分子进化与系统发育分析剖析
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➢第三种方案：分子进化
1964年，美国进化生物学家 E. Zuckerkandl和 量子 化学家Linus Pauling提出分子进化理论
基本假设
– 核酸和蛋白质序列中含有生物进化历史的全部信息
理论
– 分子进化速率恒定。 – 分子钟：物种的同源基因之间的差异程度与它们的共同祖
先的存在时间(即两者的分歧时间)有一定的数量关系。
引言
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
引言
梦想走进现实：How?
➢最理想的方法：化石！—— 零散、不完整
引言
梦想走进现实：How?
➢比较形态学和比较生理学：确定大致的进化框 架 —— 细节存很多的争议
引言
梦想走进现实：How?
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？
Tree of Life: 16S rRNA
Out of Africa
53个人的线粒体基因组(16,587bp)
➢定量描述；
同源性 (Homology)
➢两个基因或蛋白质序列具有共同祖先的结论； ➢定性判断；
相似不一定同源,同源不一定相似。 氨基酸序列相似性超过30%,很可能同源。
序列同源性模型中的进化假设
所有的生物都起源于同一个祖先；
序列不是随机产生，而是在进化上，不断 发生着演变；
基本假设：
序列保守性
结构保守性
来自百度文库
生物进化理论
达尔文进化论：
➢进化：变异的遗传 ➢自然选择：解释为何演变发生的机制
种群中个体变异的遗传学基础：孟德尔遗传
➢孟德尔豌豆实验：杂交的表现特征是基因表达 的结果，而不是基因杂交遗传
中性进化论：并非所有种群中保留下来的 突变都由自然选择所形成；大多数突变是中 性或接近中性，不妨碍种群的生存与繁衍。
直系同源物 vs. 旁系同源物
paralogs
orthologs
异源基因或水平转移基因
xenologous or horizontally transferred genes
同源性与相似性
相似性 (Similarity)
➢序列比对过程中用来描述检测序列和目标序列 之间相似DNA碱基或氨基酸残基序列所占比例；
1.3分子进化的特点
生物大分子进化速率相对恒定
分子进化速率 生物大分子随时间的改变而变化，主要表现为核苷酸、蛋
白质的一级结构的改变，即分子序列中核苷酸、氨基酸的替换
不同物种同源大分子的分子进化速率大体相同 例子：比较不同物种血红蛋白氨基酸序列差异
人、马——0.810-9/AA.a 人、鲤鱼——0.610-9/AA.a
发生在分子层面的进化过程：DNA, RNA和蛋白质分 子
生物进化的分子机制
1.1分子途径研究生物进化的可行性
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
注意：反之未必
序列保守性
结构保守性
1.5 密码子偏好及分析
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;
替代
插入
缺失
倒位
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
基因复制：单个基因复制
重组 逆转录
基因复制：染色体片段复制
狒狒 人
基因复制：基因组复制
酿酒酵母
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
DNA突变的模式：替代，插入，缺失，倒位； 核苷酸替代：转换（嘌呤-嘌呤） (Transition)
& 颠换 （嘌呤-嘧啶）(Transversion) 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
DNA突变的模式
➢蛋白质结构的演化模型
基因组包含丰富的编码信息
➢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
1.2分子进化的模式
1、核苷酸替代、插 入/缺失、重组 2、基因复制
基因变异
遗传漂变 自然选择
固定在生物个体 以及物种内
产生新的形态、性状
传递给后代
1.2 分子进化的模式
分子进化速率远远比表型进化速率稳定
生物大分子进化的保守性
保守性
功能上重要的大分子或大分子的局部在进化速率上明显低于那些在功 能上不重要的大分子或者大分子局部。
（引起表型发生显著改变的突变发生的频率要低于无明显表型发生显 著改变得突变发生的频率。）
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。
分子进化与系统发育分析
本章内容
引言
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 ➢ 密码子偏好及分析 ➢ 氨基酸序列的进化演变
系统进化树及其构建
➢ 系统进化树的概念 ➢ 系统进化树的种类 ➢ 系统进化树的构建
分子系统发育分析软件介绍
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。
脯氨酸 PGT
TGCGAGTTT G
组氨酸 H
CG TCGC
TGG TGC
色氨酸 W 半胱氨酸C
1.4 研究分子进化的作用
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
人类迁移的路线
同源物定义
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。常常具有 不同功能。
Xenolog (异系同源物)：由某一个基因水平转移 事件而得到的同源序列。水平转移的基因功能主 要根据在前后宿主中变化而确定，然而功能却常 常相似。
1964年，美国进化生物学家 E. Zuckerkandl和 量子 化学家Linus Pauling提出分子进化理论
基本假设
– 核酸和蛋白质序列中含有生物进化历史的全部信息
理论
– 分子进化速率恒定。 – 分子钟：物种的同源基因之间的差异程度与它们的共同祖
先的存在时间(即两者的分歧时间)有一定的数量关系。
引言
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
引言
梦想走进现实：How?
