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云之南

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专业背景:计算机科学 研究方向与兴趣: JavaEE-Web软件开发, 生物信息学, 数据挖掘与机器学习, 智能信息系统 目前工作: 基因组, 转录组, NGS高通量数据分析, 生物数据挖掘, 植物系统发育和比较进化基因组学

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分子进化的研究方法与软件【更新】  

2011-11-17 15:01:56|  分类: 进化与系统学 |  标签: |举报 |字号 订阅

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分子进化的研究方法与软件 - 云之南 - 云之南

现在一般直接用ML,BS树就可以,也可以加上MP树。如果是核基因的话,请看下面的更新说明。

分子进化的研究方法

% d& g9 f7 f* G# A# X
分子进化研究的意义3 |6 H$ K% L  y1 u
    自20世纪中叶,随着分子生物学的不断发展,进化研究也进入了分子进化(molecularevolution)研 究水平,并建立了一套依赖于核酸、蛋白质序列信息的理论和方法。随着基因组测序计划的实施,基因组的巨量信息对若干生物领域重大问题的研究提供了有力的帮 助,分子进化研究再次成为生命科学中最引人注目的领域之一。这些重大问题包括:遗传密码的起源、基因组结构的形成与演化、进化的动力、生物进化等等。分子 进化研究目前更多地是集中在分子序列上,但随着越来越多生物基因组的测序完成,从基因组水平上探索进化奥秘,将开创进化研究的新天地。
) U; X7 E: T' p7 B# p! @0 _    分子进化研究最根本的目的就是从物种的一些分子特性出发,从而了解物种之间的生物系统发生的关系。通过核酸、蛋白质序列同源性的比较进而了解基因的进化以及生物系统发生的内在规律。! w  b/ }. D- M% t



更新:
其实上面的那些方法,都可以称为Concatenated(串级)方式的分析方法,就是先把marker 如:直系同源基因 alignment后,用相应软件以串联的方式连接起来,然后推断系统发育树,这通常叫concatenated analysis。

我们都知道每个同源基因或者maker的进化速率是不一样的,所以最近非常流行Coalescent(有人翻译成 溯祖)analysis,我的理解是 每一个直系同源基因先alignment,建树,然后再用相关软件把每个tree合并,实际的软件也是这样做的。如果做Phylogenomics trees或者Species tree的话,一般都要用这个方法做一下,其中我的一篇文章也用了这个方法分析了(审稿人要求的)。这个方法相应的软件有MPEST,*BEAST(这个软件已集成在BEAST 1.75版本),BEST,BUKY,STAR,BPP Coalescent analysis on a species tree (BP&P and 3s),ASTRAL.如果考虑属内种间系统情况的话,可能要考虑杂交了,可以看一下HybTree(COAL).
http://abacus.gene.ucl.ac.uk/software.html
网址:
http://bioinformatics.publichealth.uga.edu/SpeciesTreeAnalysis/index.php
相关文章:
References
[1] Liu, L., L. Yu, D.K. Pearl, and S.V. Edwards. Syst. Biol. 2009, 58(5):468-477.
[2] Liu, L., L. Yu, S.V. Edwards. BMC Evol. Biol. 2010, 10:302.
[3] Liu, L., and L. Yu. Syst. Biol. 2011, 60: 661-667.
http://home.gwu.edu/~rpyron/publications/Ruane_et_al_2014.pdf

本人的一篇文章,也可以参考一下。

  

系统进化树构建常用软件汇集

 

软件名称

 

网址

 

   

 

