生物竞赛-生物信息学部分-分子进化树
系统进化树的解读
系统进化树的解读
系统进化树，也称为分子进化树，是生物进化研究中的一个重要工具。
它通过分析不同生物的基因或蛋白质序列，揭示了生物之间的亲缘关系和进化顺序。
系统进化树的基础是假设所有生物都共享一个共同的祖先，并且随着时间的推移，这个祖先的子孙后代发生了分歧和变化。
这些变化体现在他们的基因或蛋白质序列上，因此可以通过对这些序列进行分析，来构建一个表示生物进化历程的树形图。
解读系统进化树需要一定的专业知识。
首先，你需要了解树中的各个物种是如何被分类的，以及它们在进化树中的位置。
这通常需要参考一些专业的生物学资料或数据库。
其次，你需要理解树中的分支长度和分支角度的含义。
分支长度通常表示从一个共同祖先到两个物种之间的进化距离，而分支角度则表示了这些物种之间的亲缘关系。
例如，如果两个物种在树的同一分支上，说明它们之间的亲缘关系较近；如果它们在不同的分支上，则说明它们之间的亲缘关系较远。
此外，你还需要考虑树的可靠性。
一些因素，如样本数量、采样范围和数据质量等，都会影响树的可靠性。
因此，解读系统进化树时需要谨慎对待，避免过度解读或误
导。
总的来说，系统进化树是一种强大的工具，可以帮助我们理解生物之间的亲缘关系和进化历程。
然而，解读系统进化树需要一定的专业知识和谨慎的态度。
只有这样，我们才能从这些树中获取准确的信息，并对生物进化有更深入的理解。
生物信息学进化树
生物信息学进化树进化树是生物信息学中的一项重要工具，用于揭示生物物种之间的进化关系。
通过分析不同物种的基因组序列，可以推断它们之间的亲缘关系和进化历史。
进化树可以帮助我们了解生物的演化过程，揭示不同物种的共同祖先以及它们之间的分支关系。
在构建进化树的过程中，首先需要收集各个物种的基因组数据。
这些数据可以是DNA序列、蛋白质序列或其他形式的生物分子序列。
然后，通过比较这些序列之间的相似性和差异性，可以计算出它们之间的进化距离或相似性分数。
接下来，利用计算机算法可以根据这些进化距离或相似性分数构建进化树。
常见的算法包括最大简约法、邻接法和最大似然法。
这些算法会根据进化距离或相似性分数来确定物种之间的分支关系，从而构建出一棵树状图。
进化树的树枝代表物种的分支演化，而树叶代表当前的物种。
树枝的长度通常表示进化时间的长短，较长的树枝表示较早的分支，较短的树枝表示较晚的分支。
进化树的形态可以有很多种，例如二叉树、无根树和有根树等。
通过观察进化树，我们可以了解到不同物种之间的共同祖先以及它们之间的分支关系。
进化树的分支点代表物种的分裂事件，分支越早代表物种差异越大，分支越近代表物种差异越小。
进化树还可以显示出一些重要的进化事件，例如物种的起源、灭绝、迁移和适应等。
进化树在生物分类学、系统发育学和进化生物学等领域有着广泛的应用。
它可以帮助科学家研究物种的起源和演化过程，揭示生物多样性的来源和演变规律。
进化树还可以用于判断物种的分类和命名，帮助我们更好地理解和研究生物界的多样性。
近年来，随着高通量测序技术的发展，获得大规模的基因组数据变得越来越容易。
这使得构建进化树变得更加准确和可靠。
同时，生物信息学的快速发展也为进化树的构建提供了更多的工具和方法。
例如，基于分子标记的进化树、基于基因组的进化树和基于大数据的进化树等。
生物信息学进化树是一种重要的工具，可以帮助我们揭示生物物种之间的进化关系和演化历史。
通过构建进化树，我们可以了解到不同物种之间的共同祖先以及它们之间的分支关系。
分子进化树构建方法
MP法建树流程
Sequence1 Sequence2 Sequence3
Sequence4
Position 1
Position 1 2 3 T G C T A C A G G A A G
If 1 and 2 are grouped a total of four changes are needed.
