廈門大學(xué)進(jìn)化生物學(xué)第10章分子進(jìn)化和分子系統(tǒng)學(xué)課件

第十章分子進(jìn)化和分子系統(tǒng)學(xué)第十章分子進(jìn)化和分子系統(tǒng)學(xué)思考題生物遺傳物質(zhì)進(jìn)化的主要表現(xiàn)在哪幾個(gè)層次？基因功能進(jìn)化的主要方式？新基因產(chǎn)生的主要方式有哪些？思考題生物遺傳物質(zhì)進(jìn)化的主要表現(xiàn)在哪幾個(gè)層次？主要內(nèi)容一、什么叫分子進(jìn)化？二、分子進(jìn)化的兩大特點(diǎn)三、分子進(jìn)化的中性突變理論四、分子系統(tǒng)學(xué)和分子系統(tǒng)樹五、古分子系統(tǒng)學(xué)六、分子鐘主要內(nèi)容一、什么叫分子進(jìn)化？一、什么叫分子進(jìn)化？1.原始生命出現(xiàn)之前的進(jìn)化，進(jìn)化主要表現(xiàn)在分子層次上，即表現(xiàn)在生物分子的起源和進(jìn)化上。2.細(xì)胞生命產(chǎn)生之后，進(jìn)化發(fā)生在生物分子、細(xì)胞、組織、器官、個(gè)體、群體等各種層次上，分子進(jìn)化是生物在分子層次上的進(jìn)化。研究議題為生物大分子結(jié)構(gòu)變化以及這些變化和生物進(jìn)化的關(guān)系等。一、什么叫分子進(jìn)化？1.原始生命出現(xiàn)之前的進(jìn)化，進(jìn)化主要分子進(jìn)化研究的主要對(duì)象核酸蛋白分子進(jìn)化研究的主要對(duì)象核酸1.生物大分子進(jìn)化速率相對(duì)恒定2.生物大分子進(jìn)化的“保守性”二、分子進(jìn)化的兩大特點(diǎn)1.生物大分子進(jìn)化速率相對(duì)恒定二、分子進(jìn)化的兩大特點(diǎn)分子進(jìn)化速率：核酸或蛋白質(zhì)等生物大分子在進(jìn)化過程中堿基或氨基酸發(fā)生替換的頻度，以年為單位，可表示為：

K=d/2tNK：分子進(jìn)化速率d：氨基酸或核苷酸替換數(shù)目N：大分子結(jié)構(gòu)單元（氨基酸或核苷酸）總數(shù)t：進(jìn)化時(shí)間1）核酸或蛋白質(zhì)等生物大分子差異比例的計(jì)算分子進(jìn)化速率：核酸或蛋白質(zhì)等生物大分子在進(jìn)化過程中堿基或氨基YZXt=20MaX:ACTGATCGAA-TTCAGATTTCAGGA25Y:ACAGATCGCAGTGC-GCTTGCAGGA25Z:ACTGA

ACGCA-TTCAGATATCA-GG25dXY=5Ka=d/tN=5/20×10-6×23=1.2×10-8dXZ=4Kb=d/tN=4/20×10-6×23=1.0×10-8dYZ=7(而不是5+4)Kab=d/2tN=10/2×20×10-6×23=1.0×10-8進(jìn)化速率計(jì)算K=d/2tN缺失、插入、替換YXt=20MaX:ACTGATCG2）核酸或氨基酸差異比例的校正原因：上述方法計(jì)算的差異是根據(jù)現(xiàn)存的序列計(jì)算的，往往比實(shí)際的小。校正方法：氨基酸和核酸的校正方法存在一定差異，且根據(jù)不同基因的蛋白序列（或核酸序列）校正方法也不盡相同。2）核酸或氨基酸差異比例的校正原因：上述方法計(jì)算的差異是根據(jù)進(jìn)化速率恒定的實(shí)例1：7種動(dòng)物與人血紅蛋白α鏈氨基酸差異數(shù)進(jìn)化速率恒定的實(shí)例1：7種動(dòng)物與人血紅蛋白α鏈氨基酸差異數(shù)

即使是表型進(jìn)化停滯的所謂“活化石”，如杰克遜港鯊，自石炭紀(jì)以來（大約3．5億年前）表型幾乎沒有變化，但其血紅蛋白的α與β鏈之間的氨基酸位點(diǎn)的差異量幾乎和人的血紅蛋白分子的α與β鏈之間的差異量相同（人為147個(gè)位點(diǎn)的差異，鯊為150個(gè)）。這說明，分子進(jìn)化速率（此處指的是大分子一級(jí)結(jié)構(gòu)的改變速率）遠(yuǎn)比表型進(jìn)化速率穩(wěn)定。

