种系发生分析

种系发生分析第1页，共44页，2023年，2月20日，星期六教学提纲基本概念基本操作步骤序列的准备序列的多重比对(multiplealign)序列格式的转换进化树分析进化树检验常用软件第2页，共44页，2023年，2月20日，星期六Definitions系统发生（种系发生、系统发育）（phylogeny）：是指生物形成或进化的历史。系统发生学(phylogenetics)：研究物种之间的进化关系，其基本思想是比较物种的特征，并认为特征相似的物种在遗传学上接近。结果往往以系统发生树（phylogenetictree）表示，用它描述物种之间的进化关系。第3页，共44页，2023年，2月20日，星期六第4页，共44页，2023年，2月20日，星期六系统发生学的应用可应用于各种生物的进化分析：基因鉴别分型，提供生物分类依据。如，新发传染病病原体的确定。发现新的基因进化现象，发现新的病原体，帮助预防和控制疾病。通过揭示基因进化规律，预测未来基因进化趋势。考古学研究。第5页，共44页，2023年，2月20日，星期六Phylogeneticanalysis原理：根据序列同源性来分析物种/基因之间的进化关系。同源性的判断往往根据BLAST，或者多重比对(multiplealignment)。根据一定的理论来计算进化关系结果用系统发育树（进化树）表示。第6页，共44页，2023年，2月20日，星期六基本操作步骤核酸序列的准备序列的多重比对(multiplealign)序列格式的转换系统发育分析进化树检验,评估进化树的编辑加工第7页，共44页，2023年，2月20日，星期六1.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>500bp。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，2023年，2月20日，星期六选择外类群

（Outgroup）选择一个/多个已知与分析序列关系较远的序列作为外类群外类群可以辅助定位树根bacteriaoutgroupeukaryoteeukaryoteeukaryoteeukaryotearchaeaarchaeaarchaea外类群第9页，共44页，2023年，2月20日，星期六在GenBank可以选择序列格式第10页，共44页，2023年，2月20日，星期六Fastaformat>序列名称ATGGAAAGAATAAAAGAATTAAGAGATCTAATGTCACAGTCCCGCACTCGCGAGATACTAACAAAAACCA>序列名称ATGGAAAGAATAAAAGAATTAAGAGATCTAATGTCACAGTCCCGCACTCGCGAGATACTAACAAAAACCA可以用写字板/Word编写。文件扩展名为fasta,fst第11页，共44页，2023年，2月20日，星期六序列名称要求应简短，没有重复的名称，没有软件所不认可的符号，如“-”，“？”，等等。第12页，共44页，2023年，2月20日，星期六2.多个序列比对(multiplealignment)软件：ClustalW，Mega，BioEdit，DNAStar中的MegAlign等等。第13页，共44页，2023年，2月20日，星期六序列比对的应用价值观察序列的同源性观察序列保守区和多变区，确定功能区设计PCR引物发现突变位点系统发育分析第14页，共44页，2023年，2月20日，星期六Mega应用举例：打开序列文件。Alignment–Alignmentexplorer/Clustal–Retreivesequencesfromafile.比对。Alignment–AlignbyClustalW。另存。Data–Export–Megafile将序列长短不齐的地方删除。使最后的序列长度相等。方法：Alignment–Alignmentexplorer/Clustal–Retreivesequencesfromafile.选中要删除的序列部位，delete.第15页，共44页，2023年，2月20日，星期六3.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，2023年，2月20日，星期六如何获得所需要的序列格式？1.如果你需要NEXUS(NXS)格式：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，2023年，2月20日，星期六4.系统发育分析第18页，共44页，2023年，2月20日，星期六系统发育树重建的基本方法1.最大简约法(maximumparsimony,MP)2.距离法(distance)3.最大似然法(maximumlikelihood,ML)第19页，共44页，2023年，2月20日，星期六(1).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，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时候引入假设（替代模型）。 运算速度快第20页，共44页，2023年，2月20日，星期六缺点：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（MP）第21页，共44页，2023年，2月20日，星期六(2).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）推导得出分类群之间的进化距离，构建一个进化距离矩阵，基于矩阵中的进化距离关系构建进化树第22页，共44页，2023年，2月20日，星期六常见有：Neighbor-JoiningMethod(NJ法/邻接法)UnweightedPairGroupMethod(UPGMA法)Fitch-MargoliashMethod（FM法） NeighborsRelationMethod(邻居关系法)距离法建树的方法第23页，共44页，2023年，2月20日，星期六距离法优点：计算很快缺点：可靠性不如最大似然法最常用方法：Neighbor-Joining适用：序列有较高相似性时第24页，共44页，2023年，2月20日，星期六最大似然法(maximumlikelihood,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（ML）第25页，共44页，2023年，2月20日，星期六优点：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

最大似然法（ML）第26页，共44页，2023年，2月20日，星期六方法的选用推荐方法：Neighbor-Joiningdistance（距离法）运算时间比较快结果比较可靠第27页，共44页，2023年，2月20日，星期六5.进化树的可靠性检验第28页，共44页，2023年，2月20日，星期六自展法（BootstrapMethod）从比对序列中随机抽取某些列，构成相同长度的新的排列序列多次随机重复上面的过程，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，以此评价建树的可靠性第29页，共44页，2023年，2月20日，星期六Bootstrapping第30页，共44页，2023年，2月20日，星期六BootstrappingBootstrap重复次数：一般选择1000次。Bootstrap值可在进化树的分支上显示。数值的含义：重复1000次，有多少次可以获得同样的树。数值越高，树的可信度越高。第31页，共44页，2023年，2月20日，星期六6.进化树的不同形式第32页，共44页，2023年，2月20日，星期六系统发育树末端物种中间节点根末端分支节点第33页，共44页，2023年，2月20日，星期六ABCDE†FG树仅代表分支的拓扑结构FGCDE†AB第34页，共44页，2023年，2月20日，星期六Bacterium1Bacterium3Bacterium2Eukaryote1Eukaryote4Eukaryote3Eukaryote2Bacterium1Bacterium3Bacterium2Eukaryote1Eukaryote4Eukaryote3Eukaryote2Phylogramsshowbranchorderandbranchlengths进化树，有分支和支长信息进化分支图，进化树Cladogramsshowbranchingorder-branchlengthsaremeaningless进化分支图，只用分支信息，无支长信息。第35页，共44页，2023年，2月20日，星期六Unrootedphylogenetictree第36页，共44页，2023年，2月20日，星期六RootedtreeArootedtreegivesinformationontheoriginoftheproteinandiseasiertoview.Therootofatreeisoftenplacedalongthelongestbranch.Iftheevolutionaryclockiscorrect,thebranchesendinaverticalline.Anautomaticallybalancedtreeisnotnecessarilythemostoptimal.第37页，共44页，2023年，2月20日，星期六7.常用软件第38页，共44页，2023年，2月20日，星期六软件PAUP（需要购买，在英文论文中最常用）MrBayes（免费，英文论文中常用）PHYLIP（免费）MEGA（免费）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，2023年，2月20日，星期六介绍Mega优点：免费易学、易用做出来的进化树好看，易于编辑适合初学者缺点：可选择的参数比较少第40页，共44页，2023年，2月20日，星期六Mega软件操作步骤打开比对序列(meg格式）。File–Opendata进化树的构建。Plylogeny–Constructphylogeny–Neighbor-Joining–compute进化树的检验。Plylogeny–