2015-7 分子进化分析
序列的同源性比较及分子系统学和分子进化分析
在cdd库里面找 库里面找 到两个保守区域， 到两个保守区域， 点击可以进入
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图形结果
分析过程（ 分析过程（七）
匹配序列列表
分析过程（ 分析过程（八）
具体匹配情况
其他的序列相似性搜索工具 －FastA
FastA算法是由 算法是由Lipman和Pearson于1985年 算法是由 和 于 年 发表的（ 发表的（Lipman和Pearson，1985）。 和 ， ）。 FastA的基本思路是识别与代查序列相匹 的基本思路是识别与代查序列相匹 配的很短的序列片段，称为k-tuple。 配的很短的序列片段，称为 。 以下链接是EBI提供的 提供的fasta服务。 服务。 以下链接是 提供的 服务 /fasta
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各个参数选项
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多序列比对及Clustal的使用 的使用 多序列比对及
多序列比对的意义
用于描述一组序列之间的相似性关系， 用于描述一组序列之间的相似性关系， 以便了解一个基因家族的基本特征， 以便了解一个基因家族的基本特征， 寻找motif，保守区域等。 寻找 ，保守区域等。 用于描述一个同源基因之间的亲缘关 系的远近，应用到分子进化分析中。 系的远近，应用到分子进化分析中。
3.填入序列（copy＋paste） 填入序列（ 填入序列 ＋ ） Fasta格式，或者纯序列 格式， 格式 4.选择搜索区域，这里我们要 选择搜索区域， 选择搜索区域 搜索整个序列， 搜索整个序列，不填 5.选择搜索数据库，这里我们 选择搜索数据库， 选择搜索数据库 非冗余的蛋白序列库)。 选nr(非冗余的蛋白序列库 。 非冗余的蛋白序列库 是否搜索保守区域数据库 ），蛋白序列搜索才有 （cdd），蛋白序列搜索才有。 ），蛋白序列搜索才有。 我们选上
分子进化中的同源分析
分子进化中的同源分析分子进化是一门研究生物分子在漫长的进化过程中所发生的变化的学科。
在这个过程中，通过比较生物的分子结构和序列，可以找出不同物种之间的共同祖先，从而推导出它们之间的亲缘关系。
其中，同源分析是分子进化研究中的重要方法之一。
它可以通过比较不同物种之间同种基因的序列和结构，找出它们之间的同源关系，进而揭示它们之间的进化关系。
一、同源基因的定义同源基因是指不同物种或同一物种中不同基因之间在序列上都有一定的相似性，这种相似性来自于它们的共同进化历史。
同源基因通常具有相同的作用或功能，但可能会在不同物种中有不同的突变和变异。
同源基因被认为是揭示生物间亲缘关系的信息源之一，是进行同源分析的基础。
二、同源分析的方法同源分析通过比较同种基因的序列和结构，来判断这些基因之间的同源关系。
在同源分析中，可以利用多种方法来确定同源基因，其中比较常用的方法包括以下几种。
1. BLAST法BLAST法全称 Basic Local Alignment Search Tool，是一种常用的序列比对方法，它通过对比两个或多个序列之间的相似性，来找出它们之间可能的同源区域。
在实际应用中，可以利用BLAST软件将待比对序列与数据库中的已知序列进行比对，从而确定它们之间的同源性质。
2. 系统发育分析法系统发育分析法是通过对比不同物种之间基因序列的相似性，建立它们之间的进化树模型，从而揭示它们之间的进化距离和亲缘关系。
这种方法通常需要利用多序列比对、进化模型构建和统计分析等工具，涉及的算法和计算复杂度较高。
3. 结构比对法结构比对法是通过比较同种基因的二级结构和三级结构，来确定它们之间的同源关系。
这种方法通常需要利用蛋白质结构预测、模拟和比对等工具，对于一些高度保守的结构域，可以发现相对保守的氨基酸残基，从而确定它们之间的同源性质。
三、同源分析的应用在生物学研究中，同源分析是一种常用的方法。
它在以下几个方面有着广泛的应用。
分子演化中的模型和分析方法
分子演化中的模型和分析方法分子演化是一门研究生命进化的科学领域，它具有极其重要的意义。
在生命的长河中，从单细胞生命到如今高度复杂的生态系统，进化一直是一个贯穿其中的主题。
而分子演化正是通过研究DNA、RNA以及蛋白质等生命分子的演化过程，来考察生命进化的机理以及各种生命形式之间的亲缘关系。
本文就来探讨一下分子演化中的模型和分析方法。
一、分子演化的重要性分子演化研究的对象是生命分子（DNA、RNA、蛋白质），通过对它们在演化过程中的改变进行分析，可以了解不同生命形式之间的分类关系、进化历史、起源及其形成机制等。
同时，分子演化还可以通过相关的实验手段来研究某些与生命进化相关的基本活动，例如突变、选择等等。