即使是表型進(jìn)化停滯的所謂“活化石”，如杰克遜港鯊，自結(jié)論1：生物大分子進(jìn)化中的一級(jí)結(jié)構(gòu)的改變（替換）只和進(jìn)化經(jīng)歷的時(shí)間相關(guān)，而與表型進(jìn)化速率不相關(guān)。為什么生物大分子進(jìn)化改變的速率如此穩(wěn)定呢？一種可能的解釋是：大分子一級(jí)結(jié)構(gòu)中組成單元的替換是一個(gè)沒有特殊驅(qū)動(dòng)和控制的隨機(jī)過程。

結(jié)論1：生物大分子進(jìn)化中的一級(jí)結(jié)構(gòu)的改變（替換）只和進(jìn)化經(jīng)歷2.生物大分子進(jìn)化的“保守性”

“保守性”是指功能上重要的大分子或大分子的局部在進(jìn)化速率上明顯低于那些功能上不重要的大分子或大分子局部。也即是那些引起現(xiàn)有表型發(fā)生顯著改變的突變（替換）發(fā)生的頻率較那些無(wú)明顯表型效應(yīng)的突變（替換）發(fā)生頻率低。

2.生物大分子進(jìn)化的“保守性”

“保守性”是指功能上重要的大1）蛋白水平上進(jìn)化速率不均衡性（保守性）的體現(xiàn)1）蛋白水平上進(jìn)化速率不均衡性（保守性）的體現(xiàn)不同蛋白一般進(jìn)化速率不等不同蛋白一般進(jìn)化速率不等按系統(tǒng)來說，一般認(rèn)為參與免疫反應(yīng)及受精過程的蛋白進(jìn)化速率較快，而參與胚胎發(fā)育的轉(zhuǎn)錄因子則進(jìn)化速率較慢。如脊椎動(dòng)物的gamma-interferon蛋白和海膽的精子頂體蛋白Bindin都是目前發(fā)現(xiàn)的進(jìn)化速率最快的蛋白成員。此外，還有研究暗示腦部特異表達(dá)的基因在人的這一支中進(jìn)化速率較快。按系統(tǒng)來說，一般認(rèn)為參與免疫反應(yīng)及受精過程的蛋白進(jìn)化速率較快同一蛋白不同區(qū)域進(jìn)化速度不等同一蛋白不同區(qū)域進(jìn)化速度不等2）核酸水平上進(jìn)化速率不均衡性（保守性）的體現(xiàn)DNA密碼子中的同義替換比變義替換發(fā)生的頻率高；內(nèi)含子內(nèi)的堿基替換速率明顯高于外顯子，一般大致等同于或高于同義替換；外顯子內(nèi)部一般編碼區(qū)的進(jìn)化速度快于非編碼區(qū)（UTR區(qū)）；假基因進(jìn)化速率也較快。2）核酸水平上進(jìn)化速率不均衡性（保守性）的體現(xiàn)DNA密碼子中結(jié)論2：功能上重要的生物大分子和大分子的局部的進(jìn)化保守性說明大分子進(jìn)化并非是完全隨機(jī)的，大分子的進(jìn)化（表現(xiàn)為一級(jí)結(jié)構(gòu)單元的替換）中存在某種制約因素或控制機(jī)制。結(jié)論2：功能上重要的生物大分子和大分子的局部的進(jìn)化保守性說明分子進(jìn)化到底是一個(gè)不受控制的隨機(jī)過程，還是一個(gè)受某種因素限制的非隨機(jī)過程？分子進(jìn)化到底是一個(gè)不受控制的隨機(jī)過程，還是一個(gè)受某種因素限制三、分子進(jìn)化的中性突變理論三、分子進(jìn)化的中性突變理論1.中性突變理論的提出1968年，日本遺傳學(xué)家木村資生(MotooKimura)在《Nature》雜志發(fā)表了“論分子水平上的進(jìn)化速率”的評(píng)述，根據(jù)不少核苷酸和氨基酸的置換并不影響生物大分子的生物學(xué)功能的事實(shí)，提出了生物進(jìn)化在分子水平上的“中性理論”；次年，美國(guó)學(xué)者金和朱克斯（J.K.King&T.H.Jukes）在《Science》雜志上刊出“非達(dá)爾文主義的進(jìn)化”一文，呼應(yīng)木村資生的觀點(diǎn)，向傳統(tǒng)的達(dá)爾文進(jìn)化學(xué)說，包括現(xiàn)代綜合進(jìn)化論提出挑戰(zhàn)。他們認(rèn)為，達(dá)爾文進(jìn)化學(xué)說不能解釋微觀世界的多種現(xiàn)象，提出了“非達(dá)爾文主義進(jìn)化”的概念。1.中性突變理論的提出1968年，日本遺傳學(xué)家木村資生(Mo2.中性突變理論的主要內(nèi)容在生物分子層次上的進(jìn)化改變不是由自然選擇作用于有利突變而引起的，而是在連續(xù)的突變壓之下由選擇中性或非常接近中性的突變的隨機(jī)固定造成的（這里所謂選擇中性的突變是指對(duì)當(dāng)前適應(yīng)度無(wú)影響的突變）。換句話說，中性論雖然承認(rèn)自然選擇在表型（形態(tài)、生理、行為的特征）進(jìn)化中的作用，但否認(rèn)自然選擇在分子進(jìn)化中的作用，認(rèn)為生物大分子（蛋白質(zhì)、核酸）的進(jìn)化中主要因素是機(jī)會(huì)和突變壓。2.中性突變理論的主要內(nèi)容在生物分子層次上的進(jìn)化改變不是由自3.中性突變理論的主要論據(jù)1）分子層次上的大多數(shù)變異是選擇中性的；2）蛋白質(zhì)與核酸分子的進(jìn)化速率高而且相對(duì)恒定；3）突變壓在分子進(jìn)化中的作用在最近的研究中得到越來越多的證實(shí)；4）按群體遺傳學(xué)的數(shù)學(xué)模式計(jì)算出來的自然選擇代價(jià)過高，不符合實(shí)際情況。跳頁(yè)3.中性突變理論的主要論據(jù)1）分子層次上的大多數(shù)變異是選擇中a.啞突變占優(yōu)勢(shì)；b.在生物基因組中，非編碼的DNA占絕大部分；c.自然種群遺傳結(jié)構(gòu)的分析證明，種群內(nèi)的遺傳多態(tài)普遍存在，大分子多態(tài)尤其常見。

