分子进化与系统发育

Posted 2020-08-27 Digital-LI

参考：吴祖建, 高芳銮, 沈建国. 生物信息学分析实践[M]. 科学出版社, 2010.

薛大牛说过，搞生物信息的不能挑食，有啥就该做啥。

生物信息中的一大热点就是进化分析，推断出一个物种在整个群体中的进化过程。

先读一篇科普文章：（源宜基因）

生物的进化指的是生物群体性质随时间经历的变化。分子生物学的发展大大加快了进化研究的前进步伐，DNA序列，凭借自身相对稳定的进化演变过程和巨大的信息优势，大大提高了对物种间系统发育关系的推断能力。基因组大小与不同部分进化速率的多样性，分子特征提供了一个从非常近的时间到地球上生命起源时间内的系统发育记录，因而可以比较物种的DNA信息来研究生物的进化关系。

分子进化目前已经成为生物进化研究的重点。进化主要基于基因突变，核苷酸替代、插入缺失、重组和倒位等引发基因突变，突变的基因或DNA序列通过群体水平的遗传漂变或自然选择进行扩散，从而产生新的形态或功能性状，最终在物种间得以固定并传递给其所有后代。

分子进化研究的目的

从物种的一些分子特征出发，了解物种之间的生物系统发生的关系，通过核酸与蛋白序列的同源性比较进而了解基因的进化以及生物系统发生的内在规律。

同源性是指从一些数据中推断出发的两个基因或者蛋白质序列具有共同祖先的结论，属于质的判断，是将待研究序列加入一组与之同源、但来自不同物种的序列中进行多序比较，以确定该序列与其它序列间的同源性大小，常用的多序列比对程序有Clustal-Alignment等，它与Blast的局部匹配搜索不同，多序列比对大多采用全局比对的算法，这对于采用计算机程序的自动多序列比对是一个非常复杂且耗时的过程，特别是在序列数据多且序列长的情况下。

分子进化研究的理论基础是在各种不同的发育谱系及足够大的进化时间尺度中，许多序列的进化速率几乎是恒定不变的。实际上，虽然很多时候存在争议，但是分子进化的确能阐述一此生物系统发生的内在规律。

系统发育分析

系统发育学研究的是任何分类单元的起源与进化关系，系统发育分析就是要推断或者评估这些进化关系。系统发育分析是通过多序列比对，研究一组相关的基因或者蛋白质，推断和评估不同基因间的进化关系。在研究生物进化和系统分类中，常用类似树状分支的图形来概括各种生物之间的亲缘关系，称之为系统发育树。

用于系统发育分析的分子标记选择

分子标记是直接在DNA分子上检测生物间的差异，在DNA水平上遗传变异的直接反映。它是蛋白质、核酸分子的突变为基础，检测生物遗传结构与其变异来反应生物个体间的差异。DNA分子标记可以不同发育时期的个体、任何组织器官甚至细胞进行检测，数量多，遍及整个基因组，多态性高，遗传稳定，不受环境及基因表达的限制。以DNA序列研究物种进化常用方法：第一根据研究对象及目的，选择合适的基因或者DNA区域，并测定目标DNA片段的序列。对于近缘物种，应选择进化速度较快的区域；对于远缘物种，应选择相对保守的区域。第二，通过DNA同源序列的比较，采用一定的系统重建途径与方法，确定基因系统树与物种系统树。任何水平的系统发育问题都能通过选择适当的分子标记解决。

最迅速进化的DNA序列是真核生物的线粒体DNA，对于种内群体与近缘种类的关系探讨非常有利。其它的DNA分子标记进化速率介于mt DNA和r DNA之间。除编码区外，某些基因簇中包含了多样性的转录和非转录区，它们同样提供了从最近到很久时间范围内的系统发育记录。线粒体DNA被作为分子标记已广泛应用于分类学、系统进化、群体遗传、法医学和人类学等方面的研究。

 

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