种系发生分析幻灯片.ppt

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1、种系发生分析种系发生分析第1页，共44页，编辑于2022年，星期一教学提纲教学提纲n n基本概念n n基本操作步骤n序列的准备n序列的多重比对(multiple align)n序列格式的转换n进化树分析进化树分析n进化树检验进化树检验n n常用软件第2页，共44页，编辑于2022年，星期一Definitionsn n系统发生（种系发生、系统发育）（系统发生（种系发生、系统发育）（phylogenyphylogeny）：）：是指生物形成或进化的历史。n n系统发生学系统发生学(phylogenetics)：研究物种之间的进化关系，研究物种之间的进化关系，其基本思想是比较物种的特征，并认为特征相似

2、的物种在其基本思想是比较物种的特征，并认为特征相似的物种在遗传学上接近。遗传学上接近。n n结果往往以系统发生树（系统发生树（phylogenetic treephylogenetic tree）表示，用表示，用它描述物种之间的进化关系。它描述物种之间的进化关系。第3页，共44页，编辑于2022年，星期一第4页，共44页，编辑于2022年，星期一系统发生学的应用系统发生学的应用可应用于可应用于各种生物的进化分析各种生物的进化分析：1.1.基因鉴别分型，提供基因鉴别分型，提供生物分类生物分类依据。如，新发传染病病原体的确定。2.2.发现新的基因进化现象，发现新的病原体发现新的基因进化现象，发现新

3、的病原体，帮助预，帮助预防和控制疾病。防和控制疾病。3.3.通过揭示基因进化规律，通过揭示基因进化规律，预测预测预测预测未来基因进化趋势。4.4.考古学考古学考古学考古学研究。第5页，共44页，编辑于2022年，星期一Phylogenetic analysis原理：n n根据序列同源性序列同源性来分析物种/基因之间的进进化关系化关系。n n同源性的判断往往根据BLAST，或者多重多重比对比对(multiple alignment)。n n根据一定的理论理论来计算进化关系n n结果用系统发育树（进化树）表示。第6页，共44页，编辑于2022年，星期一基本操作步骤基本操作步骤1.核酸序列的准备2.

4、序列的多重比对(multiple align)3.序列格式的转换4.系统发育分析5.进化树检验,评估6.进化树的编辑加工第7页，共44页，编辑于2022年，星期一1.核酸序列的准备核酸序列的准备根据研究目的，确定目的基因，全序列或者部分序列。序列长度序列长度500 bp。a.从网上下载目的基因的参考同源序列。b.做实验，获得PCR产物/质粒，测序，获得基因序列。序列的格式：最基本的格式为最基本的格式为FASTA。把参考同源序列和你自己的序列全部做成一个FASTA文件。第8页，共44页，编辑于2022年，星期一选择外类群选择外类群（Outgroup）选择一个/多个已知与分析序列关系较远的序列作为

5、外类群外类群可以辅助定位树根bacteria outgroupeukaryoteeukaryoteeukaryoteeukaryotearchaeaarchaeaarchaea外类群外类群第9页，共44页，编辑于2022年，星期一在在在在GenBankGenBank可以选择序列格式可以选择序列格式可以选择序列格式可以选择序列格式第10页，共44页，编辑于2022年，星期一Fasta format 序列名称序列名称ATGGAAAGAATAAAAGAATTAAGAGATCTAATGTCACAGTCCCATGGAAAGAATAAAAGAATTAAGAGATCTAATGTCACAGTCCCGCACTC

6、GCGAGATACTAACAAAAACCAGCACTCGCGAGATACTAACAAAAACCA 序列名称序列名称ATGGAAAGAATAAAAGAATTAAGAGATCTAATGTCACAGTCCCATGGAAAGAATAAAAGAATTAAGAGATCTAATGTCACAGTCCCGCACTCGCGAGATACTAACAAAAACCAGCACTCGCGAGATACTAACAAAAACCA可以用写字板可以用写字板/Word/Word编写。编写。文件扩展名为文件扩展名为fasta,fstfasta,fst第11页，共44页，编辑于2022年，星期一序列名称要求序列名称要求1.1.应简短，2.2