PHYLIP
2 R1 j  ]7 h: G( f6 ^: m
http://evolution.genetics.washinton.edu/phylip/software.html
+ O0 w" f# i! X# ]
目前发布最广,用户最多的通用系统树构建软件,由美国华盛顿大学Felsenstein开发,可免费下载,适用绝大多数操作系统" A7 j& K, Q: x% S& q' h# I
PAUP
( e. X9 n9 z- b" ?1 s
scavotto@sinauer.com
; R9 g$ i  E* v! s% |1 Nftp://onyx.si.edu/paup
/ O9 p: W% g; A; `# J
国际上最通用的系统树构建软件之一,美国simthsonion institute开发,仅适用Apple-MacintoshUNIX操作系统- W/ u$ u+ l! Y5 C8 t5 x
MEGA
2 X0 D/ m' i: q, A& m
http://bioinfo.weizmann.ac.il/databases/info/mega.sof
; N8 F0 d6 I, m* a+ P* u3 H
美国宾西法尼亚州立大学MasatoshiNei开发的分子进化遗传学软件,图形化、集成的进化分析工具,不包括ML
; X, ]; j$ S/ T9 S' [& B0 s/ Z" ~
MOLPHY8 w0 d+ ~$ Y  h7 p  H
ftp://sunmh.ism.ac.jp/pub/molphy
! a' R- o8 h! R* c
日本国立统计数理研究所开发,最大似然法构树
9 j$ J& `0 C9 d, O& J
PAML
4 l# ^( ?) H; s4 R5 y: M, W8 d
http://abacus.gene.ucl.ac.uk/software/paml.html. g: x6 H: u" V4 {
英国University college London 开发,最大似然法构树和分子进化模型
9 f! b  x& a. N  e3 k/ Q1 |& Y
PUZZLE
9 E% z) Q2 ^& @0 J3 [6 M
ftp://fx.zi.biologie.uni-muenchen.de/pub/puzzle
( ?- n+ G* Z+ J/ W5 f# ~! K+ l
应用quarter puzzling方法(一种最大简约法)构建系统树
1 ^7 }$ r" L3 c2 {
TreeView
9 O* c8 Y$ a/ T( s+ j
http://taxonomy.zoology.gla.ac.uk/rod/treeview.html
9 s4 |' h* O8 ^0 P" s% |
英国University of Glasgow开发,进化树显示工具& F. m2 k! ~$ K$ W' v4 M6 _! Z9 v
phylogeny
$ m3 m3 z6 d0 r( c8 N  t) |
http://www.ebi.ac.uk/biocat/phylogeny.html
; t7 J$ h( o2 F# D4 M/ U: {' o
欧洲生物信息研究所(EBI)的系统发育分析软件4 U  E! x, J1 i* ?$ R( c, D; u
PHYML
2 ~/ D% @! ]# `9 ?7 [) y
http://atgc.lirmm.fr/phyml/ " a& |( d, q5 k6 ]; ]9 c, i0 r" ^
快速的ML建树工具! W2 _' |2 m" e: ]6 u+ \
MrBayes% r, P3 K: b/ @! D& @4 [  W0 c
http://mrbayes.csit.fsu.edu// m- o& ~: O4 f7 o3 G
基于贝叶斯方法的建树工具


- W0 m5 D, ?& j7 c1 d/ Z9 a
MAC5  ~2 h1 [0 N" ~
http://www.agapow.net/software/mac5/3 \  u  ~5 z, v' l4 W7 d& H
基于贝叶斯方法的建树工具1 ?, K% a7 L3 ?2 y

Tree of Life

* j6 t3 P7 }1 d" q0 a; o$ w1 ?
http://phylogeny.arizona.edu/tree/program/program.html
: A3 ?6 e. P; a) G1 E4 }) X3 T$ F
美国University of Arizona建立的系统发育方面网站) x  f2 Q. k6 S/ p+ y

Beast  贝叶斯法构建进化树
http://beast.bio.ed.ac.uk/
PhyloBayes贝叶斯法构建进化树
http://www.atgc-montpellier.fr/phylobayes/

