計(jì)算分子進(jìn)化

內(nèi)容概要

分子進(jìn)化生物學(xué)是一門利用分子數(shù)據(jù)重建物種或基因間的進(jìn)化關(guān)系并了解其進(jìn)化過程與機(jī)制的學(xué)科，統(tǒng)計(jì)模型及算法則是分子進(jìn)化研究中的主要方法論工具。    本書包含核苷酸置換和氨基酸置換模型、系統(tǒng)發(fā)育重建的常規(guī)方法及最大似然法與貝斯推斷法、分子鐘檢驗(yàn)與物種分歧時(shí)間估計(jì)、適應(yīng)性進(jìn)化檢測以及分子進(jìn)化模擬技術(shù)等章節(jié)，內(nèi)容豐富，方法新穎，并輔以實(shí)例說明，可作為高年級本科生和研究生教材，也可供進(jìn)化生物學(xué)、分子系統(tǒng)學(xué)、群體遺傳學(xué)以及生物統(tǒng)計(jì)學(xué)和計(jì)算生物學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域的研究人員閱讀。

作者簡介

楊子恒，1964年生于甘肅通渭，1984年畢業(yè)于甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)，1992年獲北京農(nóng)業(yè)大學(xué)博士學(xué)位。曾在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)和北京農(nóng)業(yè)大學(xué)畜牧系工作以及英美等國從事博士后研究。1997年起在倫敦大學(xué)學(xué)院（University College London）生物系任教（1997-2000年任講師，2000-2001年任副教