分子演化的重要性在于它可以帮助我们更好地理解生命的演变过程，为我们探索生命的起源提供了新的思路和证据。
二、分子演化中的模型分子演化常常利用数学模型来模拟各种演化过程，这些模型是建立在分子遗传学和计算机模拟的基础上的。
模型的选择主要依据研究对象、问题目标以及样品数据等多方面因素，下面就简单介绍几种常见的模型。
1. JC模型：JC模型是简约的Kimura 2-parameter模型，是在Kimura 2-parameter模型的基础之上对A-T和G-C碱基偏差进行了修正。
它是最简单的进化模型，其假设是四种碱基互相独立，变化概率相同。
2. K2P模型：K2P模型是另一种基础的进化模型。
它对碱基之间的转换分为两类：转换和转换。
这个模型假设磷酸胺基（Purine, P）和嘌呤醚基（Pyrimidines, Y）的变化率不同。
3. HKY模型：HKY模型是一个基于Kimura 2-parameter模型而演化而来的模型，它的特点是着重考虑了不同碱基的多种转换率，它可以用来考虑碱基的不同转化率和显性和隐性位点所带来的影响。
三、分子演化中的分析方法在分子演化的研究中，有多种分析方法可以用来探讨不同个体间的进化关系。
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。
序列分析四一一分子进化系统发生分析
2. 考虑编码区的DNA序列的进化演变模型； 3. Jukes-Cantor法与Kimura两参数法
1. 对于两条长度为n的DNA序列，不同的碱基对为nd; 2. 核苷酸的改变p：转换P、颠换Q，则：p=P+Q
Ka：非同义替代； Ks：同义替代； 序列上所有可能的同义位点(S)和非同义位点(N)，通 过双序列比对发现存在突变的同义位点(Sd)和非同 义位点(Nd)，定义：
Ka / Ks (Nd / N ) /(Sd / S)
Ka/Ks含义
1. Ka/Ks ~ 1: 中性进化； 2. Ka/Ks << 1: 阴性选择，净化选择； 3. Ka/Ks >> 1: 阳性选择，适应性进化。 4. 多数基因为中性进化，约1%的基因受到阳
进化树的可靠性分析: 自展法（Bootstrap Method）
1. 从排列的多序列中随机有放回的抽取某一序列， 构成新的排列序列；
2. 重复上面的过程，得到多组新的序列； 3. 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。
4. 氨基酸与DNA的进化 距离
B. 第二位：阴性进化；
C. 第三位：阴性进化占小部分，中性进化占大部 分；
编码区 & 密码子: 推论
1. 密码子第三位的碱基出现概率接近基因组 序列的碱基频率；
2. 第二位的碱基出现频率与基因组序列的碱 基频率相差最大。
11个细菌基因组与密码子三个位置上 的GC含量的关系
细菌基因组的 GC含量： 25%~75%
单一位点也不提供任何MP信息。
4 第五章 分子进化和系统发生详解
➢ 直系和旁系同源是两个不同 的进化事件，用于分子进化 分析的序列必须是直系同源 的，才能真实反映进化过程
Species 1
Species 2
基因树和物种树
➢ 物种树：代表一个物种 或群体进化历史的系统 发生树，各个节点代表 物种发生分歧（生殖隔 离）的时间或事件
• 进化速率恒定性的实例
血红蛋白α链： 7种动物以及人两两 之间的血红蛋白α链 氨基酸差异数与物种 分歧时间呈线性相关 关系，即进化速率大 致相同。
➢进化速率的相对恒定性指的是以年为单位的 进化速率即每年每个位点的替换数，而不是以 生物的世代为单位的进化速率即每代每个位点 的替换数
➢以世代为单位 ―世代时间长的生物进化速率慢 ―世代时间短的生物进化速率快
分子生态学
第五章
分子进化和系统发生
gutan
Gorilla
Chimpanzee
Human
分子进化的概念
➢ 分子进化（molecular evolution）：生物在 分子水平上的进化，即核酸和蛋白质等生物大 分子在生物传代过程中的演变。
➢ 特点 ― 进化速率的相对恒定性 ― 进化速率的不均衡性（或保守性）
➢进化速率恒定性说明生物大分子的进化不可能是 由自然选择引起的，如果是由自然选择引起的， 替换率应该随着选择系数的改变而改变
➢适合度和选择系数 ―Darwinian fitness (W)：某个基因型的繁殖能 力=后代数量/具有该基因型的亲本数量 ―Selective coefficient(S):该基因型受到的选择 压力=1-w
➢ 基因树：由来自各个物 种的一个基因构建的系 统发生树，各个节点代 表基因分离的时间
第四章 分子进化概述
七腮鳗（lamprey)
基因重复形成 、链
Pd
链 以灵长类为例： 人 vs 树鼩(tree shrew)：
naa = 146，daa = 26，pd = 26/146 = 0.178
