生物的进化与中性检验课件

,单击此处编辑母版标题样式,2020/11/9,#,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,生物的进化与中性检验,生物的进化与中性检验,1,进化的证据,一、古生物学的证据,不同地质年代所发现的不同化石,直接论述生物进化的最可靠的证据,过渡类型的生物化石,为我们提供了一类生物如何演变成另一类生物方面的有力证据,进化的证据一、古生物学的证据,2,二、比较解剖学的证据,同源器官（,homologous organ）,同功器官（,analogous organ）,痕迹器官（,vestigial organ）,二、比较解剖学的证据,3,生物的进化与中性检验课件,4,“生物发生律”,“重演论”,德国学者海克（,Haeckel）,三、胚胎学证据,“生物发生律”德国学者海克（Haeckel）三、胚胎学证据,5,胚胎学证据：脊椎动物的胚胎发育,Different Embryos ,Same Structure,胚胎学证据：脊椎动物的胚胎发育Different Embry,6,四、生物化学和分子生物学的证据,1、组成化学元素相同,2、20种氨基酸相同,3、遗传物质主要是,DNA,4、,普遍以,ATP,作为能量载体,5、血清学实验,6、分子生物学的方法证明生物亲缘关系，如测定蛋白质分子结构（使用最多的上是细胞色素,C,与血红蛋白）,四、生物化学和分子生物学的证据2、20种氨基酸相同3、遗传物,7,血清学实验,血清学实验,8,第二节 生物进化的理论,一、,拉马克学说,拉马克（,J.B.Lamarck,1744,1829,）,法国人被认为是科学进化论的创使者。,1809年，他发表动物的哲学一书，提出两个法则：,“,用进废退,”,和,“,获得性遗传,”,。,第二节 生物进化的理论 一、 拉马克学说,9,用进废退,获得性遗传,获得什么？遗传什么？,用进废退获得性遗传获得什么？遗传什么？,10,达尔文（,Charles Darwin 18091882），,英国人，原,在剑桥大学学习神学，相信,“,特创论,”,二、,达尔文的自然选择学说,后来成为一名坚定的进化论者。1859年，达尔文发表著名的物种起源一书，提出了以,“,自然选择,”,为基础的进化学说，即,“,达尔文主义,”,。,达尔文（Charles Darwin 18091882），,11,1、,达尔文学说的主要内容：,（1）一切生物有发生变异的特性，许多变异,能遗传；,（2）一切生物均具有巨大的繁殖力；,（3）生存斗争；,（4）自然选择或适者生存；,（5）长期、多代的自然选择，变异积累逐渐,形成新物种；,（6）生物永远在发展进化之中，不会长期停,留在一个水平上。,1、 达尔文学说的主要内容：（2）一切生物均具有巨,12,1遗传与变异,人工选择,（,commmon descent with modification）,2.,自然选择,马尔萨斯的人口论,（,natural selection）,达尔文自然选择理论的形成,1遗传与变异人工选择 达尔文自然选择理论的形成,13,三、动物进化规律,适应辐射律,趋同律,平行律,不可逆律,停滞进化,三、动物进化规律,14,四、现代综合进化论,新拉马克主义,新达尔文主义的进化学说,综合进化论,分子进化的中性学说,间断平衡论,四、现代综合进化论,15,群体遗传水平的,“,进化综合理论,”,分子遗传水平的,“,中性学说,”,生物进化研究的现代发展,生物进化研究的现代发展,16,进化综合理论,进化综合理论的形成,费希尔(,Fisher)、,赖特(,Wright)、,霍尔丹(,Haldane)、,穆勒(,Muller)、,杜比宁(,Dubinin)、,杜布赞斯基(,Dobzanky),等分别就不同因素建立数学模型，研究各种因素对群体遗传平衡的定量影响。,杜布赞斯基1937年出版了遗传学和物种起源标志着进化综合理论创立，被称为现代达尔文主义。,1970年杜布赞斯基出版了进化过程的遗传学一书，进一步完善和发展了群体遗传学。,进化综合理论进化综合理论的形成,17,进化综合理论的主要观点,群体是生物进化的基本单位，进化就是群体遗传结构的改变；,基因突变是偶然的、与环境无必然联系；,突变、基因重组、选择和隔离是生物进化和物种形成的基本环节,；,自然选择是连接物种基因库和环境的纽带，自动地调节突变与环境的相互关系，把突变偶然性纳入进化必然性的轨道，产生适应与进化。,指出,自然选择存在多种机制和模式，并从群体水平与分子水平进行了阐述,。,进化综合理论的主要观点群体是生物进化的基本单位，进化就是群,18,从分子水平研究生物进化的优点,传统的生物进化研究的主要依据是,生物个体、细胞水平,研究所提供的信息。,分子水平研究发现，在生物大分子中蕴藏了丰富的生物进化遗传信息；从分子水平研究生物进化具有以下优点：,根据生物所具有的核酸和蛋白质结构上的差异程度，可以估测生物种类的进化时期和速度。