分析： 1. 基因鉴别分型，提供生物分类依据。如，新发传
染病病原体的确定。
2. 发现新的基因进化现象，发现新的病原体，帮助
预防和控制疾病。
3. 通过揭示基因进化规律，预测未来基因进化趋势。 4. 考古学研究。
2014-6-8
31
构建进化树的方法
可以用写字板/Word编写。 文件扩展名为fasta, fst
2014-6-8
37
序列名称要求
1. 应简短， 2. 没有重复的名称， 3. 没有软件所不认可的符号，如“-”，“？”， 等。
2014-6-8
38
序列比对（multiple alignment）
常用软件：
ClustalW
Mega BioEdit DNAStar中的MegAlign GeneDoc
外围群
Monophyletic group(单源群)
有根树
2014-6-8
eukaryote eukaryote
root
eukaryote eukaryote
Monophyletic group
29
基因树，物种树
a A B
Gene tree
Species tree
b
D c We often assume that gene trees give us species trees
2014-6-8
43
3、Blast简介
BLAST 是由美国国立生物技术信息中心 （NCBI）开发的一个基于序列相似性的数据
库搜索程序。
BLAST是“局部相似性基本查询工 具”(Basic Local Alignment Search Tool)的 缩写。
2014-6-8
44
Blast简介
Blast 是一个序列相似性搜索的程序包，其 中包含了很多个独立的程序，这些程序是根 据查询的对象和数据库的不同来定义的。比 如说查询的序列为核酸，查询数据库亦为核 酸序列数据库，那么就应该选择blastn程序。
下表列出了主要的blast程序。
2014-6-8
45
主要的blast程序
程序名 Blastn Blastp 查询序列 核酸 蛋白质 数据库 核酸 蛋白质 搜索方法 核酸序列搜索逐一核酸数据库中的序列 蛋白质序列搜索逐一蛋白质数据库中的序列
2014-6-8
16
同源性分析——功能相似性
直系同源（ortholog）：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， 一般具有系统的功能。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（paralog）：两个基因在同一物种中， 通过至少一次基因复制的事件而发生。同源的基 因是由于基因复制产生的。
是指生物形成或进化的历史。
系统发生学（phylogenetics）： 研究物种之间的
进化关系，其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。
结果往往以系统发生树（phylogenetic tree）表示， 用它描述物种之间的进化关系。
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一个系统发育树
末端分支 末端 物种 顶端 叶子
2014-6-8
5
分子进化研究的目的
从物种的一些分子特性出发，构建系统发育树，从而了
解物种之间的生物系统发生的关系— —tree of life；物种分
类。 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。
进化速率分析：例如，HIV的高突变性，哪些位点易发
生突变？
的已知序列是什么。完成这一工作只需要使用两两序列
比较算法。常用的程序包有BLAST、FASTA等.
2014-6-8
41
1、相似性
相似性： 是指一种很直接的数量关系，比如部分 相同或相似的百分比或其它一些合适的度 量。比如说，A序列和B序列的相似性是80 ％，或者4/5。这是个量化的关系。
2014-6-8
42
2、相似性和同源性关系
序列的相似性和序列的同源性有一定的关系， 一般来说序列间的相似性越高的话，它们是同源 序列的可能性就更高，所以经常可以通过序列的 相似性来推测序列是否同源。
正因为存在这样的关系，很多时候对序列的 相似性和同源性就没有做很明显的区分，造成经 常等价混用两个名词。所以有出现A序列和B序列 的同源性为80％一说。
一类是序列类似性比较，主要是基于氨基酸相对
突变率矩阵（常用PAM250）计算不同序列差异性积 分作为它们的差异性量度（序列进化树）； 另一类在难以通过序列比较构建序列进化树的情 况下，通过蛋白质结构比较包括刚体结构叠合和多结
构特征比较等方法建立结构进化树。
2014-6-8 32
序列进化树
原理：
根据序列同源性来分析物种/基因之间的进 化关系。 同源性的判断往往根据BLAST，或者多重 比对(multiple alignment)。 根据一定的理论来计算进化关系 结果用系统发育树（进化树）表示。
2014-6-8
19
基因的趋同进化
(genes have converged function by separate evolutionary paths)
基因通过
不同的进
化过程获 得保守的 功能.
2014-6-8
20
异同源物（Xenolog）
由某一个水平基因转移事件而得到的同源序列。
异源基因或水平转移基因
Cladograms show branching order branch lengths are meaningless 进化分支图，只用分支 信息，无支长信息。
Phylograms show branch order and branch lengths 进化树，有分支和支长 信息
2014-6-8
研究基因序列与功能的关系。
2014-6-8 9
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。
局限：即系统发育的发生过程都是己经完成的历 史，只能在拥有大量 序列信息的基础上去推断过去曾经发生过什么，而不能再现。
2014-6-8
10
分子进化的模式
系统发生树是无根树，反映距离；
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。
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树只代表分支的拓扑结构
A BC D F E† G
D
C
F
G A
B
E†
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进化分支图，进化树
Bacterium 1 Bacterium 2 Bacterium 3 Eukaryote 1 Eukaryote 2 Eukaryote 3 Eukaryote 4 Bacterium 1 Bacterium 2 Bacterium 3 Eukaryote 1
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 染色体片段复制； C 基因组复制。
2014-6-8 11
DNA突变的模式
Eukaryote 2 Eukaryote 3 Eukaryote 4
28
有根树，无根树，外围群
archaea archaea archaea
eukaryote
无根树
eukaryote
eukaryote eukaryote
Rooted by outgroupபைடு நூலகம்
bacteria outgroup
archaea archaea archaea
b. 做实验，获得PCR产物/质粒，测序，获得
基因序列。
② 序列的格式：最基本的格式为FASTA。 ③ 把参考同源序列和你自己的序列全部做成 一个FASTA文件。
2014-6-8 35
在GenBank可以选择序列格式
2014-6-8
36
Fasta format
> 序列名称 ATGGAAAGAATAAAAGAATTAAGAGATCTAATGTCAC AGTCCCGCACTCGCGAGATACTAACAAAAACCA > 序列名称 ATGGAAAGAATAAAAGAATTAAGAGATCTAATGTCAC AGTCCCGCACTCGCGAGATACTAACAAAAACCA
7
2014-6-8
分子钟理论
从一个分歧数据可以推测其他
y 序列分歧度
x
2014-6-8
分歧时间
8
分子钟理论意义
分子钟的发现与中性理论的提出，极大地推动了 进化尤其是分子进化研究，填补了人们对分子进化即 微观进化认识上的空白，推动进化论的研究进入分子 水平，并建立了一套依赖于核酸、蛋白质序列信息的 理论方法。分子进化研究有助于进一步阐明物种进化 的分子基础，探索基因起源机制，从基因进化的角度
分子进化与系统发育
蔡国斌
2010年11月7日
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
2014-6-8
2
生物学家：We have a dream……
Tree of Life：重建所有生物进化历史并以 系统树的形式加以描述
2014-6-8
3
梦想走进现实：How ？
2014-6-8
(xenologous or horizontally transferred genes)
21
2014-6-8
22
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）。
2014-6-8
23
概念（Definitions）
系统发生（种系发生、系统发育）（phylogeny）：
2014-6-8 6
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 ） 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”。
33
2014-6-8
基本操作步骤
序列的准备 序列的多重比对（自动或手动比对） 建立取代模型（建树方法） 系统发育分析，建立进化树 进化树检验、评估 进化树的编辑加工
2014-6-8 34
序列的准备
① 根据研究目的，确定目的基因，全序列或 者部分序列。
a. 从网上下载目的基因的参考同源序列。