Kaa = 0.196
链：（灵长类）
树鼩(tree shrew) 棕狐猴 (brown lemur) 蜘蛛猴 (spider monkey) 日本猴 (Japanese monkey)
• 功能的约束造成不同的基因突变速率不一样
• 功能重要的部分变化会影响其功能，大多数的变 化均受负选择的作用
• 功能不很重要的部分变化多，不影响功能，被随 机保留
NOTE: 其观点后来略有改变
20世纪80年代，承认正选择，只不过认为其比例较小
六. 分子进化的主要研究内容
1. 经典进化与分子进化研究的比较： （1）经典进化主要以形态特征为主：
不可能！
2. 解释：
• 存在很多选择上中性的等位基因，它们的频率由突 变率和遗传漂移（genetic drift)而定。 1968年 Kimura 提出了“中性理论” （neutral mutation – random drift） 蛋白质的多态性是由选择上中性或接近中性的等位基因 被遗传漂变随机固定的。 固定(fixation): 种群中同一代的所有个体共享一种 突变的等位基因。 中性的等位基因被固定的概率为该基因的频率
naa：所比较序列的氨基酸数目
daa：所比较两个序列中差异的氨基酸数目
pd：两个序列氨基酸相差的程度(percentage of amino
acid difference, pd = daa / naa
T：两个同源序列分歧的时间
序列一：CHSACKSCACTYSIPAKCFCTDIND-FCYEPC 序列二：CHSACKSCACTFSIPAECFCGDIDDGFCYKPC
分子进化和分子系统学（转载）
分⼦进化和分⼦系统学（转载）分⼦进化和分⼦系统学12．1 概念 分⼦进化⼀词有两层含义。
从⽣命历史看，在前⽣命的化学进化阶段（细胞⽣命出现之前），进化主要表现在分⼦层次上，即表现在⽣物分⼦的起源和进化上。
换⾔之，从时序上说，分⼦进化是⽣物进化的初始阶段。
但从另⼀⾓度来看，在细胞⽣命出现之后，进化发⽣在⽣物分⼦、细胞、组织、器官、⽣物个体、种群等各个组织层次上，分⼦进化是⽣物分⼦层次上的进化。
换⾔之，从组织层次上说，分⼦进化是⽣物组织的基础层次的进化。
我们通常所说的分⼦进化就是指后者。
前者通常被称为前⽣命的化学（分⼦）进化。
⼀般⽽⾔，对⾃然现象的认识过程是从⼈类感官所及的层次开始，逐步向微观和宏观两个⽅向扩展。
向微观领域的探索往往出于寻找“深层原因”的动机。
对进化原因和进化机制的探索，最终必然深⼊到分⼦层次。
向宏观领域探索则是相反的过程，即⽤已知的低组织层次的知识去认识和解释⾼组织层次现象。
如今，科学家们发现，不同层次的现象遵循不同的规律和不同的法则。
低层次的规律并不完全适⽤于⾼层次，⽤⾼层次的规律解释低层次现象也往往⾏不通。
因此，本章讨论的分⼦进化规律和分⼦进化的理论基本上只适⽤于分⼦进化。
12．2 ⽣物⼤分⼦进化的特点 在⽣物⼤分⼦的层次上来观察进化改变时，我们看到的是⼀个很不同于表型进化的过程。
根据分⼦进化研究的权威之⼀⽊村（Kimura，1989）的总结，分⼦进化有两个显著特点，即进化速率相对恒定和进化的保守性。
1．⽣物⼤分⼦进化速率相对恒定 如果以核酸和蛋⽩质的⼀级结构的改变，即分⼦序列中的核苷酸或氨基酸的替换数作为进化改变量的测度，进化时间以年为单位，那么⽣物⼤分⼦随时间的改变（即分⼦进化速率）就像“物理学的振荡现象”⼀样，⼏乎是恒定的。
通过⽐较不同物种同类（同源的）⼤分⼦的⼀级结构，可以计算出该类分⼦的进化速率。
对于某类蛋⽩质分⼦或某个基因（或核酸序列）来说，其分⼦进化速率可表⽰为氨基酸或核苷酸的每个位点每年的替换数，即 上式中的K是分⼦进化速率（每个氨基酸位点每年的替换数）；d是氨基酸或核苷酸替换数⽬；N是⼤分⼦结构单元（氨基酸或核苷酸）总数； t是所⽐较的⼤分⼦发⽣分异的时间， 2t代表进化时间，进化经历的时间是分异时间的2倍。
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。
ma分子进化基础PPT课件
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▪ 基因型的适合度fitness ，通常用w 表示，是一个关 于该个体的生存和增殖能力的尺度，不过由于一个 群体的大小通常受其所处环境的负载容量限制，所 以某一个体的进化成功不是由其绝对适合度 absolute fitness 而是由其与群体中其他基因型相比 的相对适合度(relative fitness)所决定的。
▪ 点阵法 ▪ 顺序距离法
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How do you extract this information from an alignment?