,对于结构简单的微生物的进化，只能采用这种方法。,它可以比较亲缘关系极远类型之间的进化信息。,从分子水平研究生物进化的优点传统的生物进化研究的主要依据是生,19,分子,水平,的,进化信息研究,研究表明,：,在不同物种中，相应核酸和蛋白质序列组成存在广泛差异，并且这些差异在长期生物进化过程中产生，具有相对稳定的遗传特性。,根据这类信息可以,估测物种间的亲缘关系,：物种间的核苷酸或氨基酸序列相似程度越高，其亲缘关系越近，反之亲缘关系越远。,从分子水平研究获得的生物进化信息与地质研究估计数据十分接近。,分子水平的进化信息研究研究表明：,20,分子,水平,的,进化信息研究,氨基酸序列与系统发育,核苷酸序列与系统发育,基因组的进化,分子水平的进化信息研究 氨基酸序列与系统发育,21,蛋白质,直接或间接影响生物进化。,DNA,核苷酸序列,氨基酸序列,蛋白质主体结构和理化性质。,比较生物之间同一蛋白质的组成,估计其亲缘关系和进化程度,发现生物进化中遗传物质变化情况。,有些蛋白质在各类生物进化中执行同一任务，例如细胞色素,C,是一种呼吸色素、在氧化代谢中担任转移电子的作用。,根据蛋白质中氨基酸变化数目和各类生物相互分歧的时间对比，可计算进化时蛋白质变化速率。,氨基酸序列与系统发育,蛋白质 直接或间接影响生物进化。 氨基酸序列与系统发育,22,分析比较不同物种,同功蛋白,的组成，可以估测它们之间的亲缘程度和进化速度。,蛋白质进化中研究得最多的是血红蛋白和细胞色素,c,的氨基酸序列差异。,分析比较不同物种同功蛋白的组成，可以估测它们之间的亲缘程度和,23,黑猩猩细胞色素,C,中的氨基酸和人完全一样；,恒河猴和人的细胞色素,C,也只有一个氨基酸不同。, 恒河猴和黑猩猩与人的亲缘关系较近。,人,陆生动物的亲缘关系较近,细胞色素,C,氨基酸差异无或很小；,人,微生物的差异最多。,黑猩猩细胞色素C中的氨基酸和人完全一样；,24,根据不同生物细胞色素,C,的氨基酸差异􀃎 估测各类生物相互分化的大致时间。,根据不同生物细胞色素C的氨基酸差异􀃎 估测各类生物相互,25,细胞色素,C,的进化速率是,0.310,-9,，可计算人类与其它物种的分歧时间：,人恒河猴：约为,0.16,亿年；,人兔子、猪、狗、马和企鹅等哺乳动物：约在,23,亿年；,人蛾等昆虫：约在,7,亿年前；,人酵母曲等真菌：约,13,亿年前。,细胞色素C的进化速率是0.310-9，可计算人类与其它物,26,根据氨基酸序列差异,估算物种进化的分歧时间,(年),采用物种之间的最小突变距离构建进化树,(evolutiontree),根据氨基酸序列差异估算物种进化的分歧时间(年)采用物种之间的,27,例如上述方法估测到原核生物和真核生物的分化比动物和植物的分化大约早,1.52.0,倍时间，其中：,动物和植物的分化约在,12,亿年前；,原核生物和真核生物的分化大约在,20,亿年以前。,这些同化石记录的分析十分相似。,利用分子水平估算方法测定的鲤鱼与人、马、牛的相对进化时间相差约,4.8,倍。,而从地质历史上估算，鱼类起源于,3.54.0,亿年之间，,哺乳动物起源于,0.750.8,亿年之前，即鱼类对哺乳动物的相对进化时间约为,5,倍。,分子水平估算与地质估算数据十分接近。,例如上述方法估测到原核生物和真核生物的分化比动物和植物的分,28,根据,20,种不同生物细胞色素,C,氨基酸碱基序列差异计算平均最小突变距离构建物种进化树列,.,根据20种不同生物细胞色素C氨基酸碱基序列差异计算平均最小,29,核苷酸序列与系统发育,核酸的分子结构中包含了丰富的进化信息。,同功蛋白基因、非蛋白表达基因序列两两比较或多重比较，可以推断序列间同源性，并进行差异性分析构建分子水平,系统进化树,(,evolution tree);,在结构基因组研究的基础上进行序列比较研究可能为物种比较提供更为全面的信息，甚至全基因组序列比较。,利用序列信息还可以估算,分子进化速率,，从而用,分子进化钟,来估算物种进化的分歧时间。,核苷酸序列与系统发育核酸的分子结构中包含了丰富的进化信息。,30,DNA,量的变化：,一般生物由简单到复杂,DNA,含量由少到多。,分子遗传学表明：,复杂生物种类需要更多的基因来传递和表达较为复杂的遗传信息。,例如,噬菌体有,9,个基因、,SV40,病毒有,610,个基因，而,“,人类基因组计划,”,研究表明人,46,条染色体上约有,34,万个基因。,有许多基因如血红蛋白基因、免疫球蛋白基因等只存在于比较高等的生物。,DNA量的变化：一般生物由简单到复杂 DNA含量由少到,31,生物的进化与中性检验课件,32,. DNA,差异用于估算分子的进化速率：,用分子进化速率可以推断分子进化钟,（,molecular evolutionary clock,），简称分子钟。