分子进化分析
分子演化中的模型和分析方法
分子演化中的模型和分析方法分子演化是一门研究生命进化的科学领域，它具有极其重要的意义。
在生命的长河中，从单细胞生命到如今高度复杂的生态系统，进化一直是一个贯穿其中的主题。
而分子演化正是通过研究DNA、RNA以及蛋白质等生命分子的演化过程，来考察生命进化的机理以及各种生命形式之间的亲缘关系。
本文就来探讨一下分子演化中的模型和分析方法。
一、分子演化的重要性分子演化研究的对象是生命分子（DNA、RNA、蛋白质），通过对它们在演化过程中的改变进行分析，可以了解不同生命形式之间的分类关系、进化历史、起源及其形成机制等。
同时，分子演化还可以通过相关的实验手段来研究某些与生命进化相关的基本活动，例如突变、选择等等。
分子演化的重要性在于它可以帮助我们更好地理解生命的演变过程，为我们探索生命的起源提供了新的思路和证据。
二、分子演化中的模型分子演化常常利用数学模型来模拟各种演化过程，这些模型是建立在分子遗传学和计算机模拟的基础上的。
模型的选择主要依据研究对象、问题目标以及样品数据等多方面因素，下面就简单介绍几种常见的模型。
1. JC模型：JC模型是简约的Kimura 2-parameter模型，是在Kimura 2-parameter模型的基础之上对A-T和G-C碱基偏差进行了修正。
它是最简单的进化模型，其假设是四种碱基互相独立，变化概率相同。
2. K2P模型：K2P模型是另一种基础的进化模型。
它对碱基之间的转换分为两类：转换和转换。
这个模型假设磷酸胺基（Purine, P）和嘌呤醚基（Pyrimidines, Y）的变化率不同。
3. HKY模型：HKY模型是一个基于Kimura 2-parameter模型而演化而来的模型，它的特点是着重考虑了不同碱基的多种转换率，它可以用来考虑碱基的不同转化率和显性和隐性位点所带来的影响。
三、分子演化中的分析方法在分子演化的研究中，有多种分析方法可以用来探讨不同个体间的进化关系。
序列分析四一一分子进化系统发生分析
2. 考虑编码区的DNA序列的进化演变模型； 3. Jukes-Cantor法与Kimura两参数法
1. 对于两条长度为n的DNA序列，不同的碱基对为nd; 2. 核苷酸的改变p：转换P、颠换Q，则：p=P+Q
Ka：非同义替代； Ks：同义替代； 序列上所有可能的同义位点(S)和非同义位点(N)，通 过双序列比对发现存在突变的同义位点(Sd)和非同 义位点(Nd)，定义：
Ka / Ks (Nd / N ) /(Sd / S)
Ka/Ks含义
1. Ka/Ks ~ 1: 中性进化； 2. Ka/Ks << 1: 阴性选择，净化选择； 3. Ka/Ks >> 1: 阳性选择，适应性进化。 4. 多数基因为中性进化，约1%的基因受到阳
进化树的可靠性分析: 自展法（Bootstrap Method）
1. 从排列的多序列中随机有放回的抽取某一序列， 构成新的排列序列；
2. 重复上面的过程，得到多组新的序列； 3. 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。
4. 氨基酸与DNA的进化 距离
B. 第二位：阴性进化；
C. 第三位：阴性进化占小部分，中性进化占大部 分；
编码区 & 密码子: 推论
1. 密码子第三位的碱基出现概率接近基因组 序列的碱基频率；
2. 第二位的碱基出现频率与基因组序列的碱 基频率相差最大。
11个细菌基因组与密码子三个位置上 的GC含量的关系
细菌基因组的 GC含量： 25%~75%
单一位点也不提供任何MP信息。
生物学中的分子进化分析技术
生物学中的分子进化分析技术生物学是研究生命的科学，研究的内容涉及到从细胞到有机体，甚至到群体的方方面面。
在生物学研究中，分子进化分析技术起到了至关重要的作用。
本文将从基本概念、方法原理、应用和发展趋势等方面来讲述分子进化分析技术的研究现状和未来发展方向。
一、基本概念进化是生物学中的重要概念之一，是指基因型和表型频率的改变，是生物体适应环境的结果。
分子进化是对分子层次上的遗传信息进行分析和研究的过程。
分子进化分析技术是应用分子生物学、生物化学、数学及计算机科学等多学科知识和方法，对生命物质分子的进化历程进行分析比较的一种技术。
