分子进化分析讲解
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
生物学中的分子进化生物学作为一门科学，一直以来都受到广泛的关注。
我们从进化角度来讲，生物学进化的研究实质上就是研究生命形态上的改变过程。
而分子进化则是进化研究中最重要的一个方面。
本文将着重探讨分子进化的相关问题。
1. 分子进化的定义分子进化是指利用分子生物学的方法来研究生物学上的进化。
具体而言，它是研究基因或蛋白质在进化过程中的变化和分布的科学。
分子进化的内容主要包括分子遗传学、生物化学和计算机技术等方面。
2. 分子进化的研究内容分子进化主要研究的对象是基因与基因编码蛋白质的序列，以及非编码区域的序列变化。
这些序列的遗传变异可以分为两种类型，即点突变和插入/删除突变。
其中点突变是基本的遗传变异，在基因演化过程中非常常见。
这类变异包括碱基转化（即一个核苷酸被代替为另一个核苷酸）、碱基转换（即一个嘌呤被替换为另一个嘌呤或一个嘧啶被替换为另一个嘧啶）、以及小型插入/删除的变异。
而插入/删除突变则是较少见的遗传变异，它们一般与转座子、基因组复制等相关事件同时发生。
3. 分子进化的意义分子进化的研究对于生命进化史的研究提供了有力的工具和证据。
通过比较不同物种的分子序列，可以建立物种间的进化关系。
这种进化关系可以用于推断物种的进化历史，并产生生物分类学、生态学等领域的科学启示。
此外，通过研究分子演化机制，我们还可以了解基因和蛋白质的功能演化和分子结构的演化规律。
这些研究不仅有助于我们更好地了解生命本身的进化机制和遗传学规律，也可以为人类的生存和疾病治疗提供新的思路。
4. 分子进化的方法和技术分子进化研究的方法和技术主要包括分子克隆、分子杂交、PCR、DNA测序、蛋白质测序、基因芯片技术等。
其中分子克隆和PCR技术是研究基因序列的重要方法，它们可以在分子水平对基因进行克隆和扩增。
蛋白质测序则可以为研究蛋白质结构和功能的演化提供必要的实验手段。
5. 分子进化的趋势与展望随着DNA测序技术的不断发展和高通量技术的普及，分析基因组、转录组和蛋白质组的研究将变得更加容易。
分子进化分析
外围群
Monophyletic group(单源群)
有根树
root
eukaryote eukaryote eukaryote eukaryote
Monophyletic group
4.基因树，物种树
Gene tree a A B
Species tree
b
D c We often assume that gene trees give us species trees
Phylip软件包介绍
Phylip是目前最广泛使用的系统发生分析程序， 主要包括一下几个程序组：分子序列组，距离 矩阵组，基因频率组，离散字符组，进化树绘 制组。
Phylip软件包分组介绍
分子序列组： 1.蛋白质序列：protpars，proml，promlk， protdist 2.核酸序列：dnapenny，dnapars， dnamove，dnaml，dnamlk， dnainvar，dnadist，dnacomp
1、专性胞内菌Rickettsia核心基因进化机制
2、蓝藻二元信号转导中的环化酶进 化机制
3、蓝藻限制性修复系统进化机制
4、苏云金芽孢杆菌杀虫蛋白进化机 制
5、SARS进化机制
此部分供同学们自学
常见的分子进化分析程序
1.Phylip
由华盛顿大学遗传学系开发，是一个免费的系统发育分析 软件包，可以通过以下地址下载。 /phylip.html 2. PAUP*
分子进化研究的基础（实际）
虽然很多时候仍然存在争议，但是分子进化确
实能阐述一些生物系统发生的内在规律。
分子钟理论
从一个分歧数据可以推测其他
y 序列分歧度
x
分歧时间
ma分子进化基础PPT课件
-
▪ 基因型的适合度fitness ，通常用w 表示，是一个关 于该个体的生存和增殖能力的尺度，不过由于一个 群体的大小通常受其所处环境的负载容量限制，所 以某一个体的进化成功不是由其绝对适合度 absolute fitness 而是由其与群体中其他基因型相比 的相对适合度(relative fitness)所决定的。
▪ 点阵法 ▪ 顺序距离法
-
How do you extract this information from an alignment?