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Figure 21.4
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3.4 核苷酸替换数的间接估计
▪ 在估计两序列间核苷酸替换数方面最完全的 解决可通过比较它们的核苷酸顺序而得到。 不过替换数也可从其他类型的分子数据，象 限制酶图谱或者DNA-RNA杂交得到的数据， 间接地推断出来。
▪ 对于一个要增加频率的突变型等位基因来说，必须是某 些因子而不是突变来掺入作用，这些因子包括自然选择、 随机遗传漂变、重组和迁徙。
▪ 为了认识进化的过程我们必须研究以上因子是如何影响
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等位基因频率的变化的。
▪ 本书里我们只讨论自然选择和随机遗传漂变, 在涉及形态学性状的经典进化研究中自然选 择被看成是进化的主要驱动力量。
-
▪ 前20 年时间里关于中性突变假说的激烈争论给分 子进化带来了很大影响。
▪ 首先，它导致了在考虑分子变化的进化动力学时随 机漂变的作用不容忽视这一点得到普遍承认。
遗传学研究中的分子进化模型
遗传学研究中的分子进化模型随着基因组学技术的不断发展，遗传学研究在分子水平上越来越发达，分子进化模型是其中的重要研究内容之一。
分子进化模型是一种模拟基因或蛋白质序列在演化过程中的变化，从而了解生物种群演化的规律。
本文将介绍分子进化模型的定义、分类、应用、以及其发展的趋势和前景。
一、分子进化模型的定义和分类分子进化模型是指在分子水平上对基因或蛋白质序列的演化过程进行模拟和推断，从而了解生物种群演化的规律。
分子进化模型的核心思想是基于分子序列的不断演化和变异，因此对基因或蛋白质序列的演化规律有深刻的理解，对分子进化研究也有着重要的意义。
分子进化模型可以分为两大类，一类是基于基因组DNA序列的模型，另一类是基于蛋白质序列的模型。
基于基因组DNA序列的模型一般包含三种进化模型，分别是JC69模型、K80模型和GTR模型。
JC69模型假设每个碱基在进化过程中发生变异的概率所存在的均等性，属于最简化的模型，适用于分类与系统进化的初步研究。
K80模型是在JC69模型的基础上增加了转换与移换的概念，使模型更加复杂。
GTR模型是基于不同碱基类型的不同变异率，是最为复杂的进化模型，适用于系统分类学、生态学和生物地理学等多种研究方向。
另一类是基于蛋白质序列的模型，包括Dayhoff模型、JTT模型、WAG模型、LG模型、和MtMam模型等。
Dayhoff模型是最早发现的蛋白质进化模型，主要应用于基本的系统分类学研究。
JTT模型是在Dayhoff模型基础上进行修正，主要用于比较不同种类间蛋白质的结构与功能的演化及进化速率的研究。
WAG模型和LG模型都是在JTT模型基础上进行修正的，可以更好地适应各种不同物种的蛋白质序列的演化。
而MtMam模型则专门用于线粒体DNA的研究，其特点是考虑了线粒体DNA内在的随机漂移和突变，对于分子系统学和群体遗传学等方向具有重要意义。
二、分子进化模型的应用分子进化模型在生命科学领域的应用广泛，下面列举几个重要的应用方向。
2015年高三生物二轮复习专题7--变异与育种、进化
（2）在♀AA×♂aa杂交中，若A基因所在的同源染色体在减数第一次分裂时不分离，产生的雌配子染色体数目为，这种情况下，杂交后代的株高表现型可能是
（3）假设两种纯合突变体X和Y都是由控制株高的A基因突变产生的，检测突变基因转录的mRNA，发现X第二个密码子中的第二个碱基由C变为U，Y在第二个密码子的第二个碱基前多了一个U。与正常植株相比，突变体的株高变化可能更大，试从蛋白质水平分析原因。
A．过程①育种方法运用的原理是基因突变，最大优点是能提高突变率
B．过程⑤可使用秋水仙素，它可作用于正在分裂的细胞，抑制纺锤体
的形成
C．过程②③④育种方法运用的原理是基因重组，基因型aaB_类型经④
后，子代中aaBB所占比例是5／6
D．过程⑥⑦应用了单倍体育种的方法，最大的优点是明显缩短育种
年限
例6.番茄(2n=24)的正常植株(A)对矮生植株(a)为显性，红果（B）对黄果（b）为显性。两对基因独立遗传。请回答下列问题：
2．生物变异在育种上的应用Ⅱ
3．人类基因组计划及意义Ⅰ
4．现代生物进化理论的主要内容和生物进化与生物多样性的形成Ⅱ
三、自学指导
（一）生物的变异
例1．下列有关可遗传变异来源的叙述，不正确的是
A．精子和卵细胞在受精时的随机结合，是基因重组的主要原因
B．DNA复制时碱基对的增添、缺失或改变，导致基因突变
C．非同源染色体之间交换一部分片段，导致染色体结构变异
（1）现有三个纯系水稻品种：①矮秆感病有芒，②高秆感
