系統(tǒng)進(jìn)化樹的構(gòu)建方法與軟件應(yīng)用

1、系統(tǒng)進(jìn)化樹的構(gòu)建方法與軟件應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)化樹的構(gòu)建方法與軟件應(yīng)用什么是系統(tǒng)進(jìn)化樹系統(tǒng)進(jìn)化樹又稱為演化樹，是表明被認(rèn)為具有共同祖先的各物種間演化關(guān)系的樹.在樹中每個節(jié)點代表其各個分支的最近共同祖先，而節(jié)點的線段長度對應(yīng)了其演化的距離。()系統(tǒng)進(jìn)化樹的構(gòu)建方法與軟件應(yīng)用直系同源和旁系同源直系同源：同源的基因是由共同的祖先基因進(jìn)化而產(chǎn)生的。 旁系同源：同源的基因是由于基因復(fù)制產(chǎn)生的。這也就告訴我們用于分子進(jìn)化分析中的序列必須是直系同源的才可以真實的反映其進(jìn)化的過程。系統(tǒng)進(jìn)化樹的構(gòu)建方法與軟件應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)化樹的分類根據(jù)樹是否有根，進(jìn)化樹可以分為有根樹和無根樹兩類。系統(tǒng)進(jìn)化樹的構(gòu)建方法與軟件應(yīng)用有根樹和無根樹

2、的進(jìn)化層面上的意義有根樹反應(yīng)了樹上物種或者基因進(jìn)化的時間順序,通過分析有根樹的長度，可以了解不同的物種或者基因以什么方式和速率進(jìn)化。無根樹只反映分類單元之間的距離,而不涉及誰是誰的祖先問題做有根樹需要指定outgroup。所謂out group ， 就是你所分析的東西之外的一個group。比如你分析人類的不同人種，就選個chimpanzee，你要分析哺乳動物，就選個鱷魚烏龜之類，總之保證它在 你要分析的group之外，但又不太遠(yuǎn)就行了。將你選定的東西指定為outgroup，做出來的樹就是有根樹。out group可以不只一個，它是一個group。系統(tǒng)進(jìn)化樹的構(gòu)建方法與軟件應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)化樹的結(jié)構(gòu)n

3、odenodebranchbranch進(jìn)化樹的結(jié)構(gòu)主要分為三部分： 樹葉 樹枝 節(jié)點其中我們把從同一個節(jié)點上分出的兩個分支叫做sister group.Sister group 從結(jié)構(gòu)上可以理解為從進(jìn)化史上看兩者非常接近，其次兩者擁有唯一的共同的祖先。系統(tǒng)進(jìn)化樹的構(gòu)建方法與軟件應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)化樹的結(jié)構(gòu)cdbadcbadbca從結(jié)構(gòu)上看，我們認(rèn)為這三個樹是等價的系統(tǒng)進(jìn)化樹的構(gòu)建方法與軟件應(yīng)用構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹的理論方法最大簡約法(maximum parsimony，MP)最早源于形態(tài)性狀研究，現(xiàn)在已經(jīng)推廣到分子序列的進(jìn)化分析中。最大簡約法的理論基礎(chǔ)是奧卡姆哲學(xué)原則，這個原則認(rèn)為：解釋一個過程的最好理論是

4、所需假設(shè)數(shù)目最少的那一個。對所有可能的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行計算，并計算出所需替代數(shù)最小的那個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，作為最優(yōu)樹。優(yōu)點：最大簡約法對于分析某些特殊的分子數(shù)據(jù)如插入、缺失等序列有用。在分析的序列位點上沒有回復(fù)突變或平行突變，且被檢驗的序列位點數(shù)很大的時候，最大簡約法能夠推導(dǎo)獲得一個很好的進(jìn)化樹。缺點：在分析序列上存在較多 的回復(fù)突變或平行突變，而被檢驗的序列位點數(shù)又比較少的時候，最大簡約法可能會給出一個不合理的或者錯誤的進(jìn)化樹推導(dǎo)結(jié)果。系統(tǒng)進(jìn)化樹的構(gòu)建方法與軟件應(yīng)用構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹的理論方法最大似然法(maximum likelihood,ML)最早應(yīng)用于系統(tǒng)發(fā)育分析是在對基因頻率數(shù)據(jù)的分析上，后來基于分