書籍目錄

第1部分 分子進(jìn)化建模　第1章 核苷酸置換模型　　1.1 引言　　　1.2 核苷酸置換和距離估計(jì)的馬爾可夫模型　　　1.2.1 JC69模型　　　1.2.2 K80模型　　　1.2.3 HKY85、F84、TN93等模型　　　1.2.4 轉(zhuǎn)換／顛換比率　　1.3 位點(diǎn)問可變的置換率　　1.4 最大似然估計(jì)　　　1.4.1 JC69模型　　　1.4.2 K80模型　　　1.4.3 概形與積分似然方法　　1.5 馬爾可夫鏈和廣義模型下的距離估計(jì)　　　1.5.1 廣義理論　　　1.5.2 廣義時(shí)間可逆（GTR）模型 　　1.6討論　　　1.6.1不同置換模型下的距離估計(jì)　　　1.6.2成對比較的局限　　1.7練習(xí)　第2章 氨基酸和密碼子置換模型　　2.1 引言　　2.2 氨基酸替代模型　　　2.2.1 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀　　?.2.2 機(jī)理模型　　　2.2.3 位點(diǎn)間的異質(zhì)性　　2.3 兩條蛋白質(zhì)序列間距離的估計(jì)　　　2.3.1 泊松模型　　　2.3.2 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀　　?.3.3 伽馬距離　　　2.3.4 例子：貓和兔的p53基因間的距離　　2.4 密碼子置換模型　　2.5 同義和非同義置換率的估計(jì)　　　2.5.1 計(jì)數(shù)法　　　2.5.2 最大似然法　　　2.5.3 方法比較　　　2.5.4 對距離的詮釋及濫用　　2.6 轉(zhuǎn)換概率矩陣的數(shù)值計(jì)算.　　2.7 練習(xí)第2部分 系統(tǒng)發(fā)育重建　第3章 系統(tǒng)發(fā)育重建：概述　　3.1 樹的概念　　　3.1.1 術(shù)語　　　3.1.2 樹之間的拓?fù)渚嚯x　　　3.1.3 一致樹　　　3.1.4 基因樹和物種樹　　　3.1.5 樹重建方法的分類　　3.2 窮舉式或啟發(fā)式樹搜索　　　3.2.1 窮舉式樹搜索　　　3.2.2 啟發(fā)式樹搜索　　　3.2.3 分枝交換　　　3.2.4 樹空間的局部峰　　　3.2.5 隨機(jī)樹搜索　　3.3 距離方法.　　　3.3.1 最小二乘法　　　3.3.2 鄰接法　　3.4 最大簡約法　　　3.4.1 簡史　　　3.4.2 對給定樹計(jì)算最小變化數(shù)目　　　3.4.3 加權(quán)簡約法和顛換簡約法　　　3.4.4 長枝吸引　　　3.4.5 簡約法的假定　第4章 最大似然法　　4.1 引言　　4.2 樹的似然計(jì)算　　　4.2.1 數(shù)據(jù)、模型、樹及似然函數(shù)　　　4.2.2 修剪算法　　　4.2.3 時(shí)間可逆性、樹根及分子鐘　　　4.2.4 缺失數(shù)據(jù)與對位排列間隔　　　4.2.5 一個數(shù)值例子：猿類系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系　　4.3 復(fù)雜模型下的似然計(jì)算　　　4.3.1 位點(diǎn)間可變置換率模型　　　4.3.2 多個數(shù)據(jù)集聯(lián)合分析的模型　　　4.3.3 非齊次與非穩(wěn)定模型　　　4.3.4 氨基酸與密碼子模型　　4.4 祖先狀態(tài)重建　　　4.4.1 概述　　　4.4.2 經(jīng)驗(yàn)和等級貝斯重建　　　4.4.3 離散形態(tài)性狀　　　4.4.4 祖先重建中的系統(tǒng)偏差　　4.5 最大似然估計(jì)的數(shù)值算法　　　4.5.1 單變量最優(yōu)化　　　4.5.2 多變量優(yōu)化　　　4.5.3 樹形固定時(shí)的優(yōu)化　　　4.5.4 樹形固定時(shí)似然表面上的多重局部峰　　　4.5.5 最大似然樹搜索　　4.6 似然法的近似　　4.7 模型選擇與穩(wěn)健性　　　4.7.1 LRT、AIC和BIC 　　　4.7.2 模型的充分性與穩(wěn)健性　　4.8 練習(xí)　第5章 貝斯方法　　5.1 貝斯范式　　　5.1.1 概述　　　5.1.2 貝斯定理　　　5.1.3 經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)與貝斯統(tǒng)計(jì)學(xué)的比較　　5.2 先驗(yàn)分布　　5.3 馬爾可夫鏈蒙特卡羅算法　　　