1 Chapter 3 Substitution Patterns 暨南大學資訊工程學系 黃光璿 (HUANG, Guan-Shieng) 2004/03/22.

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1 Chapter 3 Substitution Patterns 暨南大學資訊工程學系 黃光璿 (HUANG, Guan-Shieng) 2004/03/22

2 Topic We discuss molecular evolution in this lecture.  This phenomenon happens at the DNA level.

3 3.1 Patterns of Substitutions within Genes “If it’s not broken, don’t fix it.”  Most genes are very close to optimal in its typical environment. Mutations  disadvantageous (有害的)  advantageous (有益的)  neutral (中性的)

Mutation Rates

Functional Constraint Natural selection (天擇) Functional constraint  catalytic ( 催化的 ) or structural properties tend to accumulate changes very slowly Table 3.1 (Shamir 7, p 13)

6 Prokaryotic Gene

7

Synonymous v.s. Nonsynonymous Substitutions synonymous (同義的) Synonymous substitution  改變 codon 但不改變所生成的胺基酸  GGG, GGA, GGU, GGC  glycine Nonsynonymous substitution  換過之後會改變所生成的胺基酸

9 Exercise: Compute the number of synonymous substitutions and the number of nonsynonymous substitutions from the standard genetic code.

10 Classification of Nonsynonymous substitutions nondegenerate sites ( )  UUU (phe)  CUU (leu), AUU (iso), GUU (val) twofold degenerate sites (2+2)  GAU, GAC (asp)  GAA, GAG (glu) fourfold degenerate sites (4)  GGG, GGA, GGU, GGC (gly)

11 Why not consider the other cases? (3+1)  AUU, AUC, AUA (ile)  AUG (met) (2+1+1)  UUG, CUG (leu)  AUG (met), GUG (val) 4 = = = 2+2 = 3+1

12

Substitutions v.s. Mutations mutation: DNA 發生改變 substitution: mutations that have passed through the filter of natural selection K s : synonymous substitution rate  ~mutation rate K a : nonsynonymous substitution rate

14

Fixation -- the state that gene pool reaches stable deterious mutation  0 advantageous mutation  1 neutral

16 the cause of genetic differences  mutation  random genetic drift saturation mutagenesis: make all possible changes to the nucleotide sequence of a gene to determine the effect

Estimating Substitution Numbers Alignments with many differences might cause a significant underestimation

Jukes-Cantor Model (1969)

19

Kimura ’ s Two Parameter Model 1980 transitions & transversions  transition (A  G, T  C) : α  transversion ( 差異大 ) : β

Models with Even More Parameters 12 (=4x3)parameters 反而變糟了!因為需要更多的假設.

Substitutions Between Protein Sequences More complicated!  PAM & BLOSUM matrices

Variations in Evolutionary Rates Between Genes mutation rate natural selection  cause the difference k s >> k a 合理 k s << k a (why?) Natural selection favors variability in this case!

Molecular Clocks E. Zuckerkandl & L. Pauling, 1960s  Substitution rates were so constant within homologous proteins  It is still a controversial issue.

25

Relative Rate Test Sarich & Wilson, 1973  the idea of outgroup  Molecular clock hypothesis implies that d A1 =d A2.

Causes of Rate Variation in Lineages ( 世系 ) generation times  人 30 年 environment ( 環境 )

Evolution in Organelles ( 胞器 ) mitochondrial ( 粒線體 ) DNA  只從母親來, 在人類約有 bps.  mutate in 10 times chloroplastic ( 葉綠體 ) DNA  ~ to

29 參考資料及圖片出處 1. Fundamental Concepts of Bioinformatics Dan E. Krane and Michael L. Raymer, Benjamin/Cummings, Fundamental Concepts of Bioinformatics