同源关系的分析
1.直系同源物的确定：Reciprocal Best Hits; 2. 旁系同源物的确定：BLAST，序列比对及数据
库搜索，至少存在一个共有的功能结构域； 3. 整体分析/蛋白质家族分析：系统发育树的构建；
Reciprocal Best Hits
?
直系同源物：Reciprocal Best Hits
Xenolog (异同源物)：由某一个水平基因转移事件而 得到的同源序列。
Convergent evolution: 通过不同的进化途径获得相似 的功能，或者，功能替代物。
paralogs orthologs
异同源物
基因的趋同进化
通过不同的进化过程获得保守的功能
趋同进化：Langur
食叶猴
RNASE: 纤维素分解、消化
A. 编码区：阳性选择 1%；中性进化：80%；阴性进 化：19%；
tRNA & Anticodon
1. 每一个密码子，对应 一个tRNA；
2. tRNA通过Anticodon 来识别codon,联系 mRNA和氨基酸序列的 合成；
3. 密码子的使用偏好： 由密码子对应的tRNA的 进化及丰度来决定。
碱基出现的频率
1. 假如：每个核苷酸位点上的替代是随机发生的， 则A,T,C,G出现的频率应该大致相等；
第一节 密码子偏好及相应分析
1. 密码子(codon): 在随机或者无自然选择的情况 下，各个密码子出现频率将大致相等。
2. 密码子偏好：各个物种中，编码同一氨基酸的不 同同义密码子的频率非常不一致；
3. 可能的原因：密码子对应的同功tRNA丰度的不 同。
标准密码子
大肠杆菌RNA聚合酶
大肠杆菌RNA聚合酶 (2)
1. 密码子偏好非常明显；例如 2. 同为编码Phe的同义密码子UUU和UUC，二者
出现的次数显著不等，UUU(15次)，UUC(44次)； 3. 再如：编码Arg的四个密码子CGU, CGC, CGA,
CGG, 出现次数分别为：89，46，1，0. 4. 提示：对应CGG的同功tRNA可能不存在！
人类迁移的路线
(2) 同源性分析->功能相似性
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。
(Transversion); 3. 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；
(1) DNA突变的模式
替代
插入
缺失
倒位
(2) 核苷酸替代：转换 & 颠换
1. 转换：嘌呤被嘌呤 替代，或者嘧啶被嘧 啶替代；
2. 颠换：嘌呤被嘧啶 替代，或者嘧啶被嘌 呤替代；
生物信息学
第六章 分子进化与系统发育分析
生物学家：We have a dream…
1. Tree of Life: 重建所有生物的进化历史并以系 统树的形式加以描述
梦想走进现实：How?
1. 最理想的方法：化石！—— 然而…零散、不完整
2. 比较形态学和比较生理学：确定大致的进化框 架。—— 然而，细节存在巨多的争议
2. 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；
3. 进化速率分析：例如，HIV的高突变性；哪些位点易发 生突变？
(1) Tree of Life: 16S rRNA
Out of Africa
53个人的线粒体基因组(16,587bp)
2. 实际情况：DNA受到自然选择的压力，各个位 点的碱基出现频率并不相等；
3. 需要解决的问题：
A. 每个位点上受到什么样的选择压力？ B. 各个位点的碱基频率反映了什么样的规律？
4. 表征/统计的方法：计算G+C的含量，并进行 比较；
分子进化的理论
1. 阳性选择，适应性进化，达尔文进化：DNA分
子显著出现非同义替代，改变编码蛋白质的氨基酸组成，
并产生新的功能； 2. 阴性选择，净化选择：DNA分子的同义替代显著，
较少改变蛋白质的氨基酸组成，其原来的功能高度保守；
3. 中性进化：同义替代与非同义替代比例相当，突变不
好不坏，不改变或轻微改变蛋白质的功能。
同义替代 vs. 非同义替代
GCGGTTTGGGAG
(3) HIV protease: 高突变性
Ka/Ks >> 1, 强的正选择压力，具有很高的可突 变性
本章内容提要
1. 密码子偏好及相应分析； 2. 氨基酸序列的进化演变； 3. DNA序列的进化演变； 4. 同义与非同义的核苷酸替代； 5. 系统发育树的构建； 6. 分子钟与线性树； 7. MEGA软件的使用；
基因复制：单个基因复制
重组 逆转录
基因复制：染色体片段复制
基因复制：基因组复制
S. Cerevisiae (酿酒酵母) K. Waltii (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
1. 从物种的一些分子特性出发，构建系统发育树，进而了 解物种之的生物系统发生的关系 —— tree of life; 物种 分类；
GCGGTCTGCGAC 64个密码子，编码20个氨基酸
GTT
CGT
GTC
CGC
GTA
GTG 脯氨酸P
组氨酸 H
四倍简并
二倍简并
TGG TGC
色氨酸 W 半胱氨酸 C
同义替代
非同义替代
编码区 vs. 非编码区
1. 编码区：DNA上编码功能性的基因的部分； 2. 非编码区：或称基因组序列，绝大部分无功能； 3. 选择压力：
第三种方案：分子进化
1. 1964年，Linus Pauling提出分子进化理论； 2. DNA & RNA: 4种碱基；蛋白质分子：20种氨基
酸； 3. 发生在分子层面的进化过程：DNA, RNA和蛋白
质分子； 4. 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
1. DNA突变的模式：替代，插入，缺失，倒位； 2. 核苷酸替代：转换 (Transition) & 颠换