第四部份分子系统学

第四部份分子系统学主讲教师钟玉林1.IntroductionEvolution

进化isacentralprincipleofbiology,phylogeny

系统发育isacentralprincipleofevolution.分子进化(molecularevolution)分子系统学(molecularsystematics)分子系统发育学(molecularphylogenetics)Taxonomy分类学:Classification,Description,Identification,Nomenclature

Classification分类:ThesystematicgroupingoforganismsintocategoriesonthebasisofevolutionaryorstructuralrelationshipsbetweenthemSystematics系统学:Theclassificationoforganismsinanorderedsystemthatindicatesnaturalrelationships.

Taxonomy+relationships1.1

MolecularevolutionMacromoleculesandMicromoleculesMacromolecules:withinformation(带信息生物大分子)DNA:1stlevelinformationmRNA:2ndlevelinformationProtein:3rdlevelinformationTheevolutionofmacromolecules:ratesandpatternsofchangeinthegeneticmaterial,anditsencodedproducts(e.g.,proteins)overevolutionarytimeandthemechanismsresponsibleforsuchchanges(FromLi,1997)

大分子进化：遗传物质及其编码产物在进化过程中的变异速率、方式以及引起相关变异的机制。1.2TopicsofmolecularevolutionPatternsofsubstitution(碱基替换类型)Ratesofsubstitution(碱基替换速率)Mechanismsandforcesofmolecularevolution(分子进化的机制与动力)Modelingmolecularevolution(分子进化建模)1.3MolecularmarkersinsystematicsSystematicstudiesbyusingMolecularmarkers（分子标记）.Thetheoryandmethodologyofphylogenyinferencefromsequenceofmacromolecules（生物大分子序列）.1.4

HistoryofmolecularsystematicsI.labmethods实验室方法：扩增与测序II.dataanalysis数据分析：算法、模型、软件III.Bioinformatics生物信息学Database：Genbank（NCBI），EMBL欧洲分子生物学实验室，DDBJ日本生物数据库Algorithm算法Software软件分子系统学所用的分子标记带信息分子Macromoleculeswithinformation

DNA:1stlevelinformation一级DNAmRNA:2ndlevelinformation二级mRNAProtein:3rdlevelinformation三级Protein2.EvolutionarychangesofDNAsequencesBasesubstitution碱基替换Transition(Ts)转换Tranversion(TvorTi)颠换Insertionordeletion

插入或缺失(indel)Mostofthemodelsdealwithsubstitutiononly

分子系统学—以分子标记作为性状的系统学研究基因组总DNA的提取与质量检测分子标记选择与PCR扩增扩增产物带谱分析或纯化与测序获得序列基于生物信息学与分子系统发育分析软件的系统学方法分子系统学近期采用的分子标记Organellargenes细胞器基因mtDNA线粒体DNAmitochondrialgenome

nDNA核基因Nucleargenes核基因Plantsandanimalsarediploid二倍体orpolyploid多倍体Protistsmaybehaploid,单倍体diploid,orpolyploid

Nucleargenesareofteningenefamilies基因家族Withsexualreproduction,thingsgetcomplicated

byrecombination重组rDNA核糖体DNA转录组飞蝗的线粒体基因组分子系统学近期采用的分子标记rDNA：核糖体DNA核糖体RNA基因18sRNA&28sRNA转录组（transcriptome）：广义上指某一生理条件下，细胞内所有转录产物的集合，包括信使RNA、核糖体RNA、转运RNA及非编码RNA;狭义的是指所有信使RNA集合。转录组测序技术是把mRNA,smallRNA,andNONcodingRNA等用高通量测序技术把它们的序列测出来。全面快速地获取某一物种特定器官或组织在某一状态下的几乎所有转录本。3.基于生物信息学与分子系统发育分析软件的系统学方法3.1DNA序列的获取

检索全线粒体基因数据进入NCBI主页(www.ncbi.nih.nlm.gov/)后，在下拉菜单选择Necleotide,在Search框中选择分类类群+completemitochondrion

，点击Search即可搜索出符合条件的序列。

类群举例：

Tettigonioidea（螽斯总科）

Acridoidea(蝗总科)Oedipodinae(斑翅蝗亚科)Cobitidae（鳅科）

如Acridoideacompletemitochondrion，Search后在搜索结果中浏览已经测序的蝗总科全线粒体基因组1-136条，

进入NCBI主页NCBI搜素结果点开每一种的序列号，即可得到全线粒体基因序列及相关信息。DisplaySettings:GenBankSend:

Bryodemaluctuosumluctuosummitochondrion,completegenomeGenBank:HQ833839.1FASTA

（文本格式）Graphics（图形格式）GenBank格式文件GenBank格式文件（续）GenBank格式文件（续）阅读两种格式文件

FASTA

（文本格式）：前半部分为注释；后半部分为序列。

Graphics（图形格式）：图示线粒体基因在两条链上的分布。GenBank获得目标序列Fasta格式文件Graphics文件点击某个基因，获得对应的基因序列GenBank获得目标序列复制该段序列，用于建立Fasta格式文件自建用于系统发育分析的Fasta格式文件单击鼠标右键，建立文本文件：>Bryodema-luctuosum-luctuosum基因序列1>基因序列2>基因序列n4.Experimentaldesignandlabmethods

ProjectDesign目标设计Taxonsampling分类单元取样Charactersampling性状取样Pilotstudy预备研究Vouchers研究凭单Labprotocols实验方案Phylogeneticanalysis系统发育分析5.ThestepsofphylogeneticsanalysisPhylogenyReconstructionPhylogenyapproachesDistanceMethod

距离法MostParsimony(MP)

最简约法MaximumLikelihood(ML)极似然法BayesianInference(BI)贝叶氏系统发育推论6.系统发育分析常用软件6.1比对软件

ClustalX1.83：用来对核酸与蛋白序列进行多序列比较(multiplesequencealignment)的软件。6.2系统发育分析软件MEGA4.1：分子进化遗传分析MEGA(molecularevolutionarygeneticsanalysis)是由Kumar等所编写的分子进化遗传分析的软件包。在版本4.1中，它能对DNA、mRNA、氨基酸序列及遗传距离进行系统发育分析。

PAUP4.0b(Win)：PAUP是由Swofford所编写的利用简约分析进行系统发育分析(phylogeneticanalysisusingparsimony)的软件包，目前亦有多个版本。6.3生成树软件TreeView1.6.6：TreeView是用来生成与打印进化树的软件它可以读取NEXUS与PHYLIP生成的进化树格式文件，生成进化树，并输出到打印机。7.系统发育分析流程7.1获取序列，建立Fasta文件7.2比对，比对后的序列为aln格式文件7.3序列分析7.3.1aln格式，在MEGA中打开并转化为meg格式，7.3.2序列分析计算各个种之间的遗传距离(及其标准差)，各数据组碱基的组成(nucleotidecomposition)、保守位点(conservedsites)、变异位点(variablesites)、简约信息位点(parsimonyinformationsites)、自裔位点(singletonsites)、两两碱基频率(nucleotidepairfrequency)、转换与颠换的比值R(Ts/Tv)等。并进行碱基组成偏向性；7.3.3数据组系统发育信号检测在MEGA4.1中统计得到各数据组相应的统计值(TS,TV,p-distance)，分别用全数据组的TS、TV与相应的未校