,分子进化速率的计算方法（以氨基酸为例）：,-In(1-d/n),K=,2T,其中：,k,是每年各位点上氨基酸的置换率，,ln,是自然对数，,d,是氨基酸置换数（最小突变距离），,n,是所比较的氨基酸总数,。,众多物种的氨基酸分子进化速率计算结果表明，,k,值一般都在,10,-9,。,日本木村资生,(Kimura,M.),建议将,10,-9,定为生物分子进化钟的速率,. DNA差异用于估算分子的进化速率：用分子进化速率可以推,33,估算不同物种进化分歧的时间：,T=,-In(1-d/n),2K,估算不同物种进化分歧的时间：-In(1-d/n)2K,34,生物的进化与中性检验课件,35,生物的进化与中性检验课件,36,生物的进化与中性检验课件,37,二,.,多基因家族,（,multigene family ),的进化,三线粒体,DNA,的进化,动物,mtDNA,中的核苷酸顺序的进化速率要比核基因的编码顺序快得多,(,快,510,倍,),。,(1),可能和,mtDNA,顺序的高突变率有关。,(2),因为其缺乏修复机制,(3)mtDNA,的,DNA,聚合酶存在较多倾向误差。,(4),可能是选择压力在核基因中淘汰了很多突变，而在线粒体中这种压力松驰了,(5),再者由,mtDNA,编码的蛋白质,tRNAs,和,rRNAs,的改变对个体适应性的损伤更少一些。,二. 多基因家族（multigene family )的进,38,基因组的进化,海胆、两栖类、鸟类和哺乳类,在自由生活的生物中，细胞内基因组,DNA,的含量与进化过程存在密切关系，不同生物按细胞内,DNA,含量不同，可分为四大重叠类群：,细菌,DNA,含量最低，变动于0.0030.01,pg；,真菌,每个细胞,DNA,含量不足0.1,pg；,大多数,动物,和某些植物,每个细胞,DNA,含量变动于0.110,pg；,蝾螈、某些鱼和许多植物,每个细胞,DNA,含量大于10,pg。,基因组的进化海胆、两栖类、鸟类和哺乳类在自由生活的生物中，细,39,生物的进化与中性检验课件,40,注意：,一般情况下，高等生物遗传信息比低等生物复杂，因此基因组内,DNA,含量较高；而低等生物的基因组,DNA,含量相对较低。,基因组,DNA,含量与生物的进化也有矛盾之处，尤其在真核生物中。因为真核生物基因组,DNA,中存在大量高度重复且无功能的区段,自私,DNA，,导致了,DNA,含量与其进化水平的矛盾。,注意：,41,15.4.3,中性学说,中性,基因,分子水平研究发现生物基因组中存在中性基因突变：不同等位基因间碱基序列存在差异，但无表型选择作用。中性基因频率改变不是选择压引起，而主要是由遗传漂变引起。基因中性突变可能有以下几种情况：,氨基酸序列改变性状变异，但无选择意义(中性性状)；,氨基酸序列改变，但蛋白质功能不发生改变(中性突变)；,氨基酸序列不改变(同义突变)。,15.4.3 中性学说中性基因,42,自然选择学说,在分子水平,的矛盾,自然选择学说认为：生物进化是微小变异长期选择而产生的,群体遗传定向改变的,过程。,据此可以推测：具有适应性意义的基因，在定向选择作用下进化速率应该比中性基因快；存在于物种间分子水平上的差异也更大。,但现有分子水平的研究表明：中性基因往往比那些功能上重要的基因在物种间差异要大得多。也就是说：,中性基因的进化速率比具有重要功能的基因快,。,自然选择学说在分子水平的矛盾自然选择学说认为：生物进化是微小,43,中性突变：不影响分子结构和功能的突变,DNA,水平,基因组非编码区的同义替换和错义替换中的保守性替换,中性突变,中性突变：不影响分子结构和功能的突变中性突变,44,1968年木村资生提出了分子进化的,“,中性学说,”,，全称是,“,中性突变,-,随机漂变假说,”,。他,认为,：,中性基因在种内的积累不是由于自然选择，而是由于遗传漂变导致的偶然固定；,决定分子进化的主导因素是那些对生物生存既无利、又无害的,“,中性,”,基因；,生物物种间(中性基因)在分子水平上的进化速率是一致的。,中性学说,1968年木村资生提出了分子进化的“中性学说”，全称是“中性,45,生物的进化与中性检验课件,46,What do we mean when we say “This gene is evolving neutrally”?,The sample of genes resides in a population at,drift-mutation equilibrium,.,Drift and mutation are the ONLY forces acting within your sampled populations,Mating is at random,Offspring are produced following a Poisson