分子进化分析技术的基础是分子谱系学理论，该理论认为分子系统发生进化比群体或物种层次更快、更敏感。
分子进化分析技术是通过比较分子序列或结构，推导出不同物种、亚种和个体之间的亲缘关系和起源历史。
二、方法原理分子进化分析技术的方法利用了生物大分子的基本特性，包括DNA、RNA和蛋白质等。
其中DNA序列比较是最常用的方法。
DNA序列是透露一个物种遗传信息的重要手段，是研究物种间亲缘关系、进化起源和种群生态历史的重要工具。
所谓的DNA序列比较，就是将不同物种、亚种、个体等的DNA序列进行同源性比较，从而推断它们的遗传差异，进而推断这些生物种群之间的演化关系。
DNA序列比较是通过计算DNA序列之间的差异数和变异的位置来判断两个物种之间的遗传距离，并进行类似“家谱”的分类分析。
此外，还有蛋白质序列比较、蛋白质结构比较、单核苷酸多态性分析等方法。
这些方法的基本原理都与DNA序列比较类似，只是应用范围和分析内容有所不同。
三、应用分子进化分析技术应用广泛，从基础研究到应用研究都有重要意义。
在分类学上，分子进化分析技术的应用可以协助系统分类学的研究。
在构建物种的分类树上，可以清晰地看到不同的动物类之间的区别。
这可用于研究各种动物的起源、演化途径以及相关进化时间和起源地点等方面。
在生物学发育和进化的研究中，分子进化分析技术也是重要的一部分。
第四章 分子进化分析
1.2.3 最大似然法（ML）
最大似然法(maximum likelihood,ML) ML对 系统发育问题进行了彻底搜查。ML期望能够 搜寻出一种进化模型（包括对进化树本身进 行搜索），使得这个模型所能产生的数据与 观察到的数据最相似.
进化模型可能只是简单地假定所有核苷酸（或 AA）之间相互转变的概率相同，程序会把所有 可能的核苷酸轮流置于进化树的内部节点上， 并且计算每个这样的序列产生实际数据的可能 性（比如两个姊妹群都有核苷酸A，那么如果 假定原先的核苷酸C得到现在的A的可能性比起 假定原先就是A的可能性要小得多），所有可 能性的几率被加总，产生一个特定位点的似然 值，然后这个数据集的所有比对位点的似然值 的加和就是整个进化树的似然值。
2.选择适当的分析方法 如你分析的是DNA数据，可以选择简约法 （DNAPARS），似然法（DNAML， DNAMLK）， 距离法等（DNADIST）。。。 3.进行分析 选择好程序后，执行，读入分析数据，选 择适当的参数，进行分析，结果自动保存为 outfile，outtree。
Outfile是一个记录文件，记录了分析的 过程和结果，可以直接用文本编辑器（如写 字板）打开。 Outtree是分析结果的树文件，可以用 phylip提供的绘树程序打开查看，也可以用 其他的程序来打开，如treeview。
paralogs
orthologs
1.1.2 类
群
祖先类群(ancestral group):如果一个类群（物种）至少有一 个子裔群，这个原始的类群就称为祖先类群 单系类群（monophyletic group）包含一个祖先类群所有子裔 的群组称为单系类群，其成员间存在共同祖先关系 并系类群（paraphyletic group）和复系类群(polyphyletic group)：不满足单系类群要求，各成员间又具有共同祖先特征 的群组称为并系类群；各成员不具有共同衍生特征也不具有共 同祖先特征，只具有同型特征的分类群组称为复系类群 内类群（ingroup）：一项研究所涉及的某一特定类群可称为内类 群
分子进化分析讲解
—— 寻找这棵正确的树
+ 分子进化分析介绍 + 系统发育树重建方法 + 常用分子进化与系统发育分析的软件
选择数据（核酸/蛋白质，外围支） 多序列比对（自动比对，手工比对）
选择建树方法及取代模型 建立进化树 进化树评估
+ 从多重序列比对到构建进化树有多种算法， 可分两大类：
+ 基于距离的方法
– Tree 1长4，Tree 2& 3长2
+ 同理，综合所有信息位点：
– Tree 1长4，Tree 2长5，Tree 3长6
+ 计算结果：MP tree的最优结果为Tree 1
+ 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 阵中的进计化算距序离列关的距系离，建立距离矩阵