RAxML 最大似然法构树和分子进化模型


http://sco.h-its.org/exelixis/software.html

系统进化树构建方法及软件的选择


: Q. I4 u' Q0 `7 c8 d0 N( Y8 l/ t' a构建方法的选择
& E. m$ ?) o0 _% J$ g6 M# S* W    从上述我们可以了解到,构建系统进化树的方法主要有:基于距离矩阵的方法(UPGMANJNeighbor-Joining,邻接法)等、MPMaximum parsimony,最大简约法)、MLMaximum likelihood,最大似然法)以及贝叶斯(Bayesian)推断等方法。其中基于距离矩阵中的UPGMA法已经较少使用。% a1 s) m4 R! b1 R$ D7 A
    一般情况,若有合适模型,ML的效果较好;近缘序列,一般使用MP(基于的假设少);远缘序列,一般使用NJML: G( ]! S" y1 W/ S' p" |. y
    对相似度很低的序列,NJ往往出现Long-branch attractionLBA,长枝吸引现象),有时会严重干扰进化树的构建;贝叶斯的方法则太慢。各种方法构建的系统进化树,(Hall BG. Mol Biol Evol 2005, 22(3):792-802)认为贝叶斯方法的准确性最高,其次是ML,然后再是MP。其实若序列有较高的相似性,各种方法都会得到不错的结果,模型间的差别也不大。/ q2 s% @+ Z% b8 ^3 q
    对于NJML两种方法,需要选择构建模型。对于核酸及蛋白质序列,两者模型的选择是不同的。蛋白质的序列,一般选择Poisson Correction(泊松修正)这一模型;而对于核酸序列,一般选择Kimura 2-parameterKimura-2参数)模型。, a4 Y' s1 d8 ?. B# Y2 c
    Bootstrap选项一般都要选择,Bootstrap的值>70,一般都认为构建的进化树较为可靠。如果Bootstrap的值太低,则有可能进化树的拓扑结构有错误,进化树是不可靠的。
9 t% _$ z- P, [. j7 i1 U9 Z2 U9 n6 _    对于进化树的构建,如果对理论的了解并不深入,则推荐使用缺省的参数,并启用Bootstrap检验。一般情况下,使用两种不同的方法构建进化树,如果得到的进化树基本一致,结果较为可靠。
; A" J- N% A, G6 L
0 p9 W0 D# M3 F+ T构建软件的选择* [' l, r) \, ?0 y, P1 \
    构建NJ树,可以用PHYLIP或者MEGAMEGANei开发的方法并设计的图形化的软件,使用非常方便,推荐使用。虽然多序列比对工具ClustalW/X自带了一个NJ的建树程序,但是该程序只有p-distance模型,而且构建的树不够准确,一般不用来构建进化树。! I' P, d7 N! D3 P( U8 ]2 u  X: x% _
    构建MP树,最好的工具是PAUP,但该程序属于商业软件,并不对科研学术免费。MEGAPHYLIP也可以用来构建MP树。
  O5 R% H4 J' o4 Y    构建ML树可以使用PHYML,速度较快。也可使用Tree-puzzle,该程序做蛋白质序列的进化树效果比较好。ML可以使用PAUPPHYLIP(或BioEdit来构建。BioEdit集成了一些PHYLIP的程序,用来构建进化树。Tree-puzzle是另外一个不错的选择,不过该程序是命令行格式的,需要学习DOS命令。- M6 ~& P6 u9 l- z6 i, ]5 T
    贝叶斯的算法以MrBayes为代表,不过速度较慢。一般的进化树分析中较少应用。
) E  a6 ^+ G& b' W: _

) ~& e" l/ z  ~进化树评估优化方法简介:
     常用的两种方法就是
BootstrapJackknife
9 y1 e+ e7 L  u& L' Z; s4 k8 Y
        所谓Bootstraping法 就是从整个序列的碱基(氨基酸)中任意选取一半,剩下的一半序列随机补齐组成一个新的序列。这样,一个序列就可以变成了许多序列,一个多序列组也就可以变 成许多个多序列组。根据某种算法(最大简约性法、最大可能性法、除权配对法或邻位相连法)每个多序列组都可以生成一个进化树。将生成的许多进化树进行比 较,按照多数规则(majority-rule)我们就会得到一个最逼真的进化树。
8 q$ t! c) A* K        Jackknife则是另外一种随机选取序列的方法。它与Bootstrap法的区别是不将剩下的一半序列补齐,只生成一个缩短了一半的新序列。

http://www.molecularevolution.org/


http://evolution.genetics.washington.edu/phylip/software.html

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