distribution with intensity 1.,An outgroup diverged,T, 4,N,e,generations ago with no subsequent gene flow or demographic fluctuations,Neutrality,What do we mean when we say “T,47,Time scale of neutrality,Phylogenies,Pairs of species,Within a species,Neutral theory of molecular evolution,Population genetics,Phylogenetics,Time,Long ago,Recent,Time scale of neutralityPhylog,48,Protein,Isozymes*,DNA,RAPDs,RFLPs,AFLPs*,SSRs*,DNA sequences*,SNP genotypes*,Types of Data,Raw data from commonly used technologies,Types of DataRaw data from com,49,The site-frequency spectrum (sfs),Unfolded sfs,Folded sfs,The site-frequency spectrum (s,50,The fundamental population genetic parameter,Diversity within populations is controlled by the parameter,:,which is the product of the effective population size (,N,e,) and the per generation mutation rate (,u,). It is the effective number of new mutants per generation.,It is a population-level parameter.,If,u,varies among loci, the genome-wide estimate of, can be approximated by using the geometric average of,across loci where:,The fundamental population gen,51,A simple model of the mutational process,Imagine that your DNA sequences are part of an infinite “string of pearls”.,Mutations change a pearl from white to black.,Because the string is infinite, mutations only “hit” any given pearl once. Therefore, all DNA sequence polymorphisms have only two alleles.,This is the,infinite sites mutation model,.,A simple model of the mutation,52,Sample-based estimators of, using the,sfs,Estimator,Sensitivity,Source,low,Watterson (1975),intermediate,Tajima (1989),singleton,Fu and Li (1993),high,Fay and Wu (2000),high,Zeng et al. (2006),Sensitivity,= the frequency of observed polymorphisms that makes estimates using a given estimator large relative to the others.,Sample-based estimators of u,53,Statistical performance of estimators,Statistical performance of est,54,Divergence,There are many measures of divergence, here I will use those of Nei (1987):,Average pairwise divergence,Net divergence,Net divergence