5.3.1 蒙特卡羅積分　　　5.3.2 MetropoliS_Hastings算法　　　5.3.3 單一成分Metropolis—Hastings算法　　　5.3.4 Gibbs取樣法　　　5.3.5 Metropolis-偶聯(lián)MCMC（MCMCMC或MC3）　　5.4 簡單建議及其建議比　　　5.4.1 均勻分布的滑動窗口　　　5.4.2 正態(tài)分布的滑動窗口　　　5.4.3 多元正態(tài)分布的滑動窗口　　　5.4.4 比例收縮和膨脹　　5.5 監(jiān)測馬爾可夫鏈及處理輸出　　　5.5.1 驗(yàn)證和診斷MCMC算法　　　5.5.2 潛在尺度減約統(tǒng)計(jì)　　　5.5.3 處理輸出　　5.6 貝斯系統(tǒng)發(fā)育分析　　　5.6.1 簡史　　　5.6.2 總體框架　　　5.6.3 匯總MCMC輸出 　　　5.6.4 貝斯法與似然法的比較　　　5.6.5 一個數(shù)值例子：猿類系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系　　5.7 溯祖模型下的MCMC算法　　　5.7.1 概述　　　5.7.2 θ的估計(jì)　　5.8 練習(xí)　第6章 方法比較與樹的檢驗(yàn)　　6.1 樹重建方法的統(tǒng)計(jì)性能　　　6.1.1 標(biāo)準(zhǔn)　　　6.1.2 性能　　6.2 似然法　　　6.2.1 與常規(guī)參數(shù)估計(jì)的不同之處　　　6.2.2 一致性　　　6.2.3 有效性　　　6.2.4 穩(wěn)健性　　6.3 簡約法　　　6.3.1 與病態(tài)似然模型的等價(jià)性　　　6.3.2 與正常行為的似然模型的等價(jià)性　　6.4 檢驗(yàn)關(guān)于樹的假設(shè)　　　6.4.1 自展　　　6.4.2 內(nèi)枝檢驗(yàn)　　　6.4.3 Kishino—Hasegawa檢驗(yàn)及改進(jìn)　　　6.4.4 簡約法分析中所用的指數(shù)　　　6.4.5 例子：猿類的系統(tǒng)發(fā)育　　　6.5附錄：Tuffley和Steel的單性狀似然分析第3部分 高級專題　第7章 分子鐘與物種分歧時(shí)間估計(jì)　　7.1 概述　　7.2 分子鐘檢驗(yàn)　　　7.2.1 相對速率檢驗(yàn)　　　7.2.2 似然比檢驗(yàn)　　　7.2.3 分子鐘檢驗(yàn)的局限性　　　7.2.4 離散指數(shù)　　7.3 分歧時(shí)間的似然估計(jì)　　　7.3.1 全局分子鐘模型　　　7.3.2 局部分子鐘模型　　　7.3.3 試探式速率平滑方法　　　7.3.4 確定靈長類分歧時(shí)間　　　7.3.5 化石的不確定性　　7.4 分歧時(shí)間的貝斯估計(jì)　　　7.4.1 總體框架　　　7.4.2 似然計(jì)算　　　7.4.3 速率的先驗(yàn)分布　　　7.4.4 化石的不確定性與分歧時(shí)間的先驗(yàn)分布　　　7.4.5 在靈長類和哺乳類分歧中的應(yīng)用　　7.5 展望　第8章 蛋白質(zhì)的中性與適應(yīng)性進(jìn)化　　8.1 引言　　8.2 中性理論和中性檢驗(yàn)　　　8.2.1 中性與近中性理論　　　8.2.2 Tajima的D檢驗(yàn)　　　8.2.3 Fu和Li的D檢驗(yàn)與Fay和Wu的H檢驗(yàn)　　　8.2.4 McDonald—Kreitman檢驗(yàn)和選擇強(qiáng)度估計(jì)　　　8.2.5 Hudsorl—Kreitman—Aquade檢驗(yàn)　　8.3 經(jīng)歷適應(yīng)性進(jìn)化的譜系　　　8.3.1 啟發(fā)式方法　　　8.3.2 似然法　　8.4 經(jīng)歷適應(yīng)性進(jìn)化的氨基酸位點(diǎn)　　　8.4.1 三種策略　　　8.4.2 隨機(jī)位點(diǎn)模型下正選擇的似然比檢驗(yàn)　　　8.4.3 處于正選擇的位點(diǎn)鑒定　　　8.4.4 人類主要組織相容性（MHC）基因的正選擇　　8.5 影響特定位點(diǎn)和譜系的適應(yīng)性進(jìn)化　　　8.5.1 正選擇的分枝一位點(diǎn)檢驗(yàn)　　　8.5.2 其他類似模型　　　8.5.3 被子植物光敏色素的適應(yīng)性進(jìn)化　　8.6 假定、局限與比較　　　8.6.1 當(dāng)前方法的局限　　　8.6.2 中性檢驗(yàn)與基于dN和ds的檢驗(yàn)間的比較　　