5
genetic change
系统发生树术语
Rooted tree vs. Unrooted tree
无 A 有 根 根 树 B 树 two major ways to root trees:
A
10 3 2 5
C D
By midpoint or distance
d (A,D) = 10 + 3 + 5 = 18 Midpoint = 18 / 2 = 9
Distance Uses only pairwise distances Minimizes distance between nearest neighbors Very fast Easily trapped in local optima Good for generating tentative tree, or choosing among multiple trees Maximum parsimony Uses only shared derived characters Minimizes total distance Maximum likelihood Uses all data Maximizes tree likelihood given specific parameter values Very slow Highly dependent on assumed evolution model Good for very small data sets and for testing trees built using other methods
生物进化树怎么分析？
生物进化树（Phylogenetic tree）用于描述不同物种之间的进化关系和亲缘关系。
分析生物进化树可以帮助我们理解物种的演化历史和形成过程。
以下是分析生物进化树的一般步骤：
1. 收集数据：首先，收集相关物种的形态特征、遗传信息或分子序列数据。
这些数据可以包括形态特征的测量值、DNA 或蛋白质序列等。
2. 构建数据矩阵：将收集到的数据转化为一个数据矩阵，每行代表一个物种，每列代表一个特征或基因。
3. 选择进化模型：选择合适的进化模型来描述物种之间的进化过程。
不同的模型适用于不同类型的数据，例如形态数据、DNA序列或蛋白质序列。
常用的模型包括最大似然法、贝叶斯推断等。
4. 构建进化树：使用进化模型和数据矩阵来构建进化树。
构建进化树的方法包括邻接法、最小演化法、最大似然法、贝叶斯推断等。
这些方法根据不同的原理和假设来计算物种之间的进化关系。
5. 评估进化树：通过计算进化树的可靠性指标来评估树的准
确性。
这可以包括计算节点的支持值（如Bootstrap值）或进行统计模拟。
6. 解读进化树：根据构建的进化树，可以对物种之间的进化关系进行解读。
进化树提供了关于物种的共同祖先、形态特征的演化和物种分类等信息。
值得注意的是，生物进化树的构建是一个复杂的过程，涉及到数据收集、模型选择和数据分析的多个环节。
因此，对于具体的研究目的，可能需要结合专业知识和相应的软件工具来进行生物进化树的分析。
生物信息学-第四章-多序列比对与分子进化分析
Clustal使用方法
Clustal：目前被最广泛应用的 MSA 方法
可在线分析
可在本地计算机运行 序列输入、输出格式
Input FASTA
NBRF/PIR EMBL/SWISSPROT ALN GCG/MSF GCG9/RSF GDE
>sequence 1 ATTGCAGTTCGCA … … >sequence 2 ATAGCACATCGCA… … >sequence 3 ATGCCACTCCGCC… …
10 3 2 5
C B
2
D
outgroup 外群、外围支
系统发育树构建步骤
多序列比对（自动比对、手工校正）
最大简约法 (maximum parsimony, MP) 距离法 选择建树方法（替代模型） (distance) 最大似然法 (maximum likelihood, ML) 贝叶斯法 (Bayesian inference) UPGMA
多序列比对的应用： •系统发育分析(phylogenetic analysis) •结构预测(structure prediction) •序列基序鉴定(sequence motif identification) •功能预测(function prediction) ClustalW/ClustalX：一种全局的多序列 比对程序，可以用来绘制亲缘树，分析进化 关系。 MEGA5——分子进化遗传分析软件
比对参数设置
两两比对参数
多序列比对参数
点击进行多序列比对
比对结果 “*”、“:”、“.” 和空格依次代表改位点的序列一致性由高到低
第四步：比对完成，选择结果文件的保存格式
可进一步对排列好的序列进行修饰（1）
从DNA序列到分化时间——进化树与分子钟
从DNA序列到分化时间 ——进化树与分子钟
博士研究生 张金龙
2010-1-29
报告内容
一 DNA序列 二 序列比对 三 碱基替换模型及其筛选 四 进化树的构建 五 树的可信度 Bootstrap 六 分子钟
2010-1-29
从DNA序列到分化时间
从DNA序列到分化时间 24
碱基替换模型
n n
General Time Reversible model (GTR) 是所有碱基替换模型中考虑参数最多的，之前的 模型都可以看做GTR模型的特例。 实际的碱基比例是不等的（两两之间），两两之 间的替换率也是不等的，而所有这些参数的均已 经以整合到GTR模型中。
n物种数, t进化树的数目
2010-1-29 从DNA序列到分化时间 34
n