7、.没有重复的名称，3.3.没有软件所不认可的符号，如“-”，“？”，等等。第12页，共44页，编辑于2022年，星期一2.多个序列比对多个序列比对(multiple alignment)n n软件：nClustalW，nMega，nBioEdit，nDNAStar中的MegAlignn等等。第13页，共44页，编辑于2022年，星期一序列比对的应用价值序列比对的应用价值1.1.观察序列的同源性同源性2.2.观察序列保守区和多变区，保守区和多变区，确定确定功能区功能区3.3.设计设计PCR引物引物4.4.发现突变位点突变位点5.5.系统发育分析系统发育分析第14页，共44页，编辑于2022年，星

8、期一Mega应用举例：应用举例：1.1.打开序列文件。Alignment Alignment Alignment explorer/Clustal Alignment explorer/Clustal Retreive sequences from a Retreive sequences from a file.file.2.2.比对。Alignment Align by ClustalW Align by ClustalW。3.3.另存。Data Export Export Mega file4.4.将序列长短不齐的地方删除。使最后的序列长度相等。方法：方法：Alignment Align

9、ment Alignment explorer/Clustal Retreive sequences from a file.选中要删除的序列部位，选中要删除的序列部位，delete.delete.第15页，共44页，编辑于2022年，星期一3.序列格式的转换序列格式的转换为什么要转换格式？因为做系统发生分析的软件有很多，它们分别要求不同的序列格式。所以有时需要转换序列格式。比如：PAUP，MrBayes要求序列为NEXUS格式。Mega要求序列为MEGA格式。第16页，共44页，编辑于2022年，星期一如何获得所需要的序列格式？如何获得所需要的序列格式？1.如果你需要NEXUS(NXS)格式

10、：用ClustalX做比对，另存为NXS格式即可。DNAsp软件可将MEGA转换成NXS。2.如果你需要Mega格式：用Mega做比对，存为Mega格式即可。第17页，共44页，编辑于2022年，星期一4.系统发育分析系统发育分析第18页，共44页，编辑于2022年，星期一系统发育树重建的基本方法系统发育树重建的基本方法1.最大简约法(maximum parsimony,MP)2.距离法(distance)3.最大似然法(maximum likelihood,ML)第19页，共44页，编辑于2022年，星期一(1).最大简约法（最大简约法（MP）在最大简约法的概念下，生物演化应该遵循简约性原则

11、，所需变异次数最少（演化步数最少）的演化树可能为最符合自然情况的系统树。优点：不需要在处理核苷酸或者氨基酸替代的不需要在处理核苷酸或者氨基酸替代的时候引入假设（替代模型）。时候引入假设（替代模型）。运算速度快第20页，共44页，编辑于2022年，星期一缺点：如果在分析序列上存在较多的回复突变时候，最大简约法可能会给出一个不合理的或者错误的进化树推导结果。应用：适用于序列相似性很高的情况 最大简约法（最大简约法（MP）第21页，共44页，编辑于2022年，星期一(2).距离法距离法距离法又称距离矩阵法，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）推导得出根据一定的假设（进化距离模型

12、）推导得出分类群之间的进化距离，分类群之间的进化距离，构建一个进化距离矩阵，构建一个进化距离矩阵，基于基于矩阵中的进化距离关系构建进化树第22页，共44页，编辑于2022年，星期一常见有：1.1.Neighbor-Joining Method(NJ法法法法/邻接法邻接法邻接法邻接法)2.2.Unweighted Pair Group Method(UPGMA法法)3.3.Fitch-Margoliash MethodFitch-Margoliash Method（FM法）法）4.4.Neighbors Relation Method(邻居关系法)距离法建树的方法距离法建树的方法第23页，共44

13、页，编辑于2022年，星期一距离法距离法n n优点：计算很快n n缺点：可靠性不如最大似然法n n最常用方法：最常用方法：Neighbor-Joiningn n适用：序列有较高相似性时适用：序列有较高相似性时第24页，共44页，编辑于2022年，星期一最大似然法(maximum likelihood,ML)在所有可能的树，及所有的可能字符替换数方式中，选择可能性最大的一种做为结果计算要用到似然函数，是指特定的树和特定的字符替换方式发生的概率。(3).最大似然法（最大似然法（ML）第25页，共44页，编辑于2022年，星期一优点：结果比较可靠缺点：计算非常费时。适用：可用于任何相关的序列集合最大

