分子進化與分子系統(tǒng)學

1、 一、什么是分子進化？一、什么是分子進化？ 分子進化即生物進化過程中蛋白質(zhì)和核酸分子分子進化即生物進化過程中蛋白質(zhì)和核酸分子結(jié)構(gòu)的變化以及這些變化與生物進化的關(guān)系。結(jié)構(gòu)的變化以及這些變化與生物進化的關(guān)系。 1. 什么是分子進化速率？什么是分子進化速率？ 指蛋白質(zhì)和核酸等生物大分子在進化過程中核苷指蛋白質(zhì)和核酸等生物大分子在進化過程中核苷酸或氨基酸殘基發(fā)生酸或氨基酸殘基發(fā)生替換替換的頻度。的頻度。二、分子進化的特點二、分子進化的特點 （一）分子進化速率的恒定性（一）分子進化速率的恒定性 （二）分子進化的保守性不同（二）分子進化的保守性不同（一）分子進化速率的恒定性（一）分子進化速率的恒定性 研究

2、方法主要是通過比較不同種生物同源蛋白氨基酸序列的變化，來推測該蛋白質(zhì)的進化速率。2. 進化速率的計算進化速率的計算1)、氨基酸差異比例的計算、氨基酸差異比例的計算 Pd=daa/Naa daa為用于比較的同源蛋白質(zhì)之間氨基酸差異的數(shù)目為用于比較的同源蛋白質(zhì)之間氨基酸差異的數(shù)目 Naa比較的蛋白質(zhì)之間氨基酸的總數(shù)比較的蛋白質(zhì)之間氨基酸的總數(shù) 人與鯊魚之間血紅蛋白人與鯊魚之間血紅蛋白鏈相差鏈相差74個個, 血紅蛋白血紅蛋白鏈氨鏈氨基酸總數(shù)為基酸總數(shù)為139:139: P Pd d=d=daaaa/N/Naaaa=74/139=53.2%=74/139=53.2%2)、氨基酸差異比例的校正、氨基酸差

3、異比例的校正用比較的兩個蛋白質(zhì)間每個氨基酸座位替換的平均數(shù)用比較的兩個蛋白質(zhì)間每個氨基酸座位替換的平均數(shù)Kaa來表示來表示 Kaa=-2.3Log10(1-Pd) 人與鯊魚之間血紅蛋白人與鯊魚之間血紅蛋白鏈氨基酸差異比例校正為鏈氨基酸差異比例校正為: Kaa=-2.3Log10(1-53.2%)=75.8%(近似于近似于0.76) 蛋白質(zhì)現(xiàn)存的差異，往往比實際氨基酸的替換總數(shù)要小蛋白質(zhì)現(xiàn)存的差異，往往比實際氨基酸的替換總數(shù)要小.因為有些氨基酸實際上雖然發(fā)生了替換，但不能被統(tǒng)計因為有些氨基酸實際上雖然發(fā)生了替換，但不能被統(tǒng)計. 兩個物種的相同蛋白質(zhì)分子在相同位置各發(fā)生了一個氨兩個物種的相同蛋白質(zhì)

4、分子在相同位置各發(fā)生了一個氨基酸變化，應(yīng)該計為兩個差異，而實際上只能計為一個差異基酸變化，應(yīng)該計為兩個差異，而實際上只能計為一個差異或沒有差異（如發(fā)生相同的變化即替換成了相同的氨基酸）或沒有差異（如發(fā)生相同的變化即替換成了相同的氨基酸） 恢復突變，同一座位多次發(fā)生變化等等，這些都造成了恢復突變，同一座位多次發(fā)生變化等等，這些都造成了計算出的差異比例小于實際差異的比例。計算出的差異比例小于實際差異的比例。 3)、進化速率的計算、進化速率的計算 進化速率是用氨基酸替代頻度來表示的。氨基酸替代頻度是指每年每個進化速率是用氨基酸替代頻度來表示的。氨基酸替代頻度是指每年每個氨基酸座位發(fā)生替代的可能性氨基