as a function of,u,and,T,DivergenceThere are many measu,55,Three major types of tests:,Those based on summaries of the,sfs,Those based directly on the,sfs,Those based on polymorphism and divergence,HKA,MKA,Testing for neutrality,Eckert, Neutrality Testing, 5-Aug-2008 16,Three major types of tests:Tes,56,The basic idea,:,Compare two estimators of diversity (,).,Under neutrality, different estimators have the same expectation,E,(,) =,.,Although each estimator is unbiased, they are sensitive to changes in different parts of the site-frequency spectrum.,Neutrality testing:Summary statistics,The basic idea:Neutrality test,57,Tajimas,D,Fu and Lis,F*,Fu and Lis,D*,Summary statistic based tests from the folded,sfs,Estimators of,:,Tajimas DSummary statistic ba,58,Tajimas,D,The math,:,The mechanics,:,When,W,D,is negative.,W,occurs when many rare polymorphisms are observed.,When,W,D,is positive.,W,H,is negative.,L,occurs when many high frequency polymorphisms are observed.,When,L,H,is positive.,L,occurs when many equally frequent polymorphisms are observed relative to high frequency variants.,Under neutrality,E,(,L,) =,E,(,), so that,H,= 0.,The biology,:,A,selective sweep,may have occurred when too many high frequency polymorphisms occur in a sample and Fay and Wus,H,is negative.,Either you have sampled gene sequences during a,selective sweep,OR long-term,balancing selection,has occurred when too many polymorphisms are present at intermediate frequencies within a sample and Fay and Wus,H,is positive.,Fay and Wus HThe math:The mec,62,Normalized,H,vs.,H,Normalized H vs. H,63,Summary,Statistic,Comparison,(frequency of variants),Tajimas,D,intermediate to low,Fay and Wus,H,high to intermediate,Zeng et al.s,E,high to low,SummaryStatisticComparison Taj,64,Tests of allele frequency distribution,Neutral,Positive Selection,Balancing Selection,Tajimas D,Fu and Lis D*,Fay and Wus H,D = 0,D 0,D* = 0,D* 0,H = 0,H 0,NA,Excess of,Low,Frequency Alleles,Excess of,Intermediate,Frequency Alleles,Tests of allele frequency dist,65,生物的进化与中性检验课件,66,