5、子序列的分析中也已經(jīng)引入了最大似然法的分析方法。當(dāng)樣本量很大的時候，似然法可以獲得參數(shù)統(tǒng)計的最小方差。最大似然法分析中，選取一個特定的替代模型來分析給定的一組序列數(shù)據(jù)，使得獲得的每一個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的似然率都為最大值，然后再挑出其中似然率最大的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 作為最優(yōu)樹。最大似然進(jìn)化模型簡單假設(shè)所有核苷酸（或者氨基酸）之間相互轉(zhuǎn)變的概率是一樣的程序會把所有可能的核苷酸輪流置于進(jìn)化樹的內(nèi)部節(jié)點上，并且計算每個這樣的序列產(chǎn)生實際數(shù)據(jù)的可能性。所有可能再現(xiàn)的幾率被加總，產(chǎn)生一個特定點的似然值，然后這個數(shù)據(jù)集的所有比對位點的似然值的加和就是整個進(jìn)化樹的似然值。 系統(tǒng)進(jìn)化樹的構(gòu)建方法與軟件應(yīng)用構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹的理論方

6、法 鄰近法（Neighbor-Joining Method，NJ ）該方法通過確定距離最近(或相鄰)的成對分類單位來使系統(tǒng)樹的總距離達(dá)到最小。相鄰是指兩個分類單位在某一無根分叉樹中僅通過一個節(jié)點(node)相連。通過循序地將相鄰點合并成新的點，就可以建立一個相應(yīng)的拓?fù)錁洹Ｏ到y(tǒng)進(jìn)化樹的構(gòu)建方法與軟件應(yīng)用構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹的所涉及的工具PHYLIPMEGARMatlabBioEditTreeViewPHYMLClustalX系統(tǒng)進(jìn)化樹的構(gòu)建方法與軟件應(yīng)用構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹的所涉及的工具PHYLIP由美國華盛頓大學(xué)Felsenstein開發(fā)，可以免費下載，適用于絕大多數(shù)操作系統(tǒng)PAUP由美國simthson

7、ion institute開發(fā)，僅適用于Apple-Macintosh和UNIX操作系統(tǒng)MEGA美國賓夕法尼亞州立大學(xué)MasatoshiNei開發(fā)的分子進(jìn)化遺傳學(xué)軟件，圖形化，集成的進(jìn)行分析工具，不包括MLMOLPHY日本國立統(tǒng)計數(shù)理研究所開發(fā)，最大似然法構(gòu)樹PAML英國University college London開發(fā)，最大似然法構(gòu)樹和分子進(jìn)化模型系統(tǒng)進(jìn)化樹的構(gòu)建方法與軟件應(yīng)用構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹的所涉及的工具PUZZLE應(yīng)用quarter puzzling方法（一種最大簡約法）構(gòu)建系統(tǒng)樹TreeView英國University of Glasgow開發(fā)，進(jìn)化樹顯示工具Phylogeny歐洲生

8、物信息研究所（EBI）的系統(tǒng)發(fā)育分析軟件PHYML快速的建樹工具M(jìn)rBayes基于貝葉斯方法的建樹工具M(jìn)AC5基于貝葉斯方法的建樹工具系統(tǒng)進(jìn)化樹的構(gòu)建方法與軟件應(yīng)用構(gòu)建樹，可以用PHYLIP或者M(jìn)EGA構(gòu)建MP樹，可以使用PHYLIP或者M(jìn)EGA構(gòu)建ML樹可以使用PHYML，速度快，同時構(gòu)建ML樹還可以用PHYLIP，或者可以使用BioEdit貝葉斯的算法以MrBayes為代表，不過速度比較慢關(guān)于系統(tǒng)發(fā)育分析的更多知識請參閱：系統(tǒng)進(jìn)化樹的構(gòu)建方法與軟件應(yīng)用構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹的主要步驟大體來說構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹的步驟有三步：序列比對 (ClustalX2)系統(tǒng)進(jìn)化樹的構(gòu)建方法與軟件應(yīng)用構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹的主