5、酸座位發(fā)生替代的可能性, 即用替換率表示。即用替換率表示。 kaa=Kaa/2T其中其中T為比較的兩個蛋白質(zhì)之間從共同的祖先分歧開始的年數(shù)，為比較的兩個蛋白質(zhì)之間從共同的祖先分歧開始的年數(shù)，2T為進化時間。為進化時間。 對于人與鯊魚：對于人與鯊魚： kaa=Kaa/2T=0.76/(24.2108)=0.910-9 又如：人與馬的血紅蛋白又如：人與馬的血紅蛋白鏈相差鏈相差18個氨基酸，已知人馬共祖可追溯個氨基酸，已知人馬共祖可追溯到到8千萬年，求千萬年，求kaa(鏈鏈139個氨基酸個氨基酸) -2.3Log10(1-18/139) (8107)2=0.8610-9 對牛、狗、兔、鼠和人血紅蛋白

6、對牛、狗、兔、鼠和人血紅蛋白鏈和鏈和鏈進行同樣分析，鏈進行同樣分析，Hb鏈平均進鏈平均進化速率為化速率為1.120.0910-9, 鏈為鏈為1.280.1410-9；對海豹、獾、馬、牛、；對海豹、獾、馬、牛、鯨及人肌紅蛋白進行比較得到的進化速率為鯨及人肌紅蛋白進行比較得到的進化速率為1.010.0910-9。 所以，木村資生提出所以，木村資生提出10-9為分子進化的標準速率，并把每年每個氨基為分子進化的標準速率，并把每年每個氨基酸座位的酸座位的110-9進化速率定為分子進化速率的單位，即進化速率定為分子進化速率的單位，即110-9為為1鮑林。鮑林。 從眾多的實例的分析結(jié)果可以看出：1、對生物生

7、存制約性大的生物大分子進化速度慢。、對生物生存制約性大的生物大分子進化速度慢。2、生物大分子內(nèi)部功能區(qū)結(jié)構(gòu)變化的速度較慢、生物大分子內(nèi)部功能區(qū)結(jié)構(gòu)變化的速度較慢, 而且功能而且功能越重要的區(qū)域變化速度越慢。越重要的區(qū)域變化速度越慢。3、蛋白質(zhì)中越重要的氨基酸變化越慢。、蛋白質(zhì)中越重要的氨基酸變化越慢。 4、結(jié)構(gòu)和化學性質(zhì)相近的氨基酸之間的替換要比這兩方、結(jié)構(gòu)和化學性質(zhì)相近的氨基酸之間的替換要比這兩方面不同的氨基酸之間的替換更容易發(fā)生。面不同的氨基酸之間的替換更容易發(fā)生。分子技術(shù)對蛋白質(zhì)和核酸分析的主要發(fā)現(xiàn)有：分子技術(shù)對蛋白質(zhì)和核酸分析的主要發(fā)現(xiàn)有：1對于特定的蛋白質(zhì)或基因，只要功能不變，每年每

8、位點的進對于特定的蛋白質(zhì)或基因，只要功能不變，每年每位點的進化速率為一常數(shù)?；俾蕿橐怀?shù)。 即對同類分子而言，進化速率是恒定的即對同類分子而言，進化速率是恒定的(常數(shù)常數(shù))，不隨物種而，不隨物種而異。異。按照自然選擇理論，進化速率按照自然選擇理論，進化速率(k)與有效群體大小與有效群體大小(Ne)、選、選擇系數(shù)擇系數(shù)(s)和突變率和突變率()有關(guān)，即有關(guān)，即k=4Nes，不可能為常數(shù)。，不可能為常數(shù)。2氨基酸或核苷酸替換率高。氨基酸或核苷酸替換率高。 依分子資料，在多肽中每一百個依分子資料，在多肽中每一百個aa發(fā)生發(fā)生1個替換約需個替換約需2.8107年；哺乳動物基因組約有年；哺乳動物基因組