返回a.啞突變占優(yōu)勢(shì)；返回蛋白編碼序列選擇壓力評(píng)估dN：non-synonymousmutationdS：synonymousmutationdN/dS<1negativeselectiondN/dS=1neutralselectiondN/dS>1positiveselection返回靈長(zhǎng)目偶蹄目嚙齒目0.1370.1840.355dS靈長(zhǎng)目偶蹄目嚙齒目0.0370.0470.062dN蛋白編碼序列選擇壓力評(píng)估dN：non-synonymous中性理論與選擇理論（達(dá)爾文進(jìn)化論）的主要區(qū)別有害突變有害突變有利突變中性突變選擇理論中性理論有利突變1.選擇理論揭示的是表型、種群進(jìn)化的規(guī)律；選擇理論揭示的是分子水平上的進(jìn)化規(guī)律。2.二者對(duì)突變類型的分類存在較大區(qū)別。中性理論與選擇理論（達(dá)爾文進(jìn)化論）的主要區(qū)別有害突變有害突變四、分子系統(tǒng)學(xué)和分子系統(tǒng)樹定義：從生物大分子的信息推斷生物進(jìn)化歷史，或者說“重塑”系統(tǒng)發(fā)生（譜系）關(guān)系，并以系統(tǒng)樹的形式表示出來，這就是分子系統(tǒng)學(xué)的任務(wù)。生物大分子進(jìn)化速率的恒定性是分子系統(tǒng)學(xué)研究的前體。四、分子系統(tǒng)學(xué)和分子系統(tǒng)樹定義：從生物大分子的信息推斷生物進(jìn)1.構(gòu)建分子系統(tǒng)樹的方法第一步是獲得分析對(duì)象（現(xiàn)生物種同源的大分子）的特征數(shù)據(jù)，并采用一定的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法從這些數(shù)據(jù)分析中得到若干可供選擇的樹系；第二步是根據(jù)“最合適性”（optimality）定義的標(biāo)準(zhǔn)，給所獲得的樹系以相對(duì)客觀的評(píng)價(jià)，這種評(píng)價(jià)最好是能數(shù)值化，能夠定量地比較，便于判斷。通俗點(diǎn)說，前一步驟是造“樹”，后一步驟是尋找“最好的樹”，即從若干可能的樹系中找出最合適的。1.構(gòu)建分子系統(tǒng)樹的方法第一步是獲得分析對(duì)象（現(xiàn)生物種同源2.構(gòu)建分子系統(tǒng)樹的具體流程1）大分子特征數(shù)據(jù)的獲得不同物種的同源大分子的同源位點(diǎn)就構(gòu)成一類特征，每一個(gè)位點(diǎn)有多種可能的特征狀態(tài)，對(duì)于DNA或RNA來說每個(gè)位點(diǎn)有4種可能的特征狀態(tài)（對(duì)應(yīng)于4種堿基）。例如，某一物種的18SrRNA序列的第130位點(diǎn)為G，位點(diǎn)130是一類特征，G是一種特征狀態(tài)。2.構(gòu)建分子系統(tǒng)樹的具體流程1）大分子特征數(shù)據(jù)的獲得2）大分子的選擇標(biāo)準(zhǔn)：親緣關(guān)系較近的物種使用進(jìn)化速率較快的基因（如線粒體基因）；親緣關(guān)系較遠(yuǎn)的物種使用進(jìn)化速率較慢的基因（如管家基因）。2）大分子的選擇標(biāo)準(zhǔn)：親緣關(guān)系較近的物種使用進(jìn)化速率較快的基3）同源序列的比對(duì)(alignmentofsequences)S1AGACCTAGTS2AGACTTGTS3AGAACCTAGT

