浅谈系统发育分析及进化树制作课件.ppt

浅谈系统发育分析及进化树制作浅谈系统发育分析及进化树制作浅谈系统发育分析及进化树制作浅谈系统发育分析及进化树制作郭勇晖 人类偏肺病毒的确认人类偏肺病毒的确认Phylogenetic analysis of ORFs of hMPV黄黄黄黄病病病病毒毒毒毒家家家家族族族族乙型脑炎病毒乙型脑炎病毒乙型脑炎病毒乙型脑炎病毒黄热病毒黄热病毒黄热病毒黄热病毒Phylogenetic analysis of SARS proteins. Unrooted phylogenetictrees were generated by clustalw30 MAY 2003 VOL 300 SCIENCE:1399-1404SARS新型冠状病毒“新”在哪里？达卡尔蝙蝠黄病毒达卡尔蝙蝠黄病毒达卡尔蝙蝠黄病毒达卡尔蝙蝠黄病毒2分子系统发育分析分子系统发育分析•系统发育分析是研究物种系统发育分析是研究物种进化和系统分类进化和系统分类的一种方法，研究对象为携带遗传信息的的一种方法，研究对象为携带遗传信息的生物大分子生物大分子序列，采用特定的数理统计算序列，采用特定的数理统计算法来计算生物间的法来计算生物间的生物系统发生生物系统发生的关系。

的关系并用并用系统进化树系统进化树来概括生物间的这种亲缘来概括生物间的这种亲缘关系3•系统发育进化树（系统发育进化树（ Phylogenetic tree) 用一种类似树状分支的图形来概括各种生物之间的亲缘关系用一种类似树状分支的图形来概括各种生物之间的亲缘关系 •系统进化树的主要构成：系统进化树的主要构成： 结点（结点（node)：每个结点表示一个分类单元（属、种群）每个结点表示一个分类单元（属、种群） 进化分枝进化分枝(Clade)：： 是指由同一生物进化而来的单一系统群是指由同一生物进化而来的单一系统群 实体抽象为节点，实体间的进化关系抽象为连接实体抽象为节点，实体间的进化关系抽象为连接•研究对象：研究对象：包括基因序列，基因组的排列方式，二级结构，编码的蛋白序列包括基因序列，基因组的排列方式，二级结构，编码的蛋白序列及高级结构等及高级结构等•研究意义：研究意义：通过序列同源性的比较进而了解基因的进化以及生物系统发生的通过序列同源性的比较进而了解基因的进化以及生物系统发生的内在规律内在规律 分子系统发育的分子系统发育的核心核心是是——构建系统发育进化树构建系统发育进化树分子系统发育分析分子系统发育分析4人人猩猩猩猩狒狒狒狒外 群分支 长度根进化支结 点系统发育进化树示例系统发育进化树示例 n结点：表示一个分类单元。

结点：表示一个分类单元n进化支：两种以上生物（进化支：两种以上生物（DNA序序列）及其祖先组成的树枝列）及其祖先组成的树枝n进化分支：进化关系的图形表示进化分支：进化关系的图形表示n进化分支长度：进化分支长度： 用数值表示的进化枝的变化程度用数值表示的进化枝的变化程度（遗传距离）（遗传距离）n距离标尺距离标尺：： 生物体或序列之间差异的的生物体或序列之间差异的的 数字数字 尺度n根根：所有分类的共同祖先所有分类的共同祖先n外群：外群：一个或多个无可争议的同源物种一个或多个无可争议的同源物种,与分析序列相关且具有适当的亲缘与分析序列相关且具有适当的亲缘关系关系距离标尺距离标尺一个单位系统进化树系统进化树0.55系统进化树系统进化树6黄黄黄黄病病病病毒毒毒毒家家家家族族族族黄热病毒黄热病毒黄热病毒黄热病毒达卡尔蝙蝠黄病毒达卡尔蝙蝠黄病毒达卡尔蝙蝠黄病毒达卡尔蝙蝠黄病毒基因树和物种树基因树和物种树基因树基因树(gene tree)：：当一个系统进化树是根据某一个基因数据构建而来的当一个系统进化树是根据某一个基因数据构建而来的,称为基因称为基因树树因为这种树代表的仅仅是单个基因的进化历史。

