生物信息學(xué)實驗---多序列比對和進化樹的構(gòu)建

1、實驗三 多序列比對和進化樹的構(gòu)建一、 實驗?zāi)康?、熟悉構(gòu)建分子系統(tǒng)發(fā)生樹的基本過程，獲得使用不同建樹方法、建樹材料和建樹參數(shù)對建樹結(jié)果影響的正確認識；2、掌握使用Clustalx進行序列多重比對的操作方法；3、掌握使用MEGA軟件構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)生樹的操作方法。二、實驗原理在現(xiàn)代分子進化研究中，根據(jù)現(xiàn)有生物基因或物種多樣性來重建生物的進化史是一個非常重要的問題。一個可靠的系統(tǒng)發(fā)生的推斷，將揭示出有關(guān)生物進化過程的順序，有助于我們了解生物進化的歷史和進化機制。對于一個完整的進化樹分析需要以下幾個步驟： 要對所分析的多序列目標(biāo)進行比對（alignment）。 要構(gòu)建一個進化樹（phyligenetic

2、tree）。構(gòu)建進化樹的算法主要分為兩類：獨立元素法（discrete character methods）和距離依靠法（distance methods）。所謂獨立元素法是指進化樹的拓撲形狀是由序列上的每個堿基/氨基酸的狀態(tài)決定的（例如：一個序列上可能包含很多的酶切位點，而每個酶切位點的存在與否是由幾個堿基的狀態(tài)決定的，也就是說一個序列堿基的狀態(tài)決定著它的酶切位點狀態(tài)，當(dāng)多個序列進行進化樹分析時，進化樹的拓撲形狀也就由這些堿基的狀態(tài)決定了）。而距離依靠法是指進化樹的拓撲形狀由兩兩序列的進化距離決定的。進化樹枝條的長度代表著進化距離。獨立元素法包括最大簡約性法（Maximum Parsimon

3、y methods）和最大可能性法（Maximum Likelihood methods）；距離依靠法包括除權(quán)配對法（UPGMAM）和鄰位相連法（Neighbor-joining）。 對進化樹進行評估，主要采用Bootstraping法。進化樹的構(gòu)建是一個統(tǒng)計學(xué)問題，我們所構(gòu)建出來的進化樹只是對真實的進化關(guān)系的評估或者模擬。如果我們采用了一個適當(dāng)?shù)姆椒?，那么所?gòu)建的進化樹就會接近真實的“進化樹”。模擬的進化樹需要一種數(shù)學(xué)方法來對其進行評估。不同的算法有不同的適用目標(biāo)。一般來說，最大簡約性法適用于符合以下條件的多序列：i 所要比較的序列的堿基差別小，ii 對于序列上的每一個堿基有近似相等的變異率

4、，iii 沒有過多的顛換/轉(zhuǎn)換的傾向，iv 所檢驗的序列的堿基數(shù)目較多（大于幾千個堿基）；用最大可能性法分析序列則不需以上的諸多條件，但是此種方法計算極其耗時。如果分析的序列較多，有可能要花上幾天的時間才能計算完畢。UPGMAM（Unweighted pair group method with arithmetic mean）假設(shè)在進化過程中所有核苷酸/氨基酸都有相同的變異率，也就是存在著一個分子鐘。這種算法得到的進化樹相對來說不是很準(zhǔn)確，現(xiàn)在已經(jīng)很少使用。鄰位相連法是一個經(jīng)常被使用的算法，它構(gòu)建的進化樹相對準(zhǔn)確，而且計算快捷。其缺點是序列上的所有位點都被同等對待，而且，所分析的序列的進化距

5、離不能太大。另外，需要特別指出的是對于一些特定多序列對象來說可能沒有任何一個現(xiàn)存算法非常適合它。 CLUSTALX和MEGA軟件能夠?qū)崿F(xiàn)上述的建樹步驟。CLUSTALX是Windows界面下的多重序列比對軟件。MEGA是多個軟件的壓縮包，功能極其強大，主要包括五個方面的功能軟件：i，DNA和蛋白質(zhì)序列數(shù)據(jù)的分析軟件。ii，序列數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成距離數(shù)據(jù)后，對距離數(shù)據(jù)分析的軟件。 iii，對基因頻率和連續(xù)的元素分析的軟件。iv，把序列的每個堿基/氨基酸獨立看待（堿基/氨基酸只有0和1的狀態(tài)）時，對序列進行分析的軟件。v，按照DOLLO簡約性算法對序列進行分析的軟件。vi，繪制和修改進化樹的軟件。三、實驗

