直系同源物 vs. 旁系同源物
paralogs
orthologs
Orthologs & Paralogs
(直系同源与旁系同源）
Speciation events
Worm Fly
Orthologs
Gene duplication events
Human 1 Human 2 Yeast 1 Yeast 2
• 旁系同源的功能变异可能是横向加倍后的 重排变异或进化上获得了另一功能。
同源物种类
Ortholog (直系同源物)：两个基因通过物种形成 的事件而产生，或源于不同物种的最近的共同祖 先的两个基因，或者两个物种中的同一基因，一 般具有相同的功能。
Paralog (旁系同源物)：两个基因在同一物种中， 通过至少一次基因复制的事件而产生。常常具有 不同功能。
两种同源物：即垂直方向的(orthology)与
水平 方向的(paralogy)。
直系同源(orthology)是比较基因组学中最重要的定义。 直系同源的定义是：
(1)在进化上起源于一个始祖基因并垂直传递(vertical descent)的同源基因；
(2)分布于两种或两种以上物种的基因组； (3)功能高度保守乃至于近乎相同，甚至于其在近缘物
Paralogs Paralogs
• 直系与旁系的共性是同源，都源于各自的 始祖基因。
• 其区别在于：在进化起源上，直系同源是 强调在不同基因组中的垂直传递，旁系同 源则是在同一基因组中的横向加倍；
• 在功能上，直系同源要求功能高度相似， 而旁系同源在定义上对功能上没有严格要 求，可能相似，但也可能并不相似(尽管结 构上具一定程度的相似)，甚至于没有功能 (如基因家族中的假基因)。
Xenolog (异系同源物)：由某一个基因水平转移 事件而得到的同源序列。水平转移的基因功能主 要根据在前后宿主中变化而确定，然而功能却常 常相似。
异源基因或水平转移基因
xenologous or horizontally transferred genes
序列同源性模型中的进化假设
所有的生物都起源于同一个祖先；
同源性与相似性
相似性 (Similarity)
➢序列比对过程中用来描述检测序列和目标序列 之间相似DNA碱基或氨基酸残基序列所占比例；
➢定量描述；
同源性 (Homology)
➢两个基因或蛋白质序列具有共同祖先的结论； ➢定性判断；
相似不一定同源,同源不一定相似。 氨基酸序列相似性超过30%,很可能同源。
研究生物进化历史的途径
1. 最确凿证据是：生物化石！—— 零散、 不完整
2.比较形态学、比较解剖学和生理学等：确 定大致的进化框架 —— 细节存很多的争议
分子进化
1964年，Linus Pauling提出分子进化理论； 从物种的一些分子特性出发，从而了解物种
之间的生物系统发生的关系。 发生在分子层面的进化过程：DNA, RNA和
生命三界：
细菌（Eubacteria） 古细菌（Archaebacteria） 真核（Eukaryotes）
基于16S/18S核糖体RNA序列比对得到的古细菌系S rRNA
Out of Africa
53个人的线粒体基因组(16,587bp)
人类迁移的路线
(3)A编码的蛋白与A‘编码的蛋白要从头到尾都能并排 比较，即含有相似以至于相同的模序(motif)
旁系同源 (paralogy)基因是指同一基因组(或同
系物种的基因组)中，由于始祖基因的加倍而横向 (horizontal)产生的几个同源基因。
即两个基因在同一物种中，通过至少一次基因复 制的事件而产生。常常具有不同功能。
蛋白质分子 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。
分子进化的模式
DNA突变的模式：替代，插入，缺失，倒位； 核苷酸替代：转换 (Transition) & 颠换
(Transversion) 基因复制：多基因家族的产生以及伪基因的
产生
➢A. 单个基因复制 – 重组或者逆转录 ➢B. 染色体片断复制 ➢C. 基因组复制
分子进化与系统发育分析
Molecular evolution and phylogenetic analysis
本章内容提要
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
关于分子进化简介 密码子偏好及分析 氨基酸序列的进化演变 分子系统发育分析 分子系统发育分析软件介绍
Tree of Life
第一节 关于分子进化简介
物种分类及关系：从物种的一些分子特性出发， 构建系统发育树，进而了解物种之间的生物系统 发生的关系 —— tree of life
大分子功能与结构的分析：同一家族的大分子， 具有相似的三级结构及生化功能，通过序列同源 性分析，构建系统发育树，进行相关分析；功能 预测
进化速率分析：例如，HIV的高突变性；哪些位 点易发生突变？
重建所有生物的进化历史 并以系统树的形式加以描述
生物进化理论
达尔文进化论：
➢进化：变异的遗传 ➢自然选择：解释为何演变发生的机制
种群中个体变异的遗传学基础：孟德尔遗传
➢孟德尔豌豆实验：杂交的表现特征是基因表达 的结果，而不是基因杂交遗传
中性进化论：并非所有种群中保留下来的突 变都由自然选择所形成；大多数突变是中性 或接近中性，不妨碍种群的生存与繁衍。
DNA突变的模式
替代
插入
缺失
倒位
核苷酸替代：转换 & 颠换
转换：嘌呤被嘌呤 替代，或者嘧啶被 嘧啶替代
颠换：嘌呤被嘧啶 替代，或者嘧啶被 嘌呤替代
基因复制：单个基因复制
重组 逆转录
基因复制：基因组复制
酿酒酵母
克鲁雄酵母
研究结果：克鲁 雄酵母中的同源 基因数量与酿酒 酵母相比为1：2
分子进化研究的目的
种可以相互替换； (4)结构相似； (5)组织特异性与亚细胞分布相似。
鉴定直系同源的实际操作标准(practical criteria)为：
如基因组Ⅰ中的A基因与基因组Ⅱ中的A‘基因被认 是直系同源，则要求：
(1)A‘的产物比任何在基因组Ⅱ中所发现的其它基因产 物都更相似于A产物；
(2)A‘与A的相似程度比在任何一个亲缘关系较远的基 因组中的任一基因都要高；