病有芒，③高秆抗病无芒。为了在最短时间内获得矮秆抗病无芒纯系新品种，请写出育种过程。
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
分子进化的概念、理论和方法
分子进化的证据
血 红蛋 白是“ 子进化” 分 中研究得 比较 深人 的一 种
分子。高等脊椎动物的血红蛋白是由两条。 链和两条 ６ １链聚合而成的四聚体，其中。链由 １１ ４ 个氨基酸构 成。已对许多脊推动物的ａ 链进行过比较〔’发现人 ‘， 。 与鳌鱼有７ 个氨基酸不同，人与鲤鱼有“ 个氨基酸 ４ 不同， 人与牛有 １ ７个氨基酸不同。从古生物学和比较 解剖学研究获知， 三者中人与鳌鱼的亲缘关系最远， 与 牛的亲缘关系最近。可见， 生物从同一祖先分歧进化
Ｅｖｏ ｕ ｉｎ ｌ ｔｏ 斗Ｉ
生 ，９ 密码子 变换 。 Ａ Ａ 与 Ａ Ｇ 都是 Ｌ ｓ的密 ４种 Ａ Ａ ｙ
中性突变
产生突 变的 Ｄ Ａ 变化 方式 有 ４ Ｎ 种， 即 核 营 酸 的替换 、 缺失 、 附加和倒位 ， 而最 常发 生的是 核昔酸 替
码子 ， 这种密码 子变 换并不 引起 氨基酸 替换 ， 称同义突
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重 要作 用 ，并与 进化 速 率有关 。
分ห้องสมุดไป่ตู้进化的学说
达尔文的伟大功绩就是建立了生物进化的自然选 择学说。将达尔文的自然选择和孟德尔的遗传学综合 在一起， 就成了综合进化学说， 又称新达尔文主义（ 综 合进化论者有时又被称为群体遗传学派） 由于 Ｆ－ 。 ｉ
分子进化与系统发育
分子进化与系统发育分子进化与系统发育是现代生物学的重要研究领域之一。
它通过研究生物体内的分子结构和遗传信息，来揭示不同物种之间的亲缘关系和进化历程。
本文将介绍分子进化与系统发育的基本原理、研究方法和应用。
一、分子进化的基本原理分子进化是指物种内基因组或蛋白质组的遗传信息发生变化的过程。
在分子水平上，进化主要表现为DNA序列的突变和基因组结构的变化。
分子进化的基本原理主要包括以下几点：1. 遗传变异：遗传变异是生物进化的基础，是物种产生多样性的原因。
遗传变异可通过突变、基因重组和基因转移等途径实现。
2. 自然选择：自然选择是分子进化过程中的重要机制。
根据环境变化和适应性需求，具有更有利基因型的个体会在繁殖中获得更高的生存优势，从而逐渐在种群中占据主导地位。
3. 基因漂变：基因漂变是指随机性的基因频率变异，特别在小种群中影响较大。
基因漂变可以导致分子进化的随机性增加，进而导致遗传多样性的减少。
二、分子系统发育的基本原理分子系统发育是通过比较不同物种的DNA序列或蛋白质结构，构建物种间的进化关系树。
它基于分子进化的原理，通过计算相似性或差异性来推断物种的亲缘关系和进化历程。
分子系统发育的基本原理主要包括以下几点：1. 保守性进化：保守性进化是指在漫长的进化历程中，一些基因或蛋白质序列在物种间保持相对稳定的变化。
这些保守性的变化为系统发育提供了可比较的基础。
2. 数据分析：分子系统发育的关键步骤是对获得的分子数据进行分析。
常用的分析方法包括序列比对、构建进化树和计算进化速率等。
3. 进化树的构建：进化树是分子系统发育的主要结果之一。
它通过对不同物种之间的分子差异性进行比较和计算，来揭示它们的亲缘关系和共同祖先。
构建进化树的方法主要包括距离法、最大似然法和贝叶斯法等。
三、分子进化与系统发育的研究方法分子进化与系统发育的研究方法主要包括分子时钟、基因家族分析和基因组学等。
1. 分子时钟：分子时钟是一种基于分子进化速率的方法，用来估计物种的分化时间和进化速度。
第七章分子系统发育分析进化树
D C F GA B E†
系统进化树的概念
直系同源(orthol。
旁系同源(paralogs): 同源的基因是由于基因复制产生的。 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。
旁系同源
直系同源
系统进化树的种类
Eukaryote 4
系统进化树的种类
——物种树、基因树
物种树：代表一个物种或 群体进化历史的系统进化 树，两个物种分歧的时间 为两个物种发生生殖隔离 的时间
基因树：由来自各个物种 的一个基因构建的系统进 化树（不完全等同于物种 树），表示基因分离的时 间。
基因分裂
基因分裂 基因分裂 物种分裂
关于分子钟的讨论和争议
1、对长期进化而言，不存在以恒定速率替换的生物大分子 一级结构；（基因功能的改变、基因数目的增加）
2、不存在通用的分子钟；
3、争议： 分子钟的准确性 中性理论（分子钟成立的基础）
第一节 生物进化的分子机制
分子途经研究生物进化的可行性 分子进化的模式 分子进化的特点 研究分子进化的作用
