DNA序列选择进化距离及其在系统发育分析中的应用

论文摘要

在研究各种物种的进化历史中,利用蛋白质或DNA序列进行系统发育分析已成为生物信息学的一个重要研究领域。系统发育分析的主要研究方法为:选取一组同源的蛋白质或DNA序列,通过各种方法计算出各个序列间的进化距离,进而构建出能反映物种间进化关系的进化树。20世纪80年代以来,进化树的构建方法大多数是基于合理的蛋白质或DNA序列之间距离的定义以及在距离之下作出一定的假设来提出的。本文针对DNA序列间的进化距离做一些探究和改进。在DNA序列的系统发育分析中,要计算出各DNA序列间的进化距离之前,必须进行DNA序列比对,因此本文就序列比对的相关概念和研究方法做了简单的介绍。系统发育分析最终是构建进化树,而构建进化树的方法主要有距离法、最大简约法和最大似然法三种,因此本文对这三种方法也做了简单介绍。在DNA序列中,核苷酸替代是基因进化的原动力,因此核苷酸替代数的估计是研究基因进化的基础,是测定DNA序列间进化距离的数学统计方法。但由于核苷酸替代模型有很多,如Jukes-Cantor模型、Kimura模型、Equal-input模型、Tamura模型、Tamura-Nei模型等。每个模型下又分别包含p距离、替代率为常数的距离d和替代率服从Г分布的Г距离dG。因此在构建进化树时,需要对这三种距离进行选择。本文在简单介绍各种核苷酸替代模型以及每个模型下的p距离、d距离和Г距离的同时,通过DNA序列的同源率,建立了DNA序列进化的动力学方程,进而得到了一种新的物种间进化距离dy （选择进化距离）。该距离包含了p距离、d距离和Г距离。进一步根据动力学方程的特点,将模型转化为一元线性回归问题,用最小二乘法求得选择模型中的动力学参数b和各核苷酸位点每年的平均替代速率r。最后,本文以16个物种的线粒体基因序列为例,来说明选择进化距离并通过构建不同进化距离下的基因进化树来对各进化距离进行比较。结果表明:选择进化距离dy是一种有效的构建进化距离的方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 研究背景
• 1.2 序列比对算法
• 1.3 DNA 序列进化距离研究概况
• 1.3.1 p 距离
• 1.3.2 核苷酸替代的数学模型及进化距离d
• 1.3.2.1 Jukes-Cantor 模型及其进化距离
• 1.3.2.2 Kimura 双参数模型及其进化距离
• 1.3.2.3 Equal-input 模型及其进化距离
• 1.3.2.4 Tamura 模型及其进化距离
• 1.3.2.5 Tamura-Nei 模型及其进化距离
• 1.3.3 Γ距离
• 1.3.4 基于非序列比对的进化距离
• 1.4 系统进化树
• 第二章 DNA 序列选择进化距离及其应用
• 2.1 选择模型的主要思想
• 2.2 选择模型在不同核苷酸替代模型下的应用
• 2.2.1 Jukes-Cantor 模型的选择进化距离dJ-C （y）
• 2.2.2 Kimura 双参数模型的选择进化距离dK （y）
• 2.2.3 Equal-input 模型的选择进化距离dE （y）
• 2.2.4 Tamura 模型的选择进化距离dT （y）
• 2.2.5 Tamura-Nei 模型的选择进化距离dT -N（y）
• 2.3 动力学参数b 的性质
• 2.4 b 的估计与应用举例
• 2.4.1 b 的估计
• 2.4.2 应用举例
• 2.4.3 各种进化距离的比较
• 第三章 结论与讨论
• 3.1 结论
• 3.2 讨论
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 作者简介