➢最理想的方法：化石！—— 零散、不完整
引言
梦想走进现实：How?
➢比较形态学和比较生理学：确定大致的进化框 架 —— 细节存很多的争议
引言
梦想走进现实：How?
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？
Tree of Life: 16S rRNA
Out of Africa
53个人的线粒体基因组(16,587bp)
➢定量描述；
同源性 (Homology)
➢两个基因或蛋白质序列具有共同祖先的结论； ➢定性判断；
相似不一定同源,同源不一定相似。 氨基酸序列相似性超过30%,很可能同源。
序列同源性模型中的进化假设
所有的生物都起源于同一个祖先；
序列不是随机产生，而是在进化上，不断 发生着演变；
基本假设：
序列保守性
结构保守性
来自百度文库
生物进化理论
达尔文进化论：
➢进化：变异的遗传 ➢自然选择：解释为何演变发生的机制
种群中个体变异的遗传学基础：孟德尔遗传
➢孟德尔豌豆实验：杂交的表现特征是基因表达 的结果，而不是基因杂交遗传
中性进化论：并非所有种群中保留下来的 突变都由自然选择所形成；大多数突变是中 性或接近中性，不妨碍种群的生存与繁衍。
直系同源物 vs. 旁系同源物
paralogs
orthologs
异源基因或水平转移基因
xenologous or horizontally transferred genes
同源性与相似性
相似性 (Similarity)
➢序列比对过程中用来描述检测序列和目标序列 之间相似DNA碱基或氨基酸残基序列所占比例；
1.3分子进化的特点
生物大分子进化速率相对恒定
分子进化速率 生物大分子随时间的改变而变化，主要表现为核苷酸、蛋
白质的一级结构的改变，即分子序列中核苷酸、氨基酸的替换
不同物种同源大分子的分子进化速率大体相同 例子：比较不同物种血红蛋白氨基酸序列差异
人、马——0.810-9/AA.a 人、鲤鱼——0.610-9/AA.a
发生在分子层面的进化过程：DNA, RNA和蛋白质分 子
生物进化的分子机制
1.1分子途径研究生物进化的可行性
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
注意：反之未必
序列保守性
结构保守性
1.5 密码子偏好及分析
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;
替代
插入
缺失
倒位
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
基因复制：单个基因复制
重组 逆转录
基因复制：染色体片段复制
狒狒 人
基因复制：基因组复制
酿酒酵母
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
DNA突变的模式：替代，插入，缺失，倒位； 核苷酸替代：转换（嘌呤-嘌呤） (Transition)
& 颠换 （嘌呤-嘧啶）(Transversion) 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
DNA突变的模式
➢蛋白质结构的演化模型
基因组包含丰富的编码信息
➢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
1.2分子进化的模式
1、核苷酸替代、插 入/缺失、重组 2、基因复制
基因变异
遗传漂变 自然选择
固定在生物个体 以及物种内
产生新的形态、性状
传递给后代
1.2 分子进化的模式
分子进化速率远远比表型进化速率稳定
生物大分子进化的保守性
保守性
功能上重要的大分子或大分子的局部在进化速率上明显低于那些在功 能上不重要的大分子或者大分子局部。
（引起表型发生显著改变的突变发生的频率要低于无明显表型发生显 著改变得突变发生的频率。）
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。
分子进化与系统发育分析
本章内容
引言
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 ➢ 密码子偏好及分析 ➢ 氨基酸序列的进化演变
系统进化树及其构建
➢ 系统进化树的概念 ➢ 系统进化树的种类 ➢ 系统进化树的构建
分子系统发育分析软件介绍
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。
脯氨酸 PGT
TGCGAGTTT G
组氨酸 H
CG TCGC
TGG TGC
色氨酸 W 半胱氨酸C
1.4 研究分子进化的作用
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
人类迁移的路线
同源物定义
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。常常具有 不同功能。
Xenolog (异系同源物)：由某一个基因水平转移 事件而得到的同源序列。水平转移的基因功能主 要根据在前后宿主中变化而确定，然而功能却常 常相似。