末端节点：代表最终分类， 可以是物种，群体，或者蛋 白质、DNA、RNA分子等
A
B
C
D 祖先节点/树根
内部节点/分歧点，该
E
分支可能的祖先节点
系统进化树的概念
进化树分支的图像称为进化的拓扑结构 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，因此系统进化树一般是二歧 的。
A BC D F G E†
氨基酸
例：血红蛋白分子的外区的功能要次于内区的功能，外区的进化速率 是内区进化速率的10倍。
核苷酸
例：DNA密码子的同义替代频率高于非同义替代频率；内含子上的核 苷酸替代频率较高。
分子进化分析ppt课件
Eukaryote 4
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
ppt课件.
homologous from analogous proteins. Syst. Zool. 19,
99–113)
ppt课件.
11
paralogs
orthologs
ppt课件.
12
ppt课件.
paralogs
orthologs
Erik L.L. Sonnhammer Orthology,paralogy and proposed classification for paralog subtypes
ppt课件.
19
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
ppt课件.
20
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) • Bayes法
9
分子钟理论
从一个分歧数据可以推测其他
y
x
序列分歧度
分歧p时pt课间件.
10
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.
分子进化的基本原理与方法
分子进化的基本原理与方法从微观角度来看，生命的起源和进化都是由分子水平上的物理、化学反应所驱动的。
生物分子可以通过基因突变和重组等途径来产生遗传变异，这些遗传变异会对漫长的进化过程产生影响。
分子进化学则研究生物分子的遗传变异及其在进化中的演化规律，旨在揭示生命进化的基本原理，是现代生命科学和生物技术的重要组成部分。
一、基本概念分子进化学是以生物分子为对象研究物种演化的学科，主要研究的是分子遗传学、进化生物学、生物信息学等内容。
分子遗传学是研究基因及其在进化中的演化规律，是分子进化学中的重要内容。
分子遗传学通过研究DNA，RNA及蛋白质等生物分子的遗传变异，来分析物种进化历程、种群变异和亲缘关系等问题。
在分子遗传学领域，核酸序列比较、分子进化分析以及系统发育分析都是常用的方法。
二、基本原理分子进化学的基本原理是：物种的进化是由基因水平及其在群体间的传递和演化所驱动的，基因的分子结构在漫长的进化过程中会发生变异、改变和重组，这些变异将对物种的形态和功能产生影响。
基本遗传单元是基因，基因由DNA序列编码。
其中，基因的序列比较是分子进化研究中的基础，也是识别遗传关系和物种进化的重要依据。
不同的物种可能存在共同祖先，或者由于自然或人工选择等原因，在基因序列上有趋同演化的现象，如人类和黑猩猩在某些基因上共享相同的DNA序列。
分子进化学中最基本的假设是：物种的进化是围绕着基因的演化而展开的。
基因带来的变异有时会影响生物体的形态和功能，这种影响可能是优势性的、劣势性的，也可能是中性的，但这些变异始终是随机的，是自然选择和遗传漂变的结果。
三、研究方法1.分子演化分析分子演化分析是分子进化研究的核心方法。
分子演化分析让我们可以比较基因序列、RNA序列或蛋白质序列等。
通过对不同物种的基因序列进行比较，可以分析出它们之间的遗传关系，了解它们之间的亲缘关系，进而推断它们之间的进化历史。
常见的分子演化分析包括：物种分化时的系统发生关系、进化速率的推断、化石密码学（将化石和分子演化信息相结合来推断物种历史）等。
分子进化的原理及其意义
分子进化的原理及其意义人类是自然界中最独特的物种。
我们通过长期的进化过程获得了许多特殊的属性，例如智力和语言能力，这些都为我们提供了显著的进化优势。
然而，这些显著的进化优势并不是所有物种都具备的。
在自然界中，大部分物种都经历了复杂的进化过程，逐渐进化成现在的样子。
那么，分子进化是什么？为什么它有如此重要的意义呢？一、分子进化的原理分子进化是指基于分子遗传学理论所进行的进化研究。
它主要包括DNA序列、蛋白质序列和RNA序列的比较，从而推断生物进化的历史。
因此，分子进化旨在揭示不同物种之间的亲缘关系和进化历史。
通过分子进化的研究，我们可以更好地理解生物进化的原理、过程和机制。
我们知道，遗传信息是由DNA分子所携带的。
DNA分子中的基对序列决定了相应蛋白质的合成序列。