-
Figure 21.4
-
3.4 核苷酸替换数的间接估计
▪ 在估计两序列间核苷酸替换数方面最完全的 解决可通过比较它们的核苷酸顺序而得到。 不过替换数也可从其他类型的分子数据，象 限制酶图谱或者DNA-RNA杂交得到的数据， 间接地推断出来。
▪ 对于一个要增加频率的突变型等位基因来说，必须是某 些因子而不是突变来掺入作用，这些因子包括自然选择、 随机遗传漂变、重组和迁徙。
▪ 为了认识进化的过程我们必须研究以上因子是如何影响
-
等位基因频率的变化的。
▪ 本书里我们只讨论自然选择和随机遗传漂变, 在涉及形态学性状的经典进化研究中自然选 择被看成是进化的主要驱动力量。
-
▪ 前20 年时间里关于中性突变假说的激烈争论给分 子进化带来了很大影响。
▪ 首先，它导致了在考虑分子变化的进化动力学时随 机漂变的作用不容忽视这一点得到普遍承认。
分子进化学研究分子演化和分化的原理和机制
分子进化学研究分子演化和分化的原理和机制随着科技的不断发展，研究分子进化的方法和手段也在不断更新和改进。
分子进化学是研究基因在不同时间和不同物种间的演化和分化的学科，可以在遗传育种、生命起源、基因治疗等方面发挥重要作用。
本文将介绍分子进化学研究分子演化和分化的原理和机制。
一、分子演化的原理在遗传学中，分子演化是指在基因组尺度上进行的遗传信息变异和演化的过程。
分子演化研究的主要分子技术手段是基因测序，通过对DNA和蛋白质序列的测定，可以探究不同物种之间的分子变异和演化情况。
分子演化的原理来源于基因突变和选择压力。
基因突变是指DNA序列中的突然变异，由于突变存在随机性和多样性，所以被认为是驱动分子演化的重要原因。
然而，基因突变并不是单纯的随机过程，其发生的频率和方向也会受到选择压力的影响。
选择压力是指环境和遗传机制对基因变异的选择和筛选，可以使得基因的相对频率发生变化。
具体来说，对某个基因的选择压力取决于该基因对个体在某种环境下的生存和繁殖的作用。
例如，一个基因使得某种动物在寒冷的环境中更容易生存和繁殖，那么在这种环境下这个基因的频率就会逐渐增加。
二、分子分化的机制分子分化是指在分子水平上，不同种群和亚种群之间在基因组等位基因频率和序列基因型上发生差异的过程。
在生物多样性研究中，分子分化常被用于解释和比较不同物种之间的进化关系、群体分化和分布范围等问题。
分子分化的机制是多样和复杂的，其涉及到分子遗传学、种群遗传学和生态学的知识。
以下是几种常见的分子分化机制。
1. 遗传漂变遗传漂变（genetic drift）是指由于随机性和样本大小等影响，在相对较小的种群中，基因组等位基因频率的发生随机变化的现象。
遗传漂变不受选择压力的影响，而是由于无规律地产生和消失等原因造成。
2. 基因流基因流（gene flow）是指由于生物个体之间的迁移和基因交流，导致不同种群或亚种群之间的基因组等位基因频率发生变化的过程。
序列分析四一一分子进化系统发生分析-62页PPT文档资料
最大简约法利用的是信息位点，所谓信息位点就 是指能由位点产生的突变数目把一棵树与其它树区分 开来的位点。
信息位点必须是至少存在2种不同碱基且每种碱 基至少出现两次的位点。
根据信息位点可构建不同的拓扑进化树，对所有 可能的拓扑结构进行最小核苷酸替换数总和的计算， 算出所需替代数最小的那个拓扑结构，作为最优树。
A 4T
A2
AA
5 G
CA
36G
1. Position 5, 7, 9为信息位点；
2. 基于position 5的三个MP树: Tree 1长度是1，Tree 2和Tree 3的长度是2；
3. Tree 1更为简约：总长：4； Tree 2长5；Tree 3长6；
4. 计算结果：MP tree的最优结果为Tree 1.
4.2 DNA的演化距离
1. 基因组上存在着多种多样的DNA区域，例 如蛋白质编码区，非编码区，内含子，侧翼 区，重复片断以及插入序列等；
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
树。
缺点：巨大的计算量 优点：具有很好的统计学理论基础，在当样本量很
大的时候，似然法可以获得参数统计的最小方差。 只要使用了一个合理的、正确的替代模型，最大 似然法可以推导出一个很好的进化树结果。
最大似然法（ML）的创始人 ————杨子恒
2019年英国皇家科学院，大陆旅 英学者中获此殊荣的第一人，现 为伦敦大学学院统计遗传学教授。 出生在甘肃定西地区的通渭县， 1980年他考进甘肃农业大学，学 的是畜牧专业，“误入”生物领 域。后来在北京农业大学读研究 生时，选择了与数学关系密切的 统计遗传学。
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。
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—— 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）
+ 系统发育树：描述一组对象进化历史的一 种图表。
et
and likelihood methods for molecular
data.)
