第七章分子系统发育分析-进化树

第七章分子系统发育分析姚正培[e-mail]本章内容引言生物进化的分子机制系统进化树及其构建分子系统发育分析软件及应用引言生物学家：Wehaveadream…TreeofLife: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?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LinusPauling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。发生在分子层面的进化过程：DNA,RNA和蛋白质分子引言分子钟成立的证据：1、至少某些生物大分子（如珠蛋白）的进化速率在相当长的地质时间内的相对稳定、均匀；2、许多不同物种的多种同源大分子在相当长时间内的平均进化速率近似恒定。建立分子钟的大致步骤1、选择所要比较的生物大分子种类根据具体研究目标和已掌握的资料，选择进化速率相对恒定、速率大小合适、分布范围能涵盖各待比较物种的生物大分子。2、选择所要比较的物种，确定各比较组合及其所代表的进化事件3、获得生物大分子一级结构的资料4、获得有关的代表性进化事件发生的地质时间数据5、通过比较大分子一级结构，选择合适的数学模型，计算得到进化产生的分子差异d，通过回归分析等统计方法得到大分子的进化速率r(t)6、由此可以推断未知进化事件的发生时间Example:Molecularclockfor17mammalspeciesInferredpairwisenucleotidesubstitutionsamong17mammalspeciesfromsevengeneproducts,asestimatedfromproteinstudies,plottedagainstdateofdivergence,asestimatedfromthefossilrecord.Thelineisdrawnfromtheoriginthroughtheoldestpoint(marsupial/placentaldivergenceat125MYBP).Thestronglinearrelationshipsuggeststhatmoleculardifferencesbetweenpairsofspeciesareproportionaltothetimeoftheirseparation,ratherthanthedegreeoforganismaldifference.Therefore,measuresofgeneticdivergencecanbeusedtodatethetimeofdivergenceforspeciespairsforwhichnofossildataareavailable:genesfunctionasMolecularClocks.(fromA.C.Wilson1976)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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、更复杂的信息结构基因变异1、核苷酸替代、插入/缺失、重组2、基因复制固定在生物个体以及物种内遗传漂变自然选择传递给后代产生新的形态、性状分子进化的模式分子进化的模式1.DNA突变：替代，插入，缺失，倒位核苷酸替代：转换(Transition)&颠换(Transversion)2.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ThrTyrLeuLeuACCTATTTGCTGACCTCTTTGCTGThrSerLeuLeu替代ThrTyrLeuLeuACCTATTTGCTGACCTACTTTGCTGThrTyrPheAla插入ThrTyrLeuLeuACCTATTTGCTGACCTATTGCTG-ThrTyrCys-缺失ThrTyrLeuLeuACCTATTTGCTGACCTTTATGCTGThrPheMetLeu倒位（1）DNA突变核苷酸替代：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（2）基因复制：单个基因复制重组逆转录（2）基因复制：染色体片段复制人狒狒（2）基因复制：基因组复制S.Cerevisiae(酿酒酵母)K.Waltii(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——0.810-9/AA.a人、鲤鱼——0.610-9/AA.a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。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。GTTGTCGTAGTGCGTCGC脯氨酸P组氨酸HTGGTGC色氨酸W半胱氨酸C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——treeoflife;物种分类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？研究分子进化的作用TreeofLife:16SrRNA研究分子进化的作用OutofAfrica53个人的线粒体基因组(16,587bp)人类迁移的路线第二节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系统进化树的构建系统进化树的概念所有生物都可以追溯到共同的祖先，生物的产生和分化就像树一样生长、分叉，以树的形式来表示生物之间的进化关系是非常自然的事。系统进化树的概念phylogenetictree/evolutionarytree系统进化树/生物进化树/系统发育树/系统发生树/系统树/进化树/演化树是表明被认为具有共同祖先的各物种相互间进化关系的树形图。系统进化树的概念——术语祖先节点/树根内部节点/分歧点，该分支可能的祖先节点分支/世系：长度对应演化距离（如估计的演化时间）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ABCDE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。ABCDE†FGFGCDE†AB系统进化树的概念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。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。旁系同源直系同源拓扑结构：有根树：反映时间顺序无根树：反映距离系统进化树的种类——有根树、无根树archaeaarchaeaeukaryoteeukaryoteeukaryoteeukaryotearchaeabacteriaoutgrouprooteukaryoteeukaryoteeukaryoteeukaryotearchaeaarchaeaarchaea外围支abcdabcdabcdadbcbacdcabddabcacbdbcadcbaddbacadbcbaaccdabdcab考虑4个分类群时，共有15种可能的有根树abcdacbdadbc考虑4个分类群时，共有3种可能的无根树#Taxa无根树有根树31343155151056105945794510,395…30~3.58X1036~2.04X1038Taxa增多，计算量急剧增加，选出真实树的拓扑结构十分困难，因此，目前算法都为优化算法，不能保证最优解。系统进化树的种类——有根树、无根树系统进化树的种类——标度树、非标度树标度树：分支的长度表示变化的程度非标度树：分支只表示进化关系，支长无意义Bacterium1Bacterium3Bacterium2Eukaryote1Eukaryote4Eukaryote3Eukaryote2Bacterium1Bacterium3Bacterium2Eukaryote1Eukaryote4Eukaryote3Eukaryote2一个单位abcdef基因分裂基因分裂基因分裂物种分裂系统进化树的种类——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。系统进化树的构建构建系统进化树的步骤构建系统进化树的方法构建进化树的一般原则构建系统进化树的步骤多序列比对（自动比对，手工校正）选择建树方法以及替代模型建立进化树进化树评估构建系统进化树的方法1.最大简约法(maximumparsimony,MP)适用序列有很高相似性时2.距离法(distance)适用序列有较高相似性时3.最大似然法(maximumlikelihood,ML)可用于任何相关序列集合计算速度：距离法最大简约法最大似然法构建系统进化树的方法——最大简约法（MP）理论基础为奥卡姆(Ockham)原则：计算所需替代数最小的那个拓扑结构，作为最优树在分析的序列位点上没有回复突变或平行突变，且被检验的序列位点数很大的时候，最大简约法能够推导获得一个很好的进化树缺点：分析序列上存在较多的回复突变或平行突变，而被检验的序列位点数又比较少的时候，可能会给出一个不合理的或者错误的进化树推导结果信息位点能将所有可能的树区别出来的位点。至少存在2个不同碱基/氨基酸且每个不同碱基/氨基酸至少出现两次的位点。构建系统进化树的方法——最大简约法（MP）上例1.Position5,7,9为信息位点2.基于position5的三个MP树:Tree1长度1，Tree2&3长度23.Tree1更为简约：总长：4Tree2长5；Tree3长64.计算结果：MPtree的最优结果为tree1构建系统进化树的方法——距离法又称距离矩阵法，首先通过各个物种之间的比较，根据一定的假设（进化距离模型）推导得出分类群之间的进化距离，构建一个进化距离矩阵。进化树的构建则是基于这个矩阵中的进化距离关系。构建系统进化树的方法——距离法简单的距离矩阵由进化距离构建进化树的方法有很多，常见有：(1)Fitch-MargoliashMethod(FM法):对短支长非常有效(2)Neighbor-J