– 首先通过各个序列之间的比较，根据一定的假 设（进化距离模型）推导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。
+ 基于特征的方法
– 不计算序列之间的距离，而是将序列中有差异 的位点作为单独的特征，并依据这些特征来建
+ 基于距离的方法
– 非加权分组平均法（UPGMA） – 最小近乎距离(ME) – 邻近法(NJ)
真细菌 真核生物
古生菌
随着距非洲距离越来越长， 遗传多样性的衰退程度， 正好沿着人类早期迁徙的 路线慢慢增大。
53个人的线粒体基因组 (16,587bp)
非洲人相对其他大陆上的 人类在基因上极为多样化
人类迁移的路线
一、系统发育树（Phylogenetic tree）
分子遗传学和分子进化的基本原理和方法学分析
分子遗传学和分子进化的基本原理和方法学分析Introduction分子遗传学(molecular genetics) 和分子进化学(molecular evolution)是现代生物学的两个重要分支，它们的研究范围和方法都围绕着分子水平。
分子遗传学研究基因的结构、功能和调控机制，而分子进化学研究物种间的分子进化关系和分子演化机制。
本文将对分子遗传学和分子进化学的基本原理和方法论进行分析。
基本原理分子遗传学和分子进化学都是以DNA为研究对象的。
DNA的核心结构是由碱基，糖和磷酸分子构成的链状分子。
在DNA中，四种碱基(Adenine, Thymine, Cytosine和Guanine)按照特定的规律配对，形成了DNA双螺旋结构。
每个碱基通过一个糖分子连接到DNA链，而每个糖分子通过磷酸分子连接到相邻两个糖分子。
这种结构使得DNA可以复制，使得遗传信息在父代和子代之间传递。
分子遗传学研究的是基因在分子水平上的机制。
标准的遗传学方法中，基因通常被定义为编码特定蛋白质的DNA序列。
分子遗传学在这个基础上，开展了更深入的研究，探究了DNA修饰，RNA加工，基因表达调控等多个方面。
例如，分子遗传学家可以通过测量不同基因的表达量，了解特定基因的功能（例如，在生长和发育中哪些基因是活跃的？人类与其他动物基因组的区别在哪里？）。
分子遗传学还提供了许多生物学实践和应用的工具，如基因编辑技术和基因测序技术等。
分子进化学和分子遗传学有一些共同的研究对象，但其研究目的不同。
分子进化学几乎是从分子遗传学中发展出来的，用于研究DNA序列是如何演化的。
它的目的是描述物种间DNA序列的静态和动态的进化关系，包括DNA突变的产生和积累，以及遗传信息在物种间的转移。
分子进化学是分子生物学与进化生物学的交叉领域。
分子进化学家主要研究的是 DNA 长度、序列比较、分子钟现象等生物学现象。
方法学分析分子基因学和分子进化学都是基于分析DNA序列进行研究的。
生物的分子进化与系统发育学
生物的分子进化与系统发育学生物的分子进化与系统发育学是一门研究生物进化过程以及生物种类之间关系的学科。
它通过对生物的分子遗传物质（如DNA、RNA和蛋白质）进行研究，揭示了生物种类的起源和进化历程，并为生物分类和系统发育提供了重要依据。
本文将从分子进化和系统发育两个方面来探讨生物的分子进化与系统发育学。
一、分子进化1. DNA序列分析DNA是生物遗传信息的载体，通过对DNA序列的比较和分析，可以推测物种的亲缘关系和进化历史。
例如，比较不同物种的DNA序列，可以计算出它们之间的遗传距离，从而判断它们的亲缘程度。
同时，DNA序列的碱基组成和变异情况也能揭示生物的进化过程。
2. 蛋白质序列比较蛋白质是生物体内重要的功能分子，不同物种的蛋白质序列差异可以反映它们的进化关系。
通过比较蛋白质序列的同源性，可以推断物种之间的相似性和差异性，进一步揭示它们的进化途径和演化过程。
二、系统发育1. 系统发育树系统发育树是研究生物种类关系的重要工具。
通过对不同物种的分子数据进行分析，可以构建系统发育树，揭示物种之间的进化关系。
系统发育树可以有不同的构建方法，如最大简约法、邻接法等，每种方法都可以提供不同的进化关系图。
2. 分子钟分子钟是一种通过分子数据估算物种分化时间的方法。
它基于遗传变异的推移速率，根据物种的分子特征，估算出不同物种之间的分化时间。