软件名称
网址
说明
MOLPHY PAML PUZZLE
http://www.ism.ac.jp/soft 日本国立统计数理研究所开发。(Carrying out
通过距离矩阵建进化树
简单的距离矩阵
通过矩阵建树的方法 由进化距离构建进化树的方法有很多，常见有：
◆ Fitch-Margoliash Method（FM法）:对短支长非常有效 ◆ Neighbor-Joining Method (NJ法/邻接法): 求最短支长，最
通用的距离方法 ◆ Unweighted Pair Group Method (UPGMA法)
+ 有三种基本的表示方法：
+ 进化分支树（Cladogram）：展示了分类单 元之间的家系关系，但没有任何时间和分 歧程度。即无支长信息。
+ 加性树（additive tree）：除了展示家系关 系，用分支长度度量进化分歧。
– 分支长度的单位是任意的，与位点变异数成比 例。
+ 等距离树: 除了加性树的属性外，它假设所 有分3 支有同样的变异速率（分子钟）。
http://phylogeny.arizona.ed
Tree of Life u/tree/program/program.htm Arizona大学开发的软件
l
美国宾州州立大学Masatoshi Nei开发
MEGA
http://www.megasoftware.n (It carries out parsimony, distance matrix
/phylip.ht ml
2. PAUP* 最早是在苹果机上开发的具有菜单界面的进 化分析软件，早先版本只有MP法，后续版本 已经包括距离法和ML法，现今有mac，win， linux等多种版本，该软件不是免费软件。
软件名称
网址
说明
eukaryote
bacteria outgroup
archaea archaea archaea
Monophyletic group(单源支)
eukaryote eukaryote
eukaryote eukaryote
Monophyletic group
如何确定树根？
引入外围支(Outgroup)辅助定位树根。
+ 分类单元：用来构建系统发育树的对象。
– 可以是基因、蛋白序列，或者是序列之外的数 据（形态特征、酶切位点等）
+ 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）。 分支/世系 + 外部节点:代表实际观察到
A
的分类单元。
B
+ 内部节点:又称为分支点，
C
代表分类单元进化历程中
的祖先。
D
E
节点
1.1 依据树是否有根可分为:的连续分歧事件引起的一组相关 对象的分歧
– A. 序列相似程度高，MP(最大简约法) – B. 序列相似程度较低，ML(最大似然法) – C. 序列相似程度太低，无意义
4. 一般采用两种及以上方法构建进化树，无显著区 别可接受
构建进化树的一般原则
进化树的可靠性分析 进化树的可靠性分析: 自展法 (Bootstrap
Method) (统计方法) 。 + 从排列的多序列中随机有放回的抽取某
PHYLIP
It includes programs to carry out parsimony,
distance matrix methods, maximum
http://evolution.gs.washingt /phylip.html
likelihood, and other methods on a variety of types of data, including DNA and RNA sequences, protein sequences, restriction sites,
最理想的方法：化石！—— 零散、不完整
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
+ 第三种方案：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
eukaryote eukaryote
Monophyletic group
1.2 依据进化关系可分为:
• 基因树：用于确定大基因家族内基因或蛋白进化 关系的树。
• 物种树：代表一个物种或群体进化历史的系统发 育树
– 当不同物种的直系同源基因序列被用来确定物种之间
的关系时，会用物种名标记分类单元，树称为物种数。
+ 分成三组：D, E及ABC。 计算距离矩阵
+ 将DE合并，ABC单列，计算距离矩阵
➢ 分成三组：C, DE及AB。计算距离矩阵
+ 选取一个特定的替代模型来分析给定的一 组序列数据，使得获得的每一个拓扑结构 的似然率都为最大值，然后再挑出其中似 然率最大的拓扑结构作为最优树。
位置1
位置2
第七章 分子进化分析
(Molecular Evolution Analysis)
+ 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
第一节 分子进化分析介绍
进化：是一种不断改进的过程。
“每个生物每时每刻都在为生存进行反复的斗争， 如果在复杂多变的生存条件下该生物仍然能够不断 改进自己，那么其将有较大的生存可能性，并被自 然选择所保留。被自然选择保留下来的物种都倾向 于繁殖其已经被改进的新的生命形式”
0/1 discrete characters data, gene frequencies,
continuous characters and distance matrices.
PAUP
/
It includes parsimony, distance matrix, invariants, and maximum likelihood methods and many indices and statistical tests.
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
第三节 常用分子进化与 系统发育分析的软件
1. Phylip 由华盛顿大学遗传学系开发，是一个免费的 系统发育分析软件包(版本3.69)，可以通过以 下地址下载。
4 3
12
6
+ 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。
+ 如果找不到可以作为树根的单元，则系统 发生树是无根树。
+ 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。
+ 对于给定的分类单元数，有很多棵可能的 系统发生树，但是只有一棵树是正确的。
– 每个分支的进化方向是确定的
+ 无根树：只表示分类单元之间的关系，不 鉴别最早共同祖先
– 不清楚内部分支的祖先物种是从哪里来的，进 化方向不清楚
系统发育树的种类: 有根树、无根树
archaea archaea archaea