第五章系统发生分析

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1、第五章 系统发育分析古代古代DNADNA是指从田野考古发掘中出土的古代人 类和动物遗骸以及古生物化石中提取的古代生物分 子。随着现代生物技术、有机地球化学理论和实验 技术的不断发展，人们对古代DNA的研究也不断深 入。把古代DNA数据与现代基因库中的数据资料相 结合，便可以构建出某一生物门类的系统发育树， 从而进一步探讨人类的演化与迁移等重大问题。古分子系统学、分子系统学古分子系统学、分子系统学古生物遗体、化石保存的三种信息： 1、形态学信息 2、化学信息（生物的代谢产物和一般的生物化学分子） 3、遗传信息(保存的一级结构生物大分子,即基因产物和基因片段)分子系统学分子系统学（Molecula

2、r Systematics）：从生物大分子（氨 基酸、核苷酸）的遗传信息推断生物进化的历史，并以系统 树（谱系）的形式表达出来。古分子系统学古分子系统学：利用古代DNA保留的遗传信息进行分子系统 学研究Darwin, CharlesDarwin, Charles (1809-1882)(1809-1882) The Origin of SpeciesThe Origin of Species （18591859）化石证据化石证据(Fossil) 比较形态学证据比较形态学证据(Comparative morphology) 比较生理学证据比较生理学证据(Comparative physiolog

3、y)系统学系统学( (SystematicsSystematics) ) 分类学分类学(Taxonomy)(Taxonomy)经典的进化研究方法比较形态学证据比较形态学证据(Comparative morphology)普适性普适性由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、蛋白质结构的演化可比较性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（数学模型）蛋白质结构的演化模型（形态、性状的演化模型？）基因组编码信息的丰富基因组编码信息的丰富与形态、性状包含的信息相比，基因组序列包含更多、更 复杂的信息结构进化学的分子途径分子

4、系统发育学分子系统发育学 Molecular Molecular PhylogeneticsPhylogenetics 分子系统学分子系统学 Molecular Molecular SystematicsSystematicsWhat can we do for molecular evolution?What can we do for molecular evolution?序列比较序列比较：源于同一祖先DNA/氨基酸序列的两条DNA/氨基酸 序列，考察二者的差异。序列差异序列差异：进化过程中分子突变的痕迹分子进化分子进化：以累计在DNA/氨基酸分子上的历史信息为基础， 研究分子水平的生物

5、进化过程和机制。分子系统学为生物分类问题提供了许多崭新的见解。基因突变1、核苷酸替代、插 入/缺失、重组 2、基因转换固定在生物个体 以及物种内遗传漂变自然选择传递给后代产生新的形态、性状分子系统学是研究进化机制的一个重要工具。生物进化的分子机制性状改变DNA分子的改变核苷酸替代 substitution核苷酸缺失 deletion核苷酸插入 insertion核苷酸倒位 invertionDNADNA序列的突变序列的突变Thr Tyr Leu Leu ACC TAT TTG CTGACC TCT TTG CTGThr Ser Leu Leu替代Thr Tyr Leu Leu ACC TAT

6、TTG CTGACC TAC TTT GCT GThr Tyr Phe Ala插入Thr Tyr Leu Leu ACC TAT TTG CTGACC TAT TGC TG-Thr Tyr Cys -缺失Thr Tyr Leu Leu ACC TAT TTG CTGACC TTT ATG CTGThr Phe Met Leu倒位核苷酸替代的几种分类核苷酸替代的几种分类转换转换 （transition） 嘌呤 嘌呤 嘧啶 嘧啶颠换颠换 （transvertion） 嘌呤 嘧啶 嘧啶 嘌呤A AT TC CGG胞嘧啶腺嘌呤胸腺嘧啶鸟嘌呤 在大多数DNA片段中，转换出现的概率高于颠换出现的概率。DN

7、ADNA序列突变对氨基酸序列的影响序列突变对氨基酸序列的影响同义（沉默）替代同义（沉默）替代（synonymous / silent substitutionsynonymous / silent substitution） 仍然为同义密码子的核苷酸替代 如： TAT TACTyr Tyr非同义替代非同义替代（nonsynonymousnonsynonymous substitution substitution） 导致产生非同义密码子的核苷酸替代 如： TAT AATTyr Asn无义突变无义突变（nonsense mutationnonsense mutation） 导致产生终止密码子的核

8、苷酸突变 如： TAT TAATyr STP问题：假设所有密码子以同一概率出现，上述三种突变的比例 25%，71%，4%密码子使用频率密码子使用频率(codon usage)(codon usage)密码子使用频率的偏倚性密码子使用频率的偏倚性： 编码同一个氨基酸的多个同义密码子具有不同的使用频率。 或者某一物种或某一基因通常倾向于使用一种或几种特定的 同义密码子，这些密码子被称为最优密码子(Optimal Codon)， 此现象被称为密码子偏好性(Codon Usage bias)。 例例：E. coli的RNA聚合酶缬氨酸Val GTT GTC GTA GTG55 21 34 34精氨酸A