分子钟为研究生物种类的起源和进化历程提供了重要依据。
综上所述，生物的分子进化与系统发育学通过对生物遗传物质进行研究，揭示了生物种类的起源、进化历程以及物种之间的进化关系。
通过分析DNA和蛋白质序列，可以推断物种的亲缘关系和进化途径；通过构建系统发育树和使用分子钟，可以揭示物种之间的进化时间和分化关系。
生物的分子进化与系统发育学在生物分类、物种演化和保护生物多样性等领域具有重要应用价值。
生物信息学在分子进化中的应用研究
生物信息学在分子进化中的应用研究生物信息学是一门结合生物学、计算机科学和数学等学科的交叉领域，旨在利用计算机和信息技术来处理生物学实验数据和理论研究，以更深入地了解生物体系的结构和功能，进而应用于医学、农业、工业等领域。
在分子生物学和生物进化学中，生物信息学有着广泛的应用，尤其是在分子进化学中，它的应用研究更是日渐深入。
本文将从分子进化的基础知识入手，探讨生物信息学在分子进化中的应用研究。
一、分子进化的基础知识进化是生物学中的一个关键概念，它是指物种的特征随着时间的推移而发生变化，从而形成新的物种。
分子进化是进化研究的一个分支，它研究的是生物体内分子所发生的变化。
在分子进化学中，主要使用的分子是DNA和蛋白质，因为它们是生物体内的基本分子，其变化可以反映生物体系发生的进化事件。
分子进化的核心理论是演化树，也称作系统发育树或进化树。
演化树是一种用图形化、树状的方式描述不同物种或种群之间进化关系的方法。
它通过生物分子序列的比较，来推测物种之间的近缘关系和进化历史。
演化树的节点表示着共同祖先，唯一的祖先到现在每个物种间的距离表示了它们在进化上的差异程度。
二、生物信息学在分子进化中的应用1、分子进化分析生物信息学被广泛应用于分子进化分析，主要是通过组成各种格式的生物分子序列的比较和构建演化树来研究物种之间的进化关系和进化历史。
分子进化分析中最常用的比较对象是DNA序列和蛋白质序列。
DNA序列的比较可以揭示出生物间的进化关系，包括物种间演化历史、基因家族的起源以及基因本身的起源和演化。
常用的DNA序列比较算法有多序列比对和序列同源性搜索等，这些算法可以将DNA序列的结构和特征与其他物种进行比较，并找出两者之间的相似性和差异。
蛋白质序列的比较则可以推测出分子间的演化历史，揭示出不同的分子结构和功能上的特异性。
常用的蛋白质序列比较算法有比对和聚类等，这些算法可以帮助我们确定蛋白质序列的相似性和差异性，推测分子之间的进化关系，并根据进化树来重建分子的初始状态。
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16S rRNA
1）rRNA具有重要且恒定的生理功能； 2）在16SrRNA分子中，既含有高度保守的序列区域，又有中度 保守和高度变化的序列区域，因而它适用于进化距离不同的 各类生物亲缘关系的研究； 3）16SrRNA分子量大小适中，便于序列分析；
4）rRNA在细胞中含量大(约占细胞中RNA的90%)，也易于提取；
分子进化的模式
(1) DNA突变的模式：替代，插入，缺失，倒位 (2) 核苷酸替代：转换 (Transition) & 颠换 (Transversion) (3) 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
分子进化的理论基础
• 2. 比较形态学和比较生理学：确定大致的进化 框架 但是细节存很多的争议
生物进化研究方法
• 3. 分子进化（ molecular evolution ）
研究生物大分子(如核酸和蛋白质 分子)的进化速率、模式及机制的理论
分子进化
1964年，Pauling等提出分子进化理论：
(1) 生命起源：有机分子由简单向复杂演变 (2) 生物进化：构成生物体的生物大分子如蛋白质、 核酸的演变。
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、蛋白质 序列包含更多、更复杂的信息结构
分子进化的研究方法
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：进化过程中分子突变的痕迹 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进化过程和机制。