这意味着基对序列的任何变化都有可能影响到蛋白质的结构和功能。
纯碱基突变被认为是最常见的分子进化模式之一。
它包括点突变、缺失、插入和反转等。
然而，这些突变并不是随机发生的，而是受到多种因素的影响，例如突变率、选择压力和随机漂移等。
这些因素会影响到遗传信息的稳定性和多样性，从而影响到物种的进化。
二、分子进化的意义分子进化在生物学领域中十分重要。
它可以被应用于多种领域，例如种群遗传学、系统发育学和进化生态学等。
下面我们将简要介绍分子进化的一些常见应用和意义：1.推测物种的进化历史通过比较不同物种的DNA序列，可以推测它们之间的亲缘关系和进化历史。
这种方法被称为系统发育分析。
系统发育分析可以为生物分类学提供有力的支持，并有助于理解生物的起源和演化过程。
2.揭示物种间关系和群体遗传结构通过比较同一物种不同个体之间的DNA序列，可以揭示物种内部群体遗传结构和基因流等重要信息。
这对于种群遗传学、进化动态学和生态学等领域都有重要意义。
3.分子进化在生物技术领域的应用分子进化不仅在生物学的学术领域中有着重要的应用，也广泛应用于生物技术领域。
例如，它可以被用于基因工程、基因遗传改良和遗传疾病的诊断等方面。
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4、邻近归并法
基本思想：
在进行类的合并时，不仅要求待合并的类是相近 的，同时还要求待合并的类远离其它的类。
x
y
28
例
6个分类单元的距离矩阵 A
A B C E F 5 4 6 8 7 10 7 9 6 5 9 8 11 8
B
C
D E
F
对于所有的分类单元x，计算每个节 点到其它节点的距离：
dA=(5+4+7+6+8)/4=7.5 dB=10.5 dC=8 dD=9.5 dE=8.5 dF=11
趋同进化 表型特征难以检测 比较关系较远的生物体
7
•现代系统发生学
利用从遗传物质中提取的信息作为物种特征 具体地说就是核酸序列或蛋白质分子
• 分子系统发生分析
通过比较生物分子序列，分析序列之间的关 系，构造系统发生树。
• 关于现代人起源的研究:
线粒体DNA
——所有现代人都是一个非洲女性的后代 “线粒体夏娃” 15万年前
UPGMA算法的执行过程如下：
计算新分类到其它类的距离
d( xy ),u ny nx ( ) d x ,u ( ) d y ,u 2 nx ny nx ny
B
2 1 2 2
1 3 2
E
A
C D
其中nx、ny、(nx+ny)分别为x类、y类、(xy)类的元素个 数；
在距离矩阵中删除与类 i和类 j相应的行和列，为类 (xy) 加入新的行和列；
发生在分子层面的进化过程：DNA, RNA和蛋白质
分子。 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。
11
进化速率
某一段时间之内的遗传改变量
cgatgttcgtcccggagaccatgggcgcgtacatcggattcgaagctctgaggct
• • •
分子进化观点：
P(0; t ) e
rt
35
Poisson校正距离 祖先序列未知：不知道当前的序列从何演化而来 解决方案：对两条已经有t年分化的序列，一条序列某位点 无替代的概率为： e rt ，两条序列同源位点均无替代概率为： 此概率可用1-p估计：q=1-p; 两个序列间每个位点氨基酸替代总数（d=2rt）：
重复循环，直到仅剩一个类为止。
25
3、距离变换法
(transformed distance method) 针对问题：进化速率的变化
A A B C B 9 C 8 11 D 12 15 10
1.15 1 5 4 A 4 C B D
26
Байду номын сангаас
1 2 6
3
3 6
A
B
C
D
真实的系统发生树
D
6.15
UPGMA法构建的系统发生树
基于离散特征的构建方法
最大简约法 最大似然法 进化简约法 相容性方法
20
一种简单的距离矩阵
21
1、连锁聚类方法
•选择距离最小的一对序列 •将这两个序列合二为一，形成一个新的对象 （代表这两个序列的祖先） •重新计算这个新的对象与其它序列的距离。
单连锁聚类:
d(x,u) = min (d(y,u),d(z,u))
2
现代综合进化论
第一节 系统发生与系统发生树
1、基本概念：
系统发生（phylogeny， 系统发育）——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
3
系统发生树（phylogenetic
tree） ——表示形式，描述物种之间进化关系
17
新基因产生速率
Zhang et al. PLoS Biol. 2010,
18
第二节 系统发生分析方法
系统发生分析的步骤