进化树数量随物种数增加的变化 自 A.Stamatakis 2007
从DNA序列到分化时间 35
2010-1-29
建立进化树的软件
n n n n n n
PHYLIP 距离法、极大似然法等 PAUP* 最大简约法、极大似然法、距离法等 MrBayes 贝叶斯法 PHYML 极大似然法（大样本量） RAMxL 极大似然法 （大样本量） MEGA 距离法、极大似然法等
从DNA序列到分化时间 4
2010-1-29
3. 各种进化树 (自N. Nikolaidis）
2010-1-29 从DNA序列到分化时间 5
一 DNA序列
DNA序列
n n n n n n
由ATCG四个碱基组成，一般从其3’端作为起始。 一个基因的长度在几百到几千个bp(碱基对)不等。 现有的序列可在NCBI 检索，下载。 NCBI National Center for Biotechnology Information
生物信息学原理题库
一、关于BLAST简述BLAST搜索的算法思想。
答：BLAST是一种局部最优比对搜索算法，将所查询的序列打断成许多小序列片段，然后小序列逐步与数据库中的序列进行比对，这些小片段被叫做字”word”；当一定长度的的字（W）与检索序列的比对达到一个指定的最低分（T）后，初始比对就结束了；一个序列的匹配度由各部分匹配分数的总和决定，获得高分的序列叫做高分匹配片段（HSP），程序将最好的HSP双向扩展进行比对，直到序列结束或者不再具有生物学显著性，最后所得到的序列是那些在整体上具有最高分的序列，即，最高分匹配片段（MSP），这样，BLAST 既保持了整体的运算速度，也维持了比对的精度。
BLAST套件的blastn、blastp、blastx、tblastn和tblastx子工具的用途什么？答：blastn是将给定的核酸序列与核酸数据库中的序列进行比较；Blastp是使用蛋白质序列与蛋白质数据库中的序列进行比较，可以寻找较远的关系；Blastx将给定的核酸序列按照六种阅读框架将其翻译成蛋白质与蛋白质数据库中的序列进行比对，对分析新序列和EST很有用；Tblastn将给定的氨基酸序列与核酸数据库中的序列（双链）按不同的阅读框进行比对，对于寻找数据库中序列没有标注的新编码区很有用；Tblastx只在特殊情况下使用，它将DNA被检索的序列和核酸序列数据库中的序列按不同的阅读框全部翻译成蛋白质序列，然后进行蛋白质序列比对BLAST中，E值和P值分别是什么，它们有什么意义？•答：BLAST中使用的统计值有概率p值和期望e值。
• E期望值(E-value)这个数值表示你仅仅因为随机性造成获得这一比对结果的可能次数。
这一数值越接近零，发生这一事件的可能性越小。
从搜索的角度看，E值越小，比对结果越显著。
默认值为10，表示比对结果中将有10个匹配序列是由随机产生，如果比对的统计显著性值(E值)小于该值(10)，则该比对结果将被检出，换句话说，比较低的E值将使搜索的匹配要求更严格，结果报告中随机产生的匹配序列减少。
生物竞赛-生物信息学部分-分子进化树
三种不同的Homologs
基因平移与网状树
越来越多的细菌和动植物的基因测试显示，基因并不是简单遗传给 生命树上的个别枝条，它们还在物种之间以不同的进化路径转换，其结 果是一个杂乱无章的“生命网”。
水平基因转移是指在不同生物个体间或单个细胞内部细胞器之间， 遗传物质的交流。早在1993 年，就有生物学家提出细菌的基因排序不 是树状，而是网状。1999年，美国《科学》杂志发表言论说：“生命 进化树并不是真实存在于自然界中的，而是人类用来规划自然界的一个 理论。”但是，有研究者运用更多的研究捍卫达尔文的观点，认为所谓 网状的进化论是理想化、不切实际的想法。
有根树与无根树
有根树反映了树上物种或者基因进化的时间顺序,通过分 析有根树的树枝的长度，可以了解不同的物种或者基因以什么 方式和速率进化。
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。
做有根树需要指定outgroup。所谓outgroup，就是你所分
通析的过东外西类之外群的一个group。比如你分析人类的不同人种，就 来选总个之确c保h定i证mp树它an在根ze你e，要你分要析分的析gr哺ou乳p之动外物，，但就又选不个太鳄远鱼就乌行龟了之。类，将
达尔文与《进化论》
达尔文主义
优胜劣汰，适者生存理论： 生物都有繁殖过剩的倾向，而生存空间和食物是有限的，所以生物必须
“为生存而斗争”。在同一种群中的个体存在着一定程度的变异，那些具有能 适应环境的有利变异的个体将存活下来，并繁殖后代，并把有利变异遗传给后 代，不具有有利变异的个体就被淘汰。如果自然条件的变化是有方向的，则在 历史过程中，经过长期的自然选择，微小的变异就得到积累而成为显著的变异。 由此可能导致亚种和新种的形成。以长颈鹿为例：一群长颈鹿，脖子长长短短 的都有，但自然环境中较低处的树叶都吃完了，只有那些脖子长的能够到更高 处叶子的鹿才能吃饱并繁衍后代，而那些脖子不够长的饿死了，也就没有了后 代。
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这篇文章是作者专门用于反对造物主理论和智能设计论的。
拉马克主义
用进废退论： 拉马克（1744-1829）认为，生物经常使用的器官会逐渐发达，不使用的器
官会逐渐退化。拉马克认为用进废退这种后天获得的性状是可以遗传的，因此 生物可把后天锻练的成果遗传给下一代。如长颈鹿的祖先原本是短颈的，但是 为了要吃到高树上的叶子经常伸长脖子和前腿，通过遗传而演化为现在的长颈 鹿。又例如上一代是为举重选手，则子代应遗传得自父母之强健肌肉。
