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1、浅谈系统发育分析及进化树制作 郭勇晖2012 11 6 人类偏肺病毒的确认 PhylogeneticanalysisofORFsofhMPV 黄病毒家族 乙型脑炎病毒 黄热病毒 PhylogeneticanalysisofSARSproteins Unrootedphylogenetictreesweregeneratedbyclustalw 30MAY2003VOL300SCIENCE 1399 1404 SARS新型冠状病毒 新 在哪里 达卡尔蝙蝠黄病毒 2 分子系统发育分析 系统发育分析是研究物种进化和系统分类的一种方法 研究对象为携带遗传信息的生物大分子序列 采用特定的数理统计算法来计
2、算生物间的生物系统发生的关系 并用系统进化树来概括生物间的这种亲缘关系 3 系统发育进化树 Phylogenetictree 用一种类似树状分支的图形来概括各种生物之间的亲缘关系 系统进化树的主要构成 结点 node 每个结点表示一个分类单元 属 种群 进化分枝 Clade 是指由同一生物进化而来的单一系统群 实体抽象为节点 实体间的进化关系抽象为连接研究对象 包括基因序列 基因组的排列方式 二级结构 编码的蛋白序列及高级结构等研究意义 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 分子系统发育的核心是 构建系统发育进化树 分子系统发育分析 4 人 猩猩 狒狒 外群 分支长
3、度 根 进化支 结点 系统发育进化树示例 结点 表示一个分类单元 进化支 两种以上生物 DNA序列 及其祖先组成的树枝 进化分支 进化关系的图形表示进化分支长度 用数值表示的进化枝的变化程度 遗传距离 距离标尺 生物体或序列之间差异的的数字尺度 根 所有分类的共同祖先 外群 一个或多个无可争议的同源物种 与分析序列相关且具有适当的亲缘关系 距离标尺 一个单位 系统进化树 0 5 5 系统进化树 6 黄病毒家族 黄热病毒 达卡尔蝙蝠黄病毒 基因树和物种树 基因树 genetree 当一个系统进化树是根据某一个基因数据构建而来的 称为基因树 因为这种树代表的仅仅是单个基因的进化历史 而不是它所在物
4、种的进化历史 物种树 speciestree 反映物种之间真实进化关系的系统进化树被称为物种树 例如一项关于植物进化的研究中 用了100个不同的基因来构建物种树 联系 虽然基因树不能等同于物种树 但基因树的分支形式能够反映物种的进化历史 病毒比较简单 遗传多态性较弱 一般而言结构蛋白基因构建的基因树最能接近物种树表达的进化关系 7 物种树 基因树 8 人类偏肺病毒的确认 9 SARS 新 型冠状病毒 10 找到建树目的基因 基因组 进行多序列比对 选择建树方法 建立进化树 进化树评估 系统发育树构建分析步骤 11 Distance basedmethods基于距离的方法Unweightedpa
5、irgroupmethodusingarithmeticaverage UPGMA 非加权分组平均法Minimumevolution ME 最小进化方法Neighborjoining NJ 邻位归并法Character basedmethods基于特征的方法Maximumparsimony MP 最大简约法Maximumlikelihoodmethod ML 最大似然法计算速度距离法 最大简约法 最大似然法 系统发育树构建的基本方法 12 基于距离的方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
6、进化距离关系 基于特征的方法不计算序列间的距离 而是将序列中有差异的位点作为单独的特征 并根据这些特征来建树 系统发育树构建的基本方法 13 系统发育树构建的分析过程 14 ClustalX 序列比对软件 Modeltest MrModeltest 碱基替换模型筛选软件 PHYLIPMEGAPHYMLPAUPBEASTFigtree 树形显示软件 TreeView 树形显示软件 系统发育树构建软件 系统发育树构建的相关软件 15 用截然不同的距离矩阵法与简约法分析一个数据集 如果能够产生相似的系统发生树 这样的树可以认为是可靠的用Bootstrap 自展法 检验 系统发育树构建的评估 16 从
7、排列的多序列中随机有放回的抽取某一列 构成相同长度的新的排列序列重复上面的过程 得到多组新的序列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一般Bootstrap重复取样次数要大于100 一般文章要求1000 根据每个分支在不同此取样时出现的频率赋予该分支一个百分比 如果严格根据统计学概念 该百分比要大于95 采认为该分支的较为可信 在实际应用中该值大于75 就认为可信 细菌等相似度更大的分类中 大于50 就可以认为可信 Bootstrap 自展法 17 A 重新取样 100 1000time 123451001 ATCTG A2 ATCTG C3 ACTTA
8、C4 ACCTA T 123451001 AATTT T2 AATTT G3 AACTT T4 AACTT T11244x 123451001 TTTAT T2 TAACC G3 TAACC T4 TGGGA T47789 x 123451001 AGGTA T2 AGGAC G3 AAAAC A4 AAAGG C15578 x Bootstrap 自展法 18 B 每组取样重建进化树 123451001 AATTT T2 AATTT G3 AACTT T4 AACTT T11244x 123451001 TTTAT T2 TAACC G3 TAACC T4 TGGGA T47789 x 12
9、3451001 AGGTA T2 AGGAC G3 AAAAC A4 AAAGG C15578 x Sp1 Sp2 Sp3 Sp4 Sp1 Sp2 Sp3 Sp4 Bootstrap 自展法 19 C 计算各分支出现的可信度 Sp1 Sp2 Sp3 Sp4 Sp1 Sp2 Sp3 Sp4 Sp1 Sp2 Sp3 Sp4 67 100 In67 ofthedatasets thesplitbetweenSP1 SP2andtherestofthetreewasfound Bootstrap 自展法 20 得到CA16VP1序列 利用MEGA软件进行处理和分析序列 1 用MEGA软件对多序列进行比
10、对 建立MEGA软件构建进化树的数据格式 两端对齐 fasta格式输出 2 用N J法构建基因进化树 3 对所构建的进化树进行加工处理 实例讲解 建立肠道病毒CA16VP1的基因树 21 实例讲解 建立肠道病毒CA16VP1的基因树 22 2020 4 4 23 实例讲解 建立肠道病毒CA16VP1的基因树 24 实例讲解 建立肠道病毒CA16VP1的基因树 25 实例讲解 建立肠道病毒CA16VP1的基因树 26 实例讲解 建立肠道病毒CA16VP1的基因树 27 实例讲解 建立肠道病毒CA16VP1的基因树 28 实例讲解 建立肠道病毒CA16VP1的基因树 29 实例讲解 建立肠道病毒C
11、A16VP1的基因树 30 实例讲解 建立肠道病毒CA16VP1的基因树 31 实例讲解 建立肠道病毒CA16VP1的基因树 32 实例讲解 建立肠道病毒CA16VP1的基因树 33 实例讲解 建立肠道病毒CA16VP1的基因树 34 实例讲解 建立肠道病毒CA16VP1的基因树 35 实例讲解 建立肠道病毒CA16VP1的基因树 36 实例讲解 建立肠道病毒CA16VP1的基因树 37 38 39 体会 1 用什么方法建树 2 定立标准 想建成什么样的树 树的分类情况如何 标准是什么 3 建树过程 要注意标准株的组合 所构建的树是否需要有根 如何定立外群 40 2 定立标准 Feb 2010 JCM2010 619 622 Apr 2011 JCM2010 1659 1661 41 3 建树过程 42 谢谢 距离没有意义 系统进化树 43 怎样确定树根 无根树 只表明序列间的差异 有根树 表明序列间的差异 同时表明进化的方向 系统进化树 44 2020 4 4 45