14、似然法（最大似然法（ML）第26页，共44页，编辑于2022年，星期一方法的选用方法的选用推荐方法：n nNeighbor-Joining distance（距离法）n运算时间比较快n结果比较可靠第27页，共44页，编辑于2022年，星期一5.进化树的可靠性检验进化树的可靠性检验第28页，共44页，编辑于2022年，星期一自展法（自展法（Bootstrap Method）n n从比对序列中随机抽取随机抽取某些列，构成相同长度的新的排列序列n n多次随机重复多次随机重复上面的过程，得到多组新的序列n n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第29页，共44页

15、，编辑于2022年，星期一Bootstrapping第30页，共44页，编辑于2022年，星期一BootstrappingBootstrap Bootstrap 重复次数：重复次数：重复次数：重复次数：一般选择一般选择一般选择一般选择10001000次次次次。BootstrapBootstrap值可在进化树的分值可在进化树的分值可在进化树的分值可在进化树的分支上显示。支上显示。支上显示。支上显示。数值的含义数值的含义数值的含义数值的含义：重复重复重复重复10001000次，有多少次可以获次，有多少次可以获次，有多少次可以获次，有多少次可以获得同样的树。数值越高，树得同样的树。数值越高，树得同样

16、的树。数值越高，树得同样的树。数值越高，树的可信度越高。的可信度越高。的可信度越高。的可信度越高。第31页，共44页，编辑于2022年，星期一6.进化树的不同形式进化树的不同形式第32页，共44页，编辑于2022年，星期一系统发育树末端末端末端末端物种物种物种物种中间节点中间节点中间节点中间节点根根根根末端分支末端分支末端分支末端分支节点节点节点节点第33页，共44页，编辑于2022年，星期一ABCDEFG树仅代表分支的拓扑结构FGCDEAB第34页，共44页，编辑于2022年，星期一Bacterium 1Bacterium 3Bacterium 2Eukaryote 1Eukaryote 4

17、Eukaryote 3Eukaryote 2Bacterium 1Bacterium 3Bacterium 2Eukaryote 1Eukaryote 4Eukaryote 3Eukaryote 2Phylograms show branch order and branch 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。第35页，共44页，编辑于2022年，星期一Unrooted phylogenetic tree第36页

18、，共44页，编辑于2022年，星期一Rooted treen nA rooted tree gives A rooted tree gives information on the origin of information on the origin of the protein and is easier to the protein and is easier to view.view.n nThe root of a tree is often placed The root of a tree is often placed along the longest branch.alon

19、g the longest branch.n nIf the evolutionary clock is If the evolutionary clock is correct,the branches end in a correct,the branches end in a vertical line.vertical line.n nAn automatically balanced tree An automatically balanced tree is not necessarily the most is not necessarily the most optimal.o

20、ptimal.第37页，共44页，编辑于2022年，星期一7.常用软件常用软件第38页，共44页，编辑于2022年，星期一软件软件nPAUP（需要购买，在英文论文中最常用）nMrBayes（免费，英文论文中常用）nPHYLIP（免费）nMEGA（免费）n其他做比对的软件，如DNASTAR,ClustalW通常也可做进化树，但是结果比较粗略。第39页，共44页，编辑于2022年，星期一介绍介绍Megan n优点：n免费n易学、易用n做出来的进化树好看，易于编辑n适合初学者n n缺点：n可选择的参数比较少第40页，共44页，编辑于2022年，星期一Mega 软件操作步骤软件操作步骤n n打开比对序

21、列(meg格式）。File Open datan n进化树的构建。Plylogeny Construct phylogeny Neighbor-Joining computen n进化树的检验。Plylogeny Bootstrap test of phylogeny Neighbor-Joining Compute.n n可以根据需要对进化树进行编辑、保存。第41页，共44页，编辑于2022年，星期一Mega 3.1第42页，共44页，编辑于2022年，星期一Phylogenetic tree第43页，共44页，编辑于2022年，星期一课后练习（不用上交）课后练习（不用上交）n n选择感兴趣的一组同源序列（35个即可），先做比对，再用MEGA做一个系统发育分析。第44页，共44页，编辑于2022年，星期一