6、儀器、設(shè)備及材料 計算機（聯(lián)網(wǎng)）五、實驗步驟1. 以下8個玉米細胞分裂素調(diào)控蛋白，利用CLUSTALW進行多序列排列。>ZmRR1MAAAAPAPASVAPSSAPKATGDSRKTVVSVDASELEKHVLAVDDSSVDRAVIARILRGSRYRVTAVESATRALELLALGLLPDVSMIITDYWMPGMTGYELLKCVKESAALRGIPVVIMSSENVPTRITRCLEEGAEGFLLKPVRPADVSRLCSRIR>ZmRR2MAAAATATPSVAPESGDRKAVAPPVDAVDLELELEEKHVLAVDDSSVDRAVIAKILRSSKYRVTTV

7、DSATRALELLALGLVPDVNMIITDYWMPGMTGYELLKHVKESSALRAIPVVIMSSENVPTRISRCLEEGAEDFLLKPVRPADVSRLCSRIR>ZmRR3MASRKCLGGEGSAPAPHVLAVDDSSVDRAVIAGILRSSQFRVTAVDSGKRALELLGTEPNVSMIITDYWMPEMTGYELLKKIKESSRLKEIPVVIMSSENVPTRINRCLEEGAEDFLLKPVRPSDVSRLCSRVLR>ZmRR4MTVLDAESRFHVLAVDDSIIDRKLIEMLLKSSSYQVTTVESGNKALELLGLRDNGA

8、EDASPPSSSSSSSSSSSPDHQEIDVSLIITDYCMPGMTGYDLLKRVKGSSSLKDIPVVIMSSENVPARISRCLQDGAEEFFLKPVKPADMKKLKSHLLKRKQPKQKNKPQAQAVESPEQQLDPHPQPVHELELEEAAADRNGVNKRKAAAMEEGLTVVVTAPESTKPRRLSTSSLTVET>ZmRR5MTVPDAESRFHVLAVDDSLVDRKLIEMLLKTSSYQVTTVDSGSKALELLGLRDASSPSPSSPDHQEIDVNLIITDYCMPGMTGYDLLKRVKGSSSLKDIPVVIMSSENVPAR

9、ISRCLQDGAEEFFLKPVKLADMKKLKSHLLKRKQPKEAQAQQGQAVELEPEQQLDPRAQPAHDAEETAAEPPPAASNGTADGGNKRKAAAMEEEGMLAVMTVAAPESSTKPRLSTTSNSLAVET>ZmRR6MPSQSTHTSSSLSSSTAPILPCSSAAALFRSVMAAVATETPFHVLAVDDSLPDRKLIERLLKTSSFQVTTVDSGSKALQFLGLHDQDSTVPPVHTHQLDVAANQDVAVNLIITDYCMPGMTGYDLLKKIKESSSLRDIPVVIMSSENIPSRINRCLEEGADEFFLKP

10、VRLSDMNKLKPHILKSRCNQEQHQQSDSHSGERRNPTISSSDSINNRKRKGAGTEEILPQLANRSRHS>ZmRR7MGQGGEVKAAPAVRVLVVDDSPVDRKVVELLLRNHNHQGGAAPFHVTAVDSGKKAMEHLRLMEQGGQLDSCAADANRITIDIVLTDYCMPEMTGYDLLKAIKALSSPNPIPVVVMSSENEPQRISRCLTAGAEDFILKPLKTKDVQRLRNCSSAARPRDDAAHQCESLRSSSRKLRSDQVAAPAHRSQPTTGLTMVLHASSIELSHYFQFLLKFVLLAYAVLCLTELLHRWSNGSVLSLWSA>ZmRR8MAAAAAAPASVAPSSPKAAGDNRKTVVSVDASELEKHVLAVDDSSVDRTVIARILRGSRYKVTAVESATRALELLALGLLPDVSMIITDYWMPGMTGYELLKRVKESAALRGIPVVIMSSENVSTRITRCLEEGAEGFLLKPVRPADVSRLCSRIR2.輸出CLUSTAL格式3.利用Bioedit軟件導(dǎo)入格式，輸出序列比對的圖片。4.使用MEGA軟件對上述八個序列進行進化樹構(gòu)建，分別以NL,MP,