9、要步驟2. 掐頭去尾 選取所需序列 轉(zhuǎn)換格式（BioEdit or ClustalX2） ExampleExample：3. 利用相關(guān)軟件繪制系統(tǒng)進(jìn)化樹（BioEdit，MEGA） 系統(tǒng)進(jìn)化樹的構(gòu)建方法與軟件應(yīng)用實例講解下面的內(nèi)容將教大家如何來構(gòu)建自己的系統(tǒng)進(jìn)化樹。首先我們需要弄清楚一個很重要的問題，什么是Fasta 格式? 在生物信息學(xué)中，F(xiàn)ASTA格式（又稱為Pearson格式），是一種基于文本用于表示核苷酸序列或氨基酸序列的格式。在這種格式中堿基對或氨基酸用單個字母來編碼，且允許在序列前添加序列名及注釋。序列文件的第一行是由大于號“”或分號“;”打頭的任意文字說明（習(xí)慣常用“”作為起始）

10、，用于序列標(biāo)記。從第二行開始為序列本身，只允許使用既定的核苷酸或氨基酸編碼符號。系統(tǒng)進(jìn)化樹的構(gòu)建方法與軟件應(yīng)用 構(gòu)建我們自己的Fasta 文件很多情況下，F(xiàn)asta文件是直接可以從數(shù)據(jù)庫中下載得到的，但是根據(jù)實際要求的不同，有時候我們需要自己構(gòu)建Fasta文件，如果您已近有了想用來構(gòu)建進(jìn)化樹的序列，您可以如右圖所示構(gòu)建自己的文件，文件的保存格式是： 文件名.txt系統(tǒng)進(jìn)化樹的構(gòu)建方法與軟件應(yīng)用實例講解下面我們以禽流感病毒為例，構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹。首先我們要下載我們所需的序列。系統(tǒng)進(jìn)化樹的構(gòu)建方法與軟件應(yīng)用實例講解請在Define search set: 中選擇我們想要的禽流感病毒的Type, Ho

11、st, Country/Region, Subtype.這里我們選在了A型禽流感病毒，當(dāng)然在這次練習(xí)中您喜歡的任意類型。系統(tǒng)進(jìn)化樹的構(gòu)建方法與軟件應(yīng)用實例講解請在Define search set: 中選擇我們想要的禽流感病毒的Type, Host, Country/Region, Subtype.這里我們選在了A型禽流感病毒，當(dāng)然在這次練習(xí)中您喜歡的任意類型。當(dāng)您確定之后請點擊 Show resultsShow results系統(tǒng)進(jìn)化樹的構(gòu)建方法與軟件應(yīng)用實例講解 當(dāng)您點擊完 Show results 之后你要做的就是選在我們所需的序列了系統(tǒng)進(jìn)化樹的構(gòu)建方法與軟件應(yīng)用實例講解 因為禽流感病毒

12、不像別的很多別的病毒只有核苷酸序列，它擁有八個或者七個Negative -sense RNA。系統(tǒng)進(jìn)化樹的構(gòu)建方法與軟件應(yīng)用實例講解這里我們只要選中其中一種就可以了，比如說，我們可以選擇個樣本來構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹。樣本選 擇 完 之 后 請 點 擊Download， 文件類型選擇Nucleotide (Fasta)，并把文件保存在計算機(jī) 您 熟 悉 的 地 方 。（當(dāng)然根據(jù)需求的不同您也可以選在蛋白序列）系統(tǒng)進(jìn)化樹的構(gòu)建方法與軟件應(yīng)用實例講解 文件下載完之后，下載的Fasta 文件直接用 ClustalX 2.0.12打開系統(tǒng)進(jìn)化樹的構(gòu)建方法與軟件應(yīng)用實例講解 在進(jìn)行多序列比對之前我們需要對軟件進(jìn)