9、約有4109bp，則每基因組每年的，則每基因組每年的核苷酸核苷酸替換數(shù)為替換數(shù)為1/(2.8107)100(41093)=0.5。若哺乳動物每。若哺乳動物每4年年1代，則每代發(fā)生代，則每代發(fā)生2個核苷酸替換。個核苷酸替換。若按自然選擇理論計算，發(fā)若按自然選擇理論計算，發(fā)生生1個氨基酸替換約需個氨基酸替換約需300代，與實際的相差幾百倍。自然選擇代，與實際的相差幾百倍。自然選擇理論不能解釋如此高的替換率。理論不能解釋如此高的替換率。 1. 大多數(shù)無害突變基因在選擇上是中性的大多數(shù)無害突變基因在選擇上是中性的, 并不影響個體的并不影響個體的適合度。適合度。 對個體適合度無影響的任一突變基因在群體中

10、的固定概率對個體適合度無影響的任一突變基因在群體中的固定概率為為1/(2Ne)。因此，突變基因編碼多肽時，每年每氨基酸平均替。因此，突變基因編碼多肽時，每年每氨基酸平均替換率，即進化速率換率，即進化速率K=2Ne1/(2Ne)=(常數(shù)常數(shù))。這樣就很好解釋。這樣就很好解釋了試驗結(jié)果。了試驗結(jié)果。 木村資生木村資生(1968)為了解釋分子進化的試驗結(jié)果，提出了分子為了解釋分子進化的試驗結(jié)果，提出了分子進化的中性學說。進化的中性學說。 2. 中性基因在群體中的固定主要是由隨機遺傳漂變引起的。中性基因在群體中的固定主要是由隨機遺傳漂變引起的。 分子進化試驗結(jié)果中的高替換率，是因為中性基因不會被分子進

11、化試驗結(jié)果中的高替換率，是因為中性基因不會被自然選擇淘汰，而是經(jīng)隨機遺傳漂變被固定保留下來了。自然選擇淘汰，而是經(jīng)隨機遺傳漂變被固定保留下來了。 3. 功能上次要的基因比功能上重要的基因的進化速率快。功能上次要的基因比功能上重要的基因的進化速率快。 如血纖維蛋白肽發(fā)生或多或少的氨基酸替換，對個體的如血纖維蛋白肽發(fā)生或多或少的氨基酸替換，對個體的適合度影響不大，是已知進化速率最快的蛋白質(zhì)；而組蛋白適合度影響不大，是已知進化速率最快的蛋白質(zhì)；而組蛋白是染色體的重要成分，對維持和延續(xù)生命至關(guān)重要，其進是染色體的重要成分，對維持和延續(xù)生命至關(guān)重要，其進化速率很慢。前者比后者的進化速率大化速率很慢。前者

12、比后者的進化速率大1500倍。倍。 4. 新基因主要是通過基因重復和不等交換產(chǎn)生的。新基因主要是通過基因重復和不等交換產(chǎn)生的。 （一）什么是分子系統(tǒng)學（一）什么是分子系統(tǒng)學 研究生物大分子進化歷史的科學。主要研研究生物大分子進化歷史的科學。主要研究某一生物大分子在生物進化過程中突變的產(chǎn)究某一生物大分子在生物進化過程中突變的產(chǎn)生、固定以及積累的過程。生、固定以及積累的過程。 分子系統(tǒng)學的研究基礎(chǔ)是以生物大分子進分子系統(tǒng)學的研究基礎(chǔ)是以生物大分子進化速率恒定為前提，其變化量與該分子經(jīng)歷的化速率恒定為前提，其變化量與該分子經(jīng)歷的時間呈正相關(guān)。時間呈正相關(guān)。 公式公式kaa=Kaa/2T 首先確定要分