达尔文与牛顿谁更牛？
如何研究进化史
1. The most authentic evidences are fossils! But fossils are scattered, not complete, not systematic.
2. Comparative morphology and comparative anatomy: to determine general framework of evolution; many details are controversial.
✓ Paralogs: Paralogs are homologues separated by a duplication event, meaning that within a genome, a gene was duplicated. One of the duplicates may have kept the original function while the other duplicate could have acquired a new function.
如何研究进化史
3. Computational molecular evolution: phylogenetic tree. ✓ Linus Pauling advanced the theory of molecular evolution in 1964. ✓ To investigate phylogenetic relationship between species, based on some certain molecular characteristics across these species. ✓ Evolution process happened on the level of molecules: DNA, RNA and protein. ✓ Basic assumptions: 1) Nucleic acid sequences and protein sequences contain all information of evolutionary history of species; 2) Molecular clock: the rate of evolutionary change (the number of amino acid differences) of a certain protein was approximately constant over time and over different lineages. => The more similar two homologous proteins are, the closer they are to their common ancestor.
“blind as a mole”
“giraffe‘s long neck”
“birds have noamarck (1744-1829)
拉马克主义
推翻拉马克主义： 德国的魏斯曼把老鼠尾巴都切断后，再让其互相交配来产生子代，而生出
来的结果也依旧都是有尾巴的。再将这些没有尾巴的子代互相交配产生下一代， 而下一代的老鼠也仍然是有尾巴的。他一直这样重复进行至第二十一代，其子 代仍然是有尾巴的。
达尔文与《进化论》
达尔文主义
优胜劣汰，适者生存理论： 生物都有繁殖过剩的倾向，而生存空间和食物是有限的，所以生物必须
“为生存而斗争”。在同一种群中的个体存在着一定程度的变异，那些具有能 适应环境的有利变异的个体将存活下来，并繁殖后代，并把有利变异遗传给后 代，不具有有利变异的个体就被淘汰。如果自然条件的变化是有方向的，则在 历史过程中，经过长期的自然选择，微小的变异就得到积累而成为显著的变异。 由此可能导致亚种和新种的形成。以长颈鹿为例：一群长颈鹿，脖子长长短短 的都有，但自然环境中较低处的树叶都吃完了，只有那些脖子长的能够到更高 处叶子的鹿才能吃饱并繁衍后代，而那些脖子不够长的饿死了，也就没有了后 代。
支持拉马克主义： 水生的雄蟾蜍都有一个黑色指垫，陆生的没有。奥地利的卡姆梅勒强迫陆
生的产婆蟾在水中生活，繁殖了几代之后绝种了，但是在绝种之前，雄蟾蜍据 称长出了黑色指垫，而且一代比一代更明显。他为了拉到资助，周游列国到处 演讲。1923年，他带着产婆蟾标本去英国演讲，引起了遗传学家贝特森的怀疑。 1926年，美国自然历史博物馆和维也纳大学检查他的产婆蟾标本，发现所谓 “黑色指垫”乃是用黑墨水涂上去的。一个多月后卡姆梅勒开枪自杀，留下一 封遗书，声称他是无辜的，是另外有人在他不知道的情况下造假。
三种不同的Homologs
✓ Orthologs: They’re separated by speciation — is the phenomenon during which a common ancestor gives birth to two subgroups that slowly drift away from their common genetic makeup to become distinct species. Orthologs usually have similar functions and structure.