13、行一些設(shè)置1.選擇Alignment標(biāo)簽2.選擇Output format options請將Clustalw sequences numbers選項設(shè)置為 On之后點擊 Ok ，在返回主界面之后請點擊Alignment 標(biāo)簽選擇 Do Complete Alignment選項選擇保存路徑之后點擊ok，剩下的時間可以去喝點咖啡休息一下。系統(tǒng)進(jìn)化樹的構(gòu)建方法與軟件應(yīng)用實例講解從圖中我們可以發(fā)現(xiàn)起始序列最短的是從位置22開始的，而尾端序列最短的是在位置1738，通過設(shè)置我們可以保存這樣一批已經(jīng)經(jīng)過掐頭去尾后的序列,保存格式為：文件名.aln。當(dāng)然我們也可以直接保存為Fasta format, 如果

14、選擇前者我們需要用BioEdit轉(zhuǎn)換格式，如果是后者我們可以直接進(jìn)入建樹階段。點 擊 主 界 面中的 File標(biāo)簽選擇 Save as選 項 ， 并 按照 例 子 設(shè) 置參數(shù)系統(tǒng)進(jìn)化樹的構(gòu)建方法與軟件應(yīng)用實例講解 經(jīng)過ClustalX2掐頭去尾后的序列可以用BioEdit軟件打開，選擇FileSave as保存類型為:文件名.fasta. 當(dāng)我們查詢結(jié)果的時候可以發(fā)現(xiàn)這和用ClustalX2保存的fasta文件是一致的。系統(tǒng)進(jìn)化樹的構(gòu)建方法與軟件應(yīng)用實例講解 下一步我們將介紹如何用MEGA構(gòu)建我們的進(jìn)化樹，首先請大家用MEGA軟件將我們之前保留的Fasta文件打開。系統(tǒng)進(jìn)化樹的構(gòu)建方法與軟件應(yīng)

15、用實例講解 下一步我們將介紹如何用MEGA構(gòu)建我們的進(jìn)化樹，首先請大家用MEGA軟件將我們之前保留的Fasta文件打開這時候會有兩個窗口，選擇File標(biāo)簽-Convert to Mega.系統(tǒng)進(jìn)化樹的構(gòu)建方法與軟件應(yīng)用實例講解選擇File標(biāo)簽-Convert to Mega.當(dāng)給出相應(yīng)的文件路徑之后點擊ok ,然后制定輸出文件格式：文件名.meg系統(tǒng)進(jìn)化樹的構(gòu)建方法與軟件應(yīng)用實例講解雙擊剛才保存的meg文件.選擇數(shù)據(jù)類型，在本次測試中我們用的是核苷酸序列，對于右邊的參數(shù)信息請點擊help按鈕。更具實際的情況我們這里選擇No選項系統(tǒng)進(jìn)化樹的構(gòu)建方法與軟件應(yīng)用實例講解下一步進(jìn)入建樹的最后階段在Pl

16、ylogeny中選擇建樹方法，這里我們選擇NJ法。參數(shù)設(shè)置好之后點擊compute.蛋白質(zhì)序列一般選擇Poisson Correction（泊松校正）,對于核苷酸序列一般采用Kimura-2模型系統(tǒng)進(jìn)化樹的構(gòu)建方法與軟件應(yīng)用實例講解根據(jù)Mega的計算最終我們得到了序列中的進(jìn)化關(guān)系。Mega軟件還可以自動提供一份簡要的分析報告，你只需要點擊Caption按鈕報告便可以自動生成。如果Bootstrap Value 70我們認(rèn)為這個分支是可靠的 系統(tǒng)進(jìn)化樹的構(gòu)建方法與軟件應(yīng)用進(jìn)化樹評估優(yōu)化方法簡介：常用的兩種方法就是Bootstrap和Jackknife。 所謂Bootstraping法 就是從整個序列的堿基（氨基酸）中任意選取一半，剩下的一半序列隨機(jī)補(bǔ)齊組成一個新的序列。這樣，一個序列就可以變成了許多序列，一個多序列組也就可以變 成許多個多序列組。根據(jù)某種算法（最大簡約性法、最