而不是它所因为这种树代表的仅仅是单个基因的进化历史而不是它所在物种的进化历史在物种的进化历史物种树物种树(species tree)：：反映物种之间真实进化关系的系统进化树被称为物种树反映物种之间真实进化关系的系统进化树被称为物种树例如一项关于植物进化的研究中，用了项关于植物进化的研究中，用了100个不同的基因来构建物种树个不同的基因来构建物种树联系：联系：虽然基因树不能等同于物种树虽然基因树不能等同于物种树, 但基因树的分支形式能够反映物但基因树的分支形式能够反映物种的进化历史种的进化历史病毒比较简单，遗传多态性较弱，一般而言结构病毒比较简单，遗传多态性较弱，一般而言结构蛋白基因构建的基因树最能接近物种树表达的进化关系蛋白基因构建的基因树最能接近物种树表达的进化关系7物种树物种树基因树基因树8 人类偏肺病毒的确认人类偏肺病毒的确认9SARS“新”型冠状病毒10找到建树目的基因（基因组）找到建树目的基因（基因组）进行多序列比对进行多序列比对选择建树方法选择建树方法建立进化树建立进化树进化树评估进化树评估系统发育树构建分析步骤系统发育树构建分析步骤11pDistance-based methods 基于距离的方法Unweightedpair group method using arithmetic average (UPGMA) 非加权分组平均法Minimum evolution(ME)最小进化方法Neighbor joining(NJ)邻位归并法pCharacter-based methods 基于特征的方法Maximum parsimony(MP)最大简约法Maximum likelihood method(ML)最大似然法p计算速度 距离法 >最大简约法 >最大似然法 系统发育树构建的基本方法系统发育树构建的基本方法12p基于距离的方法 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化距离关系p基于特征的方法 不计算序列间的距离，而是将序列中有差异的位点作为单独的特征，并根据这些特征来建树系统发育树构建的基本方法系统发育树构建的基本方法13系统发育树构建的分析过程系统发育树构建的分析过程14•ClustalX （序列比对软件序列比对软件序列比对软件序列比对软件）•Modeltest&MrModeltest(碱基替换模型筛选软件碱基替换模型筛选软件碱基替换模型筛选软件碱基替换模型筛选软件)•PHYLIP•MEGA•PHYML•PAUP•BEAST•Figtree (树形显示软件树形显示软件树形显示软件树形显示软件）•TreeView （树形显示软件树形显示软件树形显示软件树形显示软件）系统发育树构建软件系统发育树构建软件系统发育树构建软件系统发育树构建软件系统发育树构建的相关软件系统发育树构建的相关软件15•用截然不同的距离矩阵法与简约法分析一个数据集，如果能够产生相似的系统发生树，这样的树可以认为是可靠的•用Bootstrap（自展法）检验系统发育树构建的评估系统发育树构建的评估16•从排列的多序列中随机有放回的抽取某一列，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，以此评价建树的可靠性•一般Bootstrap重复取样次数要大于100（一般文章要求1000），根据每个分支在不同此取样时出现的频率赋予该分支一个百分比。

