生物信息学概论第三章替换模式.pptVIP

第三章替换模式;分析已经发生的替换数目和性质，对于分子进化的研究有很重要的意义.

这种分析也为生物信息学的研究人员致力于识别和刻画具有重要功能的基因部分提供了强有力的线索。;

本章内容

基因内的替换模式

估算替换数目

基因间进化率的变化

分子时钟

细胞器的进化;3.1基因内的替换模式;3.1.1突变率

r=K/(2T)

r：替换速率（突变率）

K:来源于同一祖先的两个序列之间的替换数量

T：分叉时间

如果不同物种间的进化率是相似的，在没有其他证据的情况下，通过替换速率（突变率），可以推测进化事件发生的时间。

比较基因内和基因间的替换速率（突变率）常用来确定不同基因组区域的作用;3.1.2功能约束

自然选择能够杜绝导致生物体生存和繁衍能力下降的基因变化

那些能够引起蛋白质催化性能及结构特征变化的基因变化，会更加受制于自然选择。十分重要的基因部分被认为受功能约束控制，它们在进化过程中趋向于非常缓慢的变化

另外一些不会对氨基酸序列或表达方式造成影响的基因变化，很少受到自然选择的纠正，因此这种类型的变化速度相对较快;大量分析证实，基因不同部分的变化速度确实千差万别，而这些速度正反映了不同部分受功能约束的程度;由上表中，可以揭示的一个普遍规律：

内含子和两端侧翼序列的替换积累速度最快

其次是能转录而不能翻译的序列

最慢的是编码序列

来源与β球蛋白基因的数据，一个核苷酸序列每一百万年只发生0.35%的改变，对于人类来说这种改变是非常缓慢的，但是比之分子的进化又是相当迅速的;如果自然选择在出现改变蛋白质功能的变异的时候就起作用，那么很显然，处于四重简并位点的核苷酸替换的积累最为迅速，而处于非简并位点的替换积累最为缓慢;3.1.4插入删除情况和伪基因

在有转录活性的基因中，插入删除很难发生。原因在于插入删除会改变阅读框。DNA和修复酶经过亿万年的进化，已形成合理的机制，一般会使插入删除比简单的碱基替换发生的概率小10倍

复制一条完整的基因可能形成很多复制品，其中一个提供原基因的必要功能，而其他的复制则积累了不受自然选择的替换

某个不断变??的复制品会出现一些新的重要功能，于是这个基因就变得对生物体的适应性非常重要

更多时候复制出来的基因会成为伪基因，因为变异使得这样的基因丧失了功能，失去了转录的活性。这些基因序列的替换积累速率相当高，略高于同一物种的基因的3’端侧翼序列;3.1.5替换和突变

虽然一个基因核苷酸序列的每一位都可能发生变化，然而人们没有观察到所有可能的变异，但这个问题却使人们发现了分子进化研究中突变和替换这两个词在使用上有趣的数字差异。

突变：是指DNA的复制和修复过程中出现错误而导致的核苷酸序列的改变

替换：是指了某个层次上经过自然选择过滤后的突变

同义（和伪基因）的替换速率Ks，通常被认为能较好反映出基因突变时实际速率；而异义替换速率Ka则不然，因为他们逃脱不了自然选择;3.1.6等位基因与固定

绝大多数自然界现存的生物种群包含着大量的基因变异,从而形成等位基因。一个物种某个基因的不同版本被称之为等位基因。

-举个例子，人平均每200个碱基对中就有一个不同于其他人。

等位基因的差异变化很广，从不会产生影响到产生严重后果。各种等位基因相对频率的改变就是进化的基础

新的等位基因以非常低的频率出现：q=1/2N

N是这个种群中具有繁殖活性的二倍体的数量

危及生物体生存和繁殖的突变，会在自然选择中，从基因库里扫地出门，这种突变频率最终降为0

如果等位基因优势突出，其频率就渐渐接近于1，即该等位基因被固定;个体之间发现的许多变异的优势或劣势都不明显，在本质上是选择中性的。

基因任何中性变异被固定的概率是q

这里q为该等位基因的相对频率

基因任何中性变异最终从种群中消失的可能性为1-q，

尽管基因新变异的固定概率可能很小，中性突变却能在种群中维持很长的时间，固定新的中性突变的平均时间实际上相当于繁衍4N代所经历的时间

;3.2估算替换数目;;3.2.1Jukes-Cantor模型;在t2时刻是C的概率为：PC(2)=(1-3α)PC(1)+α[1-PC(1)]。

在tk时刻是C的概率为：PC(k)=(1-3α)PC(k-1)+α[1-PC(k-1)]

=α+（1-4α）PC(k-1)。

…

任意时间t时刻，位点为C的概率为（即非替换位点概率）

PC(t)=1/4+(3/4e-4αt)

估计替换数目的公式为:

K=-3/4ln[1-(4/3(p))]

;这里p就是数出来的两个序列间的不同核苷酸的分数（错配位点与所有位点之间的比值，