根
末端 物种 顶端 叶子
中间节点 中间枝条
节点
一个系统发育树
系统发育树的术语
代表最终分类，可 以是物种，群体或 者蛋白质、DNA、 RNA分子等
系统发育树的术语
• 系统发育树是一种二叉树。由一系列节点（nodes） 和分支（branches ）组成，其中每个节点代表一 个分类单元（物种或序列），而节点之间的连线 代表物种之间的进化关系。 • 树的节点又分为外部节点（terminal node）和内部 节点（internal node）。外部节点代表实际观察到 的分类单元。内部节点又称为分支点，代表分类 单元进化历程中的祖先。
生物信息学
第六章 分子进化分析
主讲：涂昀
重庆大学生物工程学院
18世纪之前，神创论和物种不变论。 18世纪，相信物种是变化的。拉马克用环境作用的影响、 器官的用进废退和获得性的遗传等原理解释生物进化过程， 创立了第一个比较严整的进化理论。
1859年达尔文发表《物种起源》，论证了地球上现存的生 物都由共同祖先发展而来，并提出自然选择学说以说明进化 的原因，从而创立了科学的进化理论。 20世纪30年代，综合进化论，综合了细胞遗传学、群体遗 传学以及古生物学等学科的成就，进一步发展了进化理论。
分子进化钟：某一蛋白在不同物种间的取代数与所研
究物种间的分歧时间接近正线性关系，进而将分子水 平的这种恒速变异称为“分子钟”。
中性学说：突变大多数是中性的, 中性突变通过随机
的遗传漂变在群体里固定下来, 分子进化是遗传漂变的 结果, 在分子进化上自然选择不起作用。
分子进化的研究目的
(1) 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 ——生 命树，物种分类
(2) 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，进行大分子功能预测
(3) 进化速率分析：例如，HIV的高突变性，哪些位 点易发生突变？
作为进化标尺的 生物大分子的选择原则
1）在所需研究的种群范围内，它必须是普遍存的。 2）在所有物种中该分子的功能是相同的。
基本假设：核苷酸和氨基酸序列中含有生物进化历 史的全部信息 意义：分子进化的研究可以为生物进化过程提供佐 证，为深入研究进化机制提供重要依据。
分子进化
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（数学模型） 蛋白质结构的演化模型
20世纪60年代末，分子进化中性学说，认为种内和种间大 多数可见差异是适合度很小的随机突变的固定所决定的。
生物进化
《The Origin of Species》 （1859）
Darwin, Charles (1809-1882)
生物进化研究方法
• 1. 化石证据：理想但是零散、不完整
生NA序列在物种形成或基因复制时， 分裂成两个子序列，因此系统发育树一般是二叉的。 一般考虑二叉的树结构：二叉树
拓扑结构： 有根树：反映时间 顺序
3）为了鉴定大分子序列的同源位置或同源区，要求所 选择的分子序列必须能严格线性排列，以便进行进 一步的分析比较。
4）分子上序列的改变（突变）频率应与进化的测量尺 度相适应。
大量的资料表明：功能重要的大分子、或者大分子中功能重要 的区域，比功能不重要的分子或分子区域进化变化速度低。
16S rRNA被普遍公认为 是一把好的谱系分析的 “分子尺”
人类迁移的路线
53个人的线粒体基因组(16,587bp)
非洲人相对其他大陆上的 人类在基因上极为多样化
系统发育树 （Phylogenetic tree）
系统发育树
对一组实际对象的世系关系的描述（如基因，物种等）。
末端分支
用一种类似树状分支的 图形来概括各种（类）生 物之间的亲缘关系 通过比较生物大分子序 列差异的数值构建的系统 树称为分子系统树
5）16SrRNA普遍存在于真核生物和原核生物中(真核生物中其同 源分子是18SrRNA)。因此它可以作为测量各类生物进化的工具。
(1) Tree of Life: 16S rRNA
真菌 古生菌
真核生物
Out of Africa
随着距非洲距离越来越长， 遗传多样性的衰退程度，正 好沿着人类早期迁徙的路线 慢慢增大。