•如果严格根据统计学概念，该百分比要大于95％采认为该分支的较为可信在实际应用中该值大于75％就认为可信，细菌等相似度更大的分类中，大于50%就可以认为可信BootstrapBootstrap－自展法－自展法17A.重新取样重新取样(100-1000 time). 12345 1001 : ATCTG…A 2 : ATCTG…C3 : ACTTA…C 4 : ACCTA…T 12345 1001 : AATTT…T2 : AATTT…G3 : AACTT…T4 : AACTT…T 11244 x 12345 1001 : TTTAT…T2 : TAACC…G3 : TAACC…T4 : TGGGA…T 47789…x 12345 1001 : AGGTA…T2 : AGGAC…G3 : AAAAC…A4 : AAAGG…C 15578…xBootstrapBootstrap－自展法－自展法18B. 每组取样重建进化树每组取样重建进化树. 12345 1001 : AATTT…T2 : AATTT…G3 : AACTT…T4 : AACTT…T 11244 x 12345 1001 : TTTAT…T2 : TAACC…G3 : TAACC…T4 : TGGGA…T 47789…x 12345 1001 : AGGTA…T2 : AGGAC…G3 : AAAAC…A4 : AAAGG…C 15578…xSp1Sp2Sp3Sp4Sp1Sp2Sp3Sp4Sp1Sp2Sp3Sp4BootstrapBootstrap－自展法－自展法19C. 计算各分支出现的可信度计算各分支出现的可信度Sp1Sp2Sp3Sp4Sp1Sp2Sp3Sp4Sp1Sp2Sp3Sp4Sp1Sp2Sp3Sp467%100%In 67% of the data sets, the split between SP1+SP2 and the rest of the tree was found.BootstrapBootstrap－自展法－自展法20•得到CA16 VP1序列，利用MEGA软件进行处理和分析序列：1）用MEGA软件对多序列进行比对，建立MEGA软件构建进化树的数据格式（两端对齐，fasta格式输出）；2）用N-J法构建基因进化树；3）对所构建的进化树进行加工处理。

实例讲解：实例讲解：（建立肠道病毒（建立肠道病毒CA16 VP1的基因树）的基因树）21实例讲解：实例讲解：（建立肠道病毒（建立肠道病毒CA16 VP1的基因树）的基因树）22实例讲解：实例讲解：（建立肠道病毒（建立肠道病毒CA16 VP1的基因树）的基因树）23实例讲解：实例讲解：（建立肠道病毒（建立肠道病毒CA16 VP1的基因树）的基因树）24实例讲解：实例讲解：（建立肠道病毒（建立肠道病毒CA16 VP1的基因树）的基因树）25实例讲解：实例讲解：（建立肠道病毒（建立肠道病毒CA16 VP1的基因树）的基因树）26实例讲解：实例讲解：（建立肠道病毒（建立肠道病毒CA16 VP1的基因树）的基因树）27实例讲解：实例讲解：（建立肠道病毒（建立肠道病毒CA16 VP1的基因树）的基因树）28实例讲解：实例讲解：（建立肠道病毒（建立肠道病毒CA16 VP1的基因树）的基因树）29实例讲解：实例讲解：（建立肠道病毒（建立肠道病毒CA16 VP1的基因树）的基因树）30实例讲解：实例讲解：（建立肠道病毒（建立肠道病毒CA16 VP1的基因树）的基因树）31实例讲解：实例讲解：（建立肠道病毒（建立肠道病毒CA16 VP1的基因树）的基因树）32实例讲解：实例讲解：（建立肠道病毒（建立肠道病毒CA16 VP1的基因树）的基因树）33实例讲解：实例讲解：（建立肠道病毒（建立肠道病毒CA16 VP1的基因树）的基因树）34实例讲解：实例讲解：（建立肠道病毒（建立肠道病毒CA16 VP1的基因树）的基因树）35实例讲解：实例讲解：（建立肠道病毒（建立肠道病毒CA16 VP1的基因树）的基因树）363738体会：体会：1、用什么方法建树。

2、定立标准：想建成什么样的树、树的分类情况如何、标准是什么3、建树过程：要注意标准株的组合，所构建的树是否需要有根，如何定立外群392、定立标准：Feb. 2010, JCM 2010：619-622 Apr. 2011, JCM 2010： 1659–1661 403、建树过程：41谢谢！距离没有意义系统进化树系统进化树42•怎样确定树根？无根树：只表明序列间的差异有根树：表明序列间的差异，同时表明进化的方向系统进化树系统进化树43。