（1）序列分析 （2）构建系统发生树 （3）评价所建立的树
19
基于数据类型的系统发生树构建方法：
基于距离的构建方法
非加权组平均法 邻近归并法 Fitch-Margoliash法 最小进化方法
最大连锁聚类： d(x,u) = max (d(y,u),d(z,u))
平均连锁聚类： d(x,u) = 1/2 * (d(y,u)+d(z,u))
其中x代表y和z的合并，u代表任意其它对象
22
平均连锁聚类法
A B C D E A 0 8 4 6 8 B 0 8 8 4 C D E
2 1
A A 0 B E D 6
距离变换法
参考物种：先于其它物种从共同祖先中分化 出来的物种。 距离变换公式：
dij
dij diD d jD 2
d D (i, j A, B, C )
假设有4个物种A、B、C、D及其距离矩阵，其中D是A、B、 C的外部参考物种，D可作为变换其它物种间距离的外部参 考。d’ij是物种i和j之间变换后的距离； d D 是外部参考物种与 全体内部物种之间的平均距离。
对应的核苷酸置换率矩阵M为
3 M
3 3 3
34
Poisson校正（泊松校正）
序列差异的百分比(p)与分歧时间t的关系：t较短的时候， 回复突变较少，两者大致成线性关系；当t较大时，回复突 变增多，二者成非线性关系 基本假设：令r为某一位点每年的氨基酸替代率，并假设所 有位点的r都相同 在时间t年之后，每个位点替代的平均数为：rt 给定一个位点，氨基酸替代数k(k=0,1,2,3,…)的可能性遵循 泊松分布，即 e rt (rt ) k P(k ; t ) k! 因此，某一位点氨基酸不变的概率为
2
B C D E 8 0 4 8 0 6 8 6 0
0 6 0
8 8 0
2 B
2 E
1 3
2
B
2
E
2
A
2
C D
AC B E A 0 8 C B 0 E
C D
2 E
2 A
2 C
8
B
D
0
23
2、非加权分组平均法
（Unweighted Pair Group Method with Arithmetic
mean, UPGMA）
13
DNA突变的模式
替代 插入
缺失
倒位
14
核苷酸替代：转换 & 颠换
转换：嘌呤被嘌呤 替代，或者嘧啶被 嘧啶替代 颠换：嘌呤被嘧啶 替代，或者嘧啶被 嘌呤替代
15
基因复制
重组
逆转录
16
分子进化研究的目的
物种分类及关系：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 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 进化速率分析：例如，HIV的高突变性；哪些位 点易发生突变？
D 7
归并－选择dxy-dx-dy最小的一对分类 单元
x=A, y=B → 新节点（xy）
计算（xy）到x和y节点的距离 dx,(xy) = 1/2dxy +1/2(dx-dy) =5/2+(7.5-10.5)/2=1
dy,(xy) = 1/2dxy +1/2(dy-dx) 利用邻近归并算法构造的系统发生树 = 5/2+(10.5-7.5)/2=4
29
5、基于特征的系统发生树构建方法
甲 节点1
乙
丙
丁
戊 节点3
节点2
根节点
根据简约位点构造系统发生树-最大简约法（maximum parsimony） 30
6、系统发生树检验-Bootstrap采样
31
Bootstrap采样分析结果
支持度 比例
32
7、分子钟检验和校正
分子钟前提：
（1）进化速率恒定 （2）每个位置最多发生一次变异 p=D/L （L：比对总位点数；D：位点不同数） 由序列比对直接估计对齐位置不一样的比例 往往低估实际发生变异个数 转换/颠换比：R>4 密码子不同位置不同突变速率 直系同源与旁系同源
《生物统计学与生物信息学》研究生课
第七章 分子进化分析
滕虎 大连理工大学生命科学与技术学院
1
人类对生命认识的历史
达尔文之前——自然神学阶段 亚里士多德：较为完善的形式 是从不完善中发展而来的。 达尔文——自然选择理论
《物种起源》——1859年 《古老的人类》——1863年 《人类的遗传》——1871年 生物进化有三个基本环节，即突 变、选择和隔离； 种群是生物进化的基本单位。
41
打开MEGA格式文件
42
利用NJ法建树
43
最终得到的系统发生树 原始树
Bootstrap检验 得到的树 数值反映了自 举检验对该部 分的支持程度
44
不同的树型
45
进化树拓扑结构调整
Root：任选一个枝条为树 根重新建立系统树 Flip：使某树干下的树结 构发生180度旋转 Swap：使某树干下树枝 顺序改变，但不改变该枝 下的相对位置
46
2、利用MEGA直接搜索数据库建树
47
输入序列 或登录号
48
49
50
51
52
比对结束
53