13、析的生物大分子。原則是所有生物中均要存在該種同源生物大分子。 建立親緣關(guān)系比較遠，分歧時間比較長的生物之間的分子系統(tǒng)樹時，要選擇進化速率相對較慢的生物大分子（細胞色素c、16s RNA、丙糖磷酸異構(gòu)酶），相反要選擇進化較快的大分子（mtDNA）。 生物大分子確定之后，對該種生物大分子進行一級結(jié)構(gòu)的測定，就可以得到用于建立分子系統(tǒng)樹的最基本的數(shù)據(jù)。 （1）比較同源區(qū)段確定差異氨基酸數(shù)）比較同源區(qū)段確定差異氨基酸數(shù) （2）求）求Pd、KaaPd=daa/Naa、Kaa=-2.3log10(1-Pd) （3）確定分歧時間）確定分歧時間2T=Kaa/kaa （4）做圖）做圖 （三）分子系統(tǒng)學的研究進展

14、（三）分子系統(tǒng)學的研究進展 1、利用計算機對、利用計算機對DNA和和RNA序列分析構(gòu)建分子系統(tǒng)樹序列分析構(gòu)建分子系統(tǒng)樹 1）不同生物丙糖磷酸異構(gòu)酶分子系統(tǒng)樹）不同生物丙糖磷酸異構(gòu)酶分子系統(tǒng)樹 W. Gilbert 2）不同人種線粒體）不同人種線粒體 DNA分子系統(tǒng)樹分子系統(tǒng)樹 R.L.Cann 2、PCR技術(shù)在古分子系統(tǒng)學中的應(yīng)用技術(shù)在古分子系統(tǒng)學中的應(yīng)用 相對于蛋白質(zhì)來講，相對于蛋白質(zhì)來講，DNA更加穩(wěn)定，保存的時間更長，更加穩(wěn)定，保存的時間更長，所含進化信息更多，因此更適合于古分子系統(tǒng)學的研究。所含進化信息更多，因此更適合于古分子系統(tǒng)學的研究。 美國學者美國學者Hiquchi(1984)，

15、他們成功的從保存了，他們成功的從保存了140年的年的斑驢風干的皮中分離出了線粒體斑驢風干的皮中分離出了線粒體DNA，并和斑馬、馬、，并和斑馬、馬、牛及人的線粒體牛及人的線粒體DNA進行了比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)和現(xiàn)在斑馬進行了比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)和現(xiàn)在斑馬的親緣關(guān)系最近。的親緣關(guān)系最近。 1990年美國學者年美國學者Goleberg從從17-20Ma前的葉化石中分離前的葉化石中分離出了葉綠體出了葉綠體Rubisco基因大亞基的片段?；虼髞喕钠?。 從從25Ma-1.35億年前的琥珀中的蜂、白蟻、象鼻蟲的遺億年前的琥珀中的蜂、白蟻、象鼻蟲的遺體中分離出基因片段。體中分離出基因片段。（一）什么是分子鐘（一）什

16、么是分子鐘 是利用已知的分子系統(tǒng)學數(shù)據(jù)和古生物數(shù)據(jù)建立的是利用已知的分子系統(tǒng)學數(shù)據(jù)和古生物數(shù)據(jù)建立的表示分子進化變化量與進化時間之間關(guān)系的通用曲線。表示分子進化變化量與進化時間之間關(guān)系的通用曲線。五、分子鐘五、分子鐘曲線確定之后可以用它推測未知生物的進化歷程，尤其是曲線確定之后可以用它推測未知生物的進化歷程，尤其是不同生物之間的分歧時間。不同生物之間的分歧時間。建立分子鐘的理論前提是分子進化速率的恒定性，雖然不建立分子鐘的理論前提是分子進化速率的恒定性，雖然不同的生物大分子進化速率有些差異，但還是相對恒定的，同的生物大分子進化速率有些差異，但還是相對恒定的，大多數(shù)的生物大分子都可用來建立分子鐘。大多數(shù)的生物大分子都可用來建立分子鐘。 （二）分子鐘建立程序（二）分子鐘建立程序 1、確定生物大分子和物種、確定生物大分子和物種 2、由古生物學確定各物種分岐時間、由古生物學確定各物種分岐時間 3、比較各物種之間該種生物大分子間的差異、比較各物種之間該種生物大分子間的差異 確定比較組確定比較組 分別求出每組的分別求出每