2.Conservation Analysis

本节中，我们学习用MEGA这个桌面软件对蛋白序列进行多序列比对(MSA, multiple sequence alignment)，再从MSA出发构建系统发生树。

0) Files Needed

直接下载

• 本章不需要使用docker，所用到的文件可以直接从 Files needed 中的Files/ 路径下的相应文件夹中下载所需要的文件。

1) Pipeline

2) Data Structure

2a) getting software & data

• 程序下载与安装：进入 MEGA官方网站 ，分别下载并安装与计算机操作系统（MacOS、Windows、Linux等）相应的软件版本。目前推出了MEGA7.0版本，本节主要介绍这种软件最新版本构建系统进化树的方法。

• 准备材料：按照 0) Files Needed 所示下载已经准备好的拟南芥SWEET家族Protein序列的fasta格式文件，“clustal.fa”。

2b) Inputs

2c) Outputs

3) Running Steps

MEGA7.0分析流程如下

3a) Open MEGA program

双击MEGA程序图标，打开程序，如图3-1所示。

3b) Open sequence (fasta) files

点击“File”菜单，选择“open a file/session···“，在对话框中找到准备好的 clustal.fa 文件，打开，出现对话框（如图3-2所示），选择“align”进行比对，打开序列比对窗口（如图3-3所示）。

3c) Align the sequences

选中所有序列，选择 Alignment 菜单中 Align by ClustalW 选项（如图3-4 所示），用ClustalW程序进行多序列比对，弹出参数设置对话框（如图3-5 所示），使用默认参数，按“OK”键开始比对。比对结束后，选择 Data 菜单中 Export Alignment -> MEGA format 选项（如图3-6 所示），将多序列比对结果导出为MEGA格式保存，保存为 clustal.meg 备用，关闭序列比对窗口。

3d) Analyze the Plylogenetic Tree

回到MEGA主窗口，选择“Phylogeny”按钮，从中选择构建系统发育树的方法，这里以最邻近法为例，进行介绍（如图3-7 所示）。打开前一阶段生成的clustal.meg，弹出“Anaylsis Preferences”对话框（如图3-8 所示），可以对发育树分析的一些参数进行设置。通常情况下，我们修改“Test of Phylogeny”选项，改为“Bootstrap method”方法，然后修改“No. of Bootstrap Replication”为1000，即重抽样的重复数为1000.其他设置均为默认。

BOOTSTRAP值即自展值，可用来检验所计算的进化树分支可信度。Bootstrap几乎是构建系统进化树一个必须的选项。一般Bootstrap的值>70%，则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。

3e) Export customized results and figures

程序运行结束后，弹出“TreeExplorer”窗口（如图3-9 所示），窗口内显示构建的发育树。可以通过“View”菜单下的子菜单，对发育树进行修改。例如“view>option”菜单（图3-10）所示，可以设置不同类型的发育树的枝长，间距，标签的类型和颜色等。最后，将设置完成的发育树，通过“Image”菜单，可以导出EMF、TIFF、PNG或PDF格式（如图3-11所示）。

4) Teaching Animation

另外，我们为上文的分析流程制作了动画，如下所示：

4a) Import sequence (fasta) files

4b) Align the sequences

4c) Phylogenetic Tree

4d) Export results and figures

5) Homework

• 按照 0) Files Needed 所示下载准备好的作业文件（NPF.cds.fa），里面是几种代表性作物的NPF家族部分基因的CDS序列集合。请根据操作流程的指示，使用距离法、最大简约法和最大似然法进行系统发育树（1000 Bootstrap）的构建，并以PDF或图片的形式保留最终结果。(如果最大似然树计算速度比较慢，可以减少Bootstrap的次数,如100-200次)。(提示:对于coding sequence，自然选择是直接作用在蛋白序列上的，我们多数情况下也更关注蛋白水平的保守性。我们提供的是核苷酸序列，按codon，或者说按CDS翻译出的蛋白序列来构建MSA相比于直接align核苷酸序列是更合理的做法。)

• 自行查阅相关资料，回答下列问题： （1）试结合最终结果，解释original tree和Bootstrap consensus tree之间的区别； （2）从构建原理的角度，简单解释不同构建方法所需时间有较大差异的原因。 （3）以同样的方法分析同样的数据，所产生的树有可能存在不同吗？为什么？

6) More Reading

Tools for evolutionary analysis

• MEGA由于使用方便，是一种比较受欢迎的进化分析软件。

• 多序列比对和系统发生树的构建是两个相对比较独立的问题，MEGA为了使用上的方便把两种功能整合到了一起。

• 目前多序列比对和构建系统进化树的软件和算法都有很多，以下列举了一些常用软件

多序列比对

• clustalw2

• muscle

• t-coffee

• MAFFT

分子进化与系统发育

• MEGA: 美国宾夕法尼亚州立大学Masatoshi Nei开发的分子进化遗传学分析软件

• PHYLIP: 美国华盛顿大学Felsenstein开发的一套集成的进化分析工具

• PAML: 英国University College London开发，采用最大似然法构树和分子进化模型

• PAUP: 国际上最通用的系统树构建软件之一，美国Smithsonion Insitute 开发

• RAxML: 大量数据的最大似然法建树常用方法

• MrBayes : 基于贝叶斯方法的建树工具

7) Teaching Videos

• see Videos in the Files needed