8.7 適應(yīng)性進(jìn)化的基因　第9章 分子進(jìn)化的計(jì)算機(jī)模擬　　9.1 簡介　　9.2 隨機(jī)數(shù)發(fā)生器　　9.3 連續(xù)隨機(jī)變量的產(chǎn)生　　9.4 離散隨機(jī)變量的產(chǎn)生　　　9.4.1 離散均勻分布　　　9.4.2 二項(xiàng)式分布　　　9.4.3 廣義離散分布　　　9.4.4 多項(xiàng)式分布　　　9.4.5 針對混合分布的組分法　　　9.4.6 從離散分布中抽樣的重影法　　9.5 分子進(jìn)化的計(jì)算機(jī)模擬　　　9.5.1 樹形固定時(shí)序列的模擬　　　9.5.2 生成隨機(jī)樹　　9.6 練習(xí)　第10章 展望　　10.1 系統(tǒng)發(fā)育重建中的理論問題　　10.2 大規(guī)模和異質(zhì)數(shù)據(jù)集分析中的計(jì)算問題　　10.3 基因組重排數(shù)據(jù)　　10.4 比較基因組學(xué)附錄　附錄A：隨機(jī)變量函數(shù)　附錄B：△技術(shù)　附錄C：系統(tǒng)發(fā)育分析軟件參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　第2章　氨基酸和密碼子置換模型　　2.1　引言　　在第1章中，我們討論了核苷酸置換的連續(xù)時(shí)間馬爾可夫鏈模型（continuous-time Markov chain model）及其在估計(jì)兩個核苷酸序列間距離方面的應(yīng)用。本章將討論類似的馬爾可夫鏈模型以描述蛋白質(zhì)中氨基酸間的置換或蛋白質(zhì)編碼基因中密碼子間的置換。我們直接套用第1章中介紹過的馬爾可夫鏈理論，只是鏈的狀態(tài)不再是4個核苷酸而是20個氨基酸或61個有義密碼子（sense codon）（通用遺傳編碼系統(tǒng)）?！　∵\(yùn)用蛋白質(zhì)編碼基因，我們可以區(qū)分同義置換（synonymous substitution，亦稱沉默置換，指所編碼氨基酸不改變的核苷酸置換）以及非同義置換（nonsynonymous substitution，亦稱替代置換，指所編碼氨基酸改變的核苷酸置換）。由于自然選擇主要作用于蛋白質(zhì)水平，同義突變和非同義突變處于極不相同的選擇壓力之下，并以極不相同的速率固定。因而，正如分子進(jìn)化研究的先驅(qū)們所指出的，DNA測序技術(shù)一經(jīng)實(shí)現(xiàn)，同義和非同義置換率之間的比較就成為理解蛋白質(zhì)上自然選擇效應(yīng)的一種途徑（如Kafatos et al.，1977；Kimura，1977；Jukes and King，1979；Miyata and Yasunaga，1980）。這種比較不需要估計(jì)絕對置換率或者有關(guān)分歧時(shí)間的知識。第8章將詳細(xì)討論通過多條序列間的系統(tǒng)發(fā)育比較來檢測選擇的模型。在本章中，我們只考慮兩條序列間的比較，以計(jì)算同義置換和非同義置換兩種距離?！　?.2　氨基酸替代模型　　2.2.1　經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀　“被嶂脫Q的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停╡mpirical model）和機(jī)理模型（mechanisticmodel）有一個區(qū)別：經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮噲D描述氨基酸間的相對置換率，不考慮影響進(jìn)化過程的確切因素，這些模型往往是通過分析從數(shù)據(jù)庫中獲得的大量序列數(shù)據(jù)而構(gòu)建的；另一方面，機(jī)理模型則考慮氨基酸置換中涉及的生物學(xué)過程，如DNA上的突變偏差、密碼子到氨基酸的翻譯以及接受或拒絕自然選擇篩選后的結(jié)果氨基酸。在研究基因序列進(jìn)化的動力和機(jī)制方面，機(jī)理模型的解釋性更強(qiáng)、更有用。對重建系統(tǒng)發(fā)育樹而言，經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂雌饋碇辽偈峭瑯佑行У摹！　　?/pre>








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