生物信息学系统发育分析

物种分化
动物祖先中发生基因复制，
产生A和B两个同源基因
生物信息学
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Orthology, paralogy and proposed classification for paralog subtypes
[ Erik L.L. Sonnhammer & Eugene V. Koonin. TiG 18, 2002 ] “Koonin_2002_TIG_Orthology_paralogy.pdf” 课程页面下载
生物信息学
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2. 序列比对
只有正确的比对结果才会/能推出正确的系统发育。错误的比 对结果会导致最后发育树在分类上的错误，甚至是整个树的 错误。
多序列比对的结果应该进行检验并找出一个最合理的结果。 序列自动比对的结果通常会存在错误，应该进行进一步的编 辑或是进行提炼。
对这些同源分子的序列进行多序列比对(multiple sequences alignment), 截取比对的最好的区域作为物种的代表序列。
生物信息学
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小结(一)
一般情况下， 若有合适模型，ML的效果较好； 远缘序列，一般使用NJ或ML；但是对相似度很低的序列，
NJ 往往出现 Long-branch attraction（LBA，长枝吸引现 象），有时严重干扰进化树的构建。 贝叶斯的方法能得出最好的树，但是太慢。
对于近缘序列的大系统发育，通常用 NJ (P 距离法)，结 果相同，时间少。
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实例操作，请见上机ppt
1. cGAS protein sequences -> test.fa file
和《多序列比对》章节同一个FASTA文件
2. 多序列比对
ClustalX -> test.aln, test.dnd 3. 建树
Mega -> .meg, .nwk, .emf, .tiff
[ Erik L.L. Sonnhammer & Eugene V. Koonin. TiG 18, 2002 ] “Koonin_2002_TIG_Orthology_paralogy.pdf” 课程页面下载
物种分化
HA*
orthologs
WA*
Yeast 基因和 所有的 human/worm基 因是直系同源 关系
生物信息学
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What phylogeny?
生物信息学
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系统发育 phylogeny – 生物形成或进化的历史
系统发育学 phylogenetics – 研究物种之间的进化 关系
系统发育树 phylogenetic tree – 描述物种之间进 化关系的树
生物信息学
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系统发育树
系统发育树就是一个用来表示一组对象之 间进化关系的树形结构。分有根(rooted)和 无根(unrooted)树。
[ Erik L.L. Sonnhammer & Eugene V. Koonin. TiG 18, 2002 ]
paralogs paralogs
物种分化
物种分化
动物祖先中发生基因复制，
产生A和B两个同源基因
生物信息学
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The recombination problem
(many to many relationship)
若序列相似度高，各种方法均不错。
生物信息学
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小结(二)
NJ 和 ML需要选择模型。(Nei) 以经验来说，
对于蛋白质的序列，一般选择Poisson Correction（泊松修正）模型。 对于核酸序列，一般选择Kimura 2-parameter（Kimura-2参数）模型。 不推荐初学者使用其他复杂的模型。
表明这个位置的branch分叉成两个子 branches的可信度；一般认为Boostrap value>70是可靠的；或者说这个位置出现 这样的分叉，在进化上是稳定的。
生物信息学
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系统发育树中常用软件比较介绍
生物信息学
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多序列比对的软件
ClustalX/W Tcoffee Mafft Proscons MUSCLE MAUVE, LAGAN, etc (Genome alignment) …
生物信息学
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Kumar lab@Temple university
http://www.kumarlab.net/
生物信息学
38wk.baidu.com
Mega 界面
生物信息学
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Draw tree 树的可视化软件
常用软件
MEGA
TreeView
http://taxonomy.zoology.gla.ac.uk/rod/treeview.html
genomics, Functional genomics,
Structural genomics, Metagenomics
生物信息学
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系统发育的重要性
研究物种的进化历史 进化树的研究有助于基因功能的研究；基
因功能的预测可由基因的进化史中提炼出 来。 进化树的研究有助于了解病毒的起源、病 毒传播的方式。
系统发育分析
Phylogenetics
生物信息学
内容
系统发育的介绍 方法综述（序列比对，构树方法） 树的构建-MEGA 树的可视化 实例操作
生物信息学
2
Why phylogeny?
生物信息学
3
Species tree 物种树：研究物种的进化历史
生物信息学
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Gene tree 基因树
速度快 ……
生物信息学
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http://evolution.genetics.washington.edu/phylip/software.html
生物信息学
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Mega
Latest version Mega X
http://www.megasoftware.net/
生物信息学
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Useful guides: how to use Mega
生物信息学
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How phylogeny?