9、rg CGU CGC CGA CGG89 46 1 0为什么会出现密码子使用频率的偏倚性？ 与同功能tRNA的丰度有关？ 突变压力与净化选择双重控制？ Open problem第一节 基本概念基本概念： 系统发生（phylogeny）是指生物形成或进化的 历史； 系统发生学(phylogenetics)研究物种(遗传学特 征)之间的进化关系,认为特征相似的物种在遗传学 上接近.系统发生的结果常以系统发生树表示; 系统发生树（phylogenetic tree）表示形式，描 述物种(遗传学特征: 形态, 基因序列, 蛋白质序列等 等) 之间进化关系 的树，又叫系统发育树、系统演化 树、系统进化树

10、、种系发生树、演化树、进化树、系统 树 。系统发生树: 物种(遗传特征)之间的关 系;进化树: 从低等到高等, 有始有终 经典系统发生学主要是物理或表型特征如生物体的大小、颜色、触角个数即通过表型比较来推断生物体的基因型 (genotype),研究物种之间的进化关系.有时候亲缘关系远的物种也能进化出相似的表 型，所谓的趋同进化(convergent evolution)。所 以表型为依据的进化分析有时候并不正确。如是否有眼睛？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根据现有生物基因或物种多样性重建生物的进 化史是一个非常重要的问题。根据核酸和蛋白 质

11、的序列信息，可以推断物种之间的系统发生 关系。基本原理： 从一条序列变为另一条序列所需要 的变换越多，两条序列的相关性就越小,从共同 祖先分歧的时间越早，进化距离越大；反之， 两个序列越相似，它们之间的进化距离可能越 小。所有的生物都可以追溯到共同的祖先,生物的 产生和分化就象数一样地生长,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。系统发生树是一种二叉树(每个节点最多有两个 子节点)，由一系列的节点(nodes)和分支 (branches)组成，每个节点代表一个分类单元( 物种或序列), 节点之间的连线表示物种之间的 进化关系。 枝长branch length 通常代表在该

12、分 枝中曾发生过的变化数。系统树可以是有根的rooted 也可以是无根的 (unrooted). 在有根树中存在一个被称为根特殊节点由此导向 任何别的节点都只有唯一图。 每一途径中的方 向与进化时间和变异频率相对应。而根则是所有 正被研究的的共同祖先。无根树是一种只将各间 的关系具体化而未定义进化途径的树图。系统发生树性质：（1）如果是一棵有根树，则树根代表在进 化历史上是最早的、并且与其它所有分类单元 都有联系的分类单元；（2）如果找不到可以作为树根的单元，则 系统发生树是无根树；（3）从根节点出发到任何一个节点的路径 指明进化时间或者进化距离。 直系同源(orthologs): 同源的基因

13、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.直系同源与旁系同源Paralogs（ 旁系）Orthologs（直系）Paralogs旁系Orthologs直系Bacterium 1Bacterium 3Bacterium 2Eukaryote 1Eukaryote 4Eukaryote 3Eukaryote 2Bacterium 1Bacterium 3Bacterium 2Eukaryote 1Eukaryote 4Eukaryote 3Eukaryote 2Phylograms show branch order and branc

14、h lengths 进化树，有分支和支长 信息进化分支图，进化树Cladograms show branching order - branch lengths are meaningless 进化分支图，只用分支 信息，无支长信息。Rooted by outgrouparchaeaarchaeaarchaeaeukaryoteeukaryoteeukaryoteeukaryotebacteria outgrouprooteukaryoteeukaryoteeukaryote eukaryote无根树archaeaarchaeaarchaea有根树，无根树，外围群有根树外围群物种树物种树：代表

15、一个物种或群体 进化历史的系统发育树两个物种分歧的时间 ：两个物种发生生殖隔离 的时间基因树基因树：由来自各个物种的一 个基因构建的系统发育树 （不完全等同于物种树） ，表示基因分离的时间。abcdef基因分裂基因分裂基因分裂物种分裂系统发育树的种类系统发育树的种类 基因树、物种树基因树、物种树期望树期望树：一个用无限长的序列或每一 分支的期望替代数构建的树理论上：理论上：假设所研究的序列无限 长，从中随机抽样进行 统计分析。实际情况：实际情况：所研究的序列是短序列， 统计得到的替代数目存 在大量随机误差。现实树现实树：建立在实际替代数基础上 的树重建树重建树构树方法系统发育树的种类系统发育树的种类 期望树、现实树和重建树期望树、现实树和重建树第二节第二节 系统发生分析步骤系统发生分析步骤（1）序列比对 （2）确定替换模型 （3）构建系统发生树 （4）评价所建立的树两类数据： 距离： 离散特征离散特征数据可分为二态特征例如：DNA序列上的某个位 置如果是剪切位点多态特征例如：某一位置可能的碱 基有、或 系统发生树的构建方法分为两大类： 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