比较基因组学原理和应用.pptVIP

* * * * * * * * * * * * 横向迁移现象 对人类基因组的分析发现，有几十个人的基因只与细菌基因相似，而在果蝇、线虫中都不存在。如果以人的这些基因序列来研究进化将会得到荒谬的结论。所以在当前的分子进化研究中必须选择垂直进化的分子作为样本 。并且在系统发生分析中需要建立较完整的生物进化模型，以避免基因转移和欠缺合适的多物种共有保守序列的影响。 Z曲线的GC轮廓图方法 基因组序列变换为等价的三维空间曲线——Z 曲线，经过适当的投影和座标旋转后得到Z’曲线，后者又称为累积GC 轮廓图（Cumulative GC profile）。定义：在基因组某一碱基处的G+C 含量正比于Z’曲线在该点切线的斜率。而在某一窗口中的平均G+C 含量则正比于此量在该窗口内的定积分。 对于任一给定的DNA 序列，有唯一的一条Z 曲线与之对应；反之，给定一条Z 曲线，它所代表的DNA 序列可以唯一地导出。因此，Z 曲线携带了DNA 序列的全部息。对两个基因组或染色体序列的比较，可以通过对它们所对应的Z 曲线的比较来进行。 在研究物种间的进化关系时, 传统的分子进化研究方法一般选取一个大分子 ( 如16SRNA) 的序列为标准,研究其在各个物种同源序列之间的差异, 并以此构建进化树。但是一个物种的基因组编码了成千上万个序列, 以其中一个序列的差异来代表整个生物体的差异是不全面的。因此, 从全基因组的水平来研究生物的进化应该更为合理。利用比较基因组学的方法在基因组水平上构建的进化树将会更加合理的阐述物种之间的进化关系。 物种序列的优化选择：当在比较 40～80 My进化距离的 DNA序列时,其编码序列与一些重要的非编码序列将是保守的,如人与鼠。然而至今在这一进化距离内保守的非编码序列中只有少数被鉴定为有特征性的功能元件,其它的仅被认为是临近或 200 kb 附近基因的转录调控元件。在进化距离较远( 450 My ) 的序列比较时, 将主要揭示保守的编码序列, 主要是因为蛋白质要维持其功能, 因此对替换更为严谨保守,进化的稍慢一点。所以在建立多序列比较时加入一支稍远的物种序列 ( 450 My ) 将提高保守序列的鉴别能力。比较分析较近的物种序列如: 人与himpanzees或与其它的类人猿可以用来鉴定在近期进化史上发生的基因改变和重组等。因此在建立多序列的比较分析中加入一支近距离的物种序列不仅有助于编码和非编码的功能序列的识别, 也能揭示那些相关物种特征的基因组信息、 在进行 DNA序列比较而鉴定保守序列时, 有两种比较分析手段: 局部比对和整体比对。局部比对是对序列亚区分析获得最高一致性的计算方法, 其基本原理是在两序列排队时采用不同的比对方法,排除了从头到尾的单一匹配方式。例如当两长序列进行匹配时, 可能内含的同源基因亚区的排列顺序或基因的走向不同, 因此对这种比对采用多种方式进行有哪些信誉好的足球投注网站分析的结果将比较准确, 常用的分析工具是 PipMarker 服务器。整体比对是寻找所要比较的整个基因序列上的最大的同源性分值, 它适用于高度分化但组织结构同源的序列比对, 整体比对适用于基因序列整体上同源性较高的比较分析, 如保守片断 ( conserved segments ) 的比对, 可以使用 VISTA进行分析。 Smith-Waterman算法 时间复杂度O(n2)； Sij = max of 0 Si-1,j-1 + σ(xi, yj) Si-1,j - d (从左到右) Si,j-1 - d (从上到下) 本例中：gap: d=12，线性罚分模型。 例5： Smith-Waterman算法进行双序列局部比对 两条序列如下： L D S C H G E S L C K 目标：使用局部优化算法寻找比对的结果 例5： Smith-Waterman算法进行双序列局部比对 两条序列如下： L D S C H G E S L C K 目标：使用局部优化算法寻找比对的结果 Smith-Waterman算法 Gap L D S C H Gap 0 0 0 0 0 0 G 0 Sij E 0 S 0 L 0 C 0 K 0 Smith-Waterman算法； Sij = max of Si-1, j-1 + σ(xi, yj) Si-1, j - d (从左到右) Si, j-1 - d (从上到下) 0 Smith-Waterman算法 Gap