生物信息学
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进化树的构建
基本思想:
物种内同功能生物分子（如蛋白质或核酸分 子）的相似程度越高，则物种的亲缘关系越 近。
具体步骤:
生物信息学
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1. 选择“特征分子”。原则是：a. 各个物种都有 的同源分子，b. 进化速率适当；
2. 对这些同源分子的序列进行多序列比对(multisequences alignment)，截取比对的最好区域 作为物种的代表序列；
FigTree (Editable) http://tree.bio.ed.ac.uk/software/figtree/
iTOL
http://itol.embl.de/
生物信息学
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Published trees
Circle 圆形的
Rectangular 矩形的
Radiation
生物信息学 辐射状的
基因复制
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。
物种分化
生物信息学
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物种分化
基因a的系统发育树
a1
a a2
a1_species1 a1_species2
orthologs
a2_species1 a2_species2
orthologs
生物信息学
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Orthology, paralogy and proposed classification for paralog subtypes
生物信息学
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常用进化分析软件
PHYLIP：发布早，使用广泛 MEGA: 图形化界面，方便初学者使用 PAUP*: 商业软件 MrBayes: 能得出最可靠的树，但速度很慢 PAML: 不太合适构建进化树，但用于计算进化距离，替代
速率等，基于已知的进化树 PHYML: 常用ML算法软件，近似的最大似然法，耗时少，
如果基因树中的某种分支方式被序列中大多数的位点支持， 则从大多数自举样本得来的基因树会包含同样的分支方式。
high bootstrap value
但如果支持某种分支方式的位点数相对较少，则来自许多
自举样本的基因树将不包括这种分支方式。 low
bootstrap value
生物信息学
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统计值 Bootstrap value:
Bootstrap必选。一般Bootstrap的值>70，则认为构建的进化树较 为稳定。如果Bootstrap的值太低，则有可能进化树的拓扑结构 有错误，进化树是不稳定的。
一般推荐用两种不同的方法构建进化树，如果所得到的进化树类 似，则结果较为可靠。
生物信息学
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5. 自展-Bootstrap
4. Edit tree (本课程不讲授)
.nwk => Figtree 专业的系统发育树编辑软件 .emf => Canvas 适量图作图软件
生物信息学
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掌握内容
直系同源（orthologs）和旁系同源 （paralogs）的概念，并能根据基因的系统 发育树进行判断。
列举多序列比对、构建系统发育树、树的 可视化相关的软件或工具。
HA* WA*
co-orthologs:
[ HA* <-> WA* ] also called lineage-specific expansions of paralogous families.
orthologs
物种分化
物种分化
动物祖先中发生基因复制，
产生A和B两个同源基因
生物信息学
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Orthology, paralogy and proposed classification for paralog subtypes
有根树反映了树上物种或基因的时间顺序 无根树只反映分类单元之间的距离而不涉及谁
是谁的祖先问题。
生物信息学
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无根树
有根树
生物信息学
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直系同源与旁系同源
直系同源(orthologs):从共同的祖先基因进化而产生的 不同物种中的同源基因；
旁系同源(paralogs):同源的基因是由于基因复制产生的。
自展检验：用来推断树可靠性的检验。
Felsenstein (1985)提出
自展检验是放回式抽样统计法的一种，通 过对数据集多次重复取样，构建多个进化 树，用来检查给定树的分枝可信度。
生物信息学
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生物信息学实验
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Bootstrap步骤
通过随机选择位点,从实际数据中构造出100个（或者1000 个乃至更多）多序列比对的数据集，每个数据集构建一颗 基因树。自举抽样是以放回式抽样的方式进行的。
生物信息学
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系统发育的重要性
Nothing in biology makes sense except in the light of evolution.
------ Theodosius Dobzhansky
基于系统发育分析的研究在生命科学领域 越来越重要。
Evolutionary genomics, Comparative
在大多数情况下，通过蛋白质序列研究要比 用核酸序列研究要好，因为蛋白质序列含有 更多相对保守的序列
生物信息学
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1. 选择特征分子
由于蛋白质序列由20种氨基酸组成，而核 酸序列是由4种核酸组成，因此蛋白质序列 的比对比DNA序列的比对更灵敏。
大多数情况下以蛋白质为基础的发育树比 以DNA为基础的发生树更恰当。
生物信息学
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3. 计算距离
本课程不讲授 与构建系统发育树的具体方法所
涉及到的算法有关。
生物信息学
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4. 目前构建进化树的方法
主要有： 基于距离的方法
最小进化法 (ME) 邻接法（NJ） 类平均法（UPGMA）
基于性状的方法
最大简约法（MP） 最大似然法（ML）
贝叶斯方法 Bayesian method
Gene duplication, gene loss, gene conversion (基因 转换), and horizontal gene transfer (水平基因转移).
Multidomain (多结构域) proteins: partial homology
基因转换: The replacing of a block of DNA from one gene with the homologous residues in its paralog.
理解Bootstrap值的含义。
3. 按某种方法，算出代表序列两两之间的差异度
4. 基于这些差异度，绘制系统发育树
5. 对系统发育树进行可信度检验(自展值， bootstrap)
生物信息学
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1. 选择特征分子
既可以用核酸序列又可以用蛋白序列
主要取决于序列的性质和研究的目的 核酸的分子钟速度快，适宜分析近缘种间的
进化
蛋白质进化缓慢，适于研究远源种间的系统 关系。