S3AGAACCTAGTS1AGA-CCTTGTS2AGA--CTAGT3）同源序列的比對(duì)(alignmentofsequenc4）比較特征：相似性和距離數(shù)據(jù)

相似性（similarity,S）和距離(distance)，即所謂的比較特征，是評(píng)價(jià)一對(duì)分子序列之間關(guān)系的特征值。距離也即是相異性或不似性（dissimilarity,dS）。S=1-dS相似性的計(jì)算通常要考慮如下幾個(gè)數(shù)值：Nm——匹配（相同）的位點(diǎn)數(shù)目Nu——不匹配的位點(diǎn)數(shù)；Nt——序列位點(diǎn)總數(shù)；Ng——空隙數(shù)。4）比較特征：相似性和距離數(shù)據(jù)相似性（similarity5）樹系的構(gòu)建主要方法：最大簡(jiǎn)約法（maximum－parsimonymethod）鄰接法（Neibohood-jointingmethod）最大似然法（maximumlikelihoodmethod）貝葉斯法（bayesmethod）5）樹系的構(gòu)建主要方法：6）樹系可信度的檢驗(yàn)檢驗(yàn)方法：靴襻法（bootstrapmethod）和大折刀法（jackknifemethod）靴襻法：對(duì)所比較序列上的替換位點(diǎn)作多次隨機(jī)取樣，根據(jù)每次取樣的數(shù)據(jù)可以得到新的樹系圖。

6）樹系可信度的檢驗(yàn)檢驗(yàn)方法：靴襻法（bootstrap7）樹圖舉例7）樹圖舉例3.分子系統(tǒng)樹的研究進(jìn)展基于16SrRNA的早期研究基于線粒體的研究基于多種基因的研究基于全基因的研究3.分子系統(tǒng)樹的研究進(jìn)展基于16SrRNA的早期研究五、古分子系統(tǒng)學(xué)定義：對(duì)古生物大分子（古蛋白質(zhì)，古DNA）進(jìn)行系統(tǒng)研究。DNA相對(duì)比蛋白質(zhì)穩(wěn)定，特殊條件下（干燥，與氧氣隔離，極低溫度）保存的DNA可用于系統(tǒng)分析。五、古分子系統(tǒng)學(xué)定義：對(duì)古生物大分子（古蛋白質(zhì)，古DNA）進(jìn)一）古蛋白分子研究上世紀(jì)50年代，人們發(fā)現(xiàn)骨和殼化石中的多肽可保存幾千萬(wàn)年乃至若干億年。但目前由于受到蛋白質(zhì)研究方法的限制，因此其在系統(tǒng)學(xué)研究中的作用并不廣泛。一）古蛋白分子研究上世紀(jì)50年代，人們發(fā)現(xiàn)骨和殼化石中的多肽二）古DNA的研究DNA比蛋白質(zhì)更加穩(wěn)定，所含遺傳信息更多，研究方法成熟（PCR、克隆、測(cè)序等），因此更適合古分子系統(tǒng)學(xué)研