rrna基因在生物分類中的應(yīng)用

rrna基因在生物分類中的應(yīng)用

生物分類的目的是探索生物的系統(tǒng)發(fā)育及其發(fā)展歷史，闡明生物的多樣性及其親和力，建立以系統(tǒng)發(fā)育為基礎(chǔ)的多層次自然分類體系。這一愿望的實現(xiàn)依賴于對具有生物計時器特點的大分子物質(zhì)的分析,如rRNA基因的核苷酸序列分析,RNA聚合酶β亞基、ATPaseβ亞基、蛋白質(zhì)合成延伸因子EF-Tu等蛋白質(zhì)的氨基酸序列分析。一般而言,氨基酸序列測定遠比核苷酸序列測定復(fù)雜,因此目前在系統(tǒng)發(fā)育研究中應(yīng)用最多的是rRNA基因。本文就rRNA基因的特征、序列分析的程序、在生物分類中的應(yīng)用及與傳統(tǒng)分類的關(guān)系綜述如下。1rrna基因生物生物研究的重要意義70年代以來,由于基因克隆和核酸序列分析技術(shù)取得了一系列突破性進展,尤其是PCR技術(shù)的問世,使rRNA基因的序列分析被廣泛應(yīng)用于生物系統(tǒng)發(fā)育研究,這主要是因為rRNA基因具有作為系統(tǒng)發(fā)育研究的大分子的全部特征。綜合目前的分子分類理論,這些特征主要表現(xiàn)在以下幾個方面:1.1rRNA基因存在于所有細胞型生物中,且都在蛋白質(zhì)合成過程中起關(guān)鍵作用,所以具有功能和進化的同源性,這不僅為生物起源于一個共同祖先提供了證據(jù),而且rRNA基因還能夠作為一個通用分子指標,對各種類型的生物進行比較和分析。1.2rRNA基因是生物細胞基因組中重要而穩(wěn)定的組成成份,不像質(zhì)粒DNA那樣可以在不同生物之間自由轉(zhuǎn)移,因此對其序列分析的結(jié)果可正確地反映生物的進化關(guān)系。1.3rRNA基因是細胞中最古老的分子之一,這對于研究生物物種的發(fā)生和分歧的年代有重要的意義。1.4rRNA基因在各種生物細胞中是數(shù)百個拷貝的高度重復(fù)序列,含量豐富,易于制備,是進行序列分析的極好材料。1.5rRNA基因分子量大小適中,且包含有較多的進化信息,存在著進化速率不同的結(jié)構(gòu)區(qū),以及交替分布的結(jié)構(gòu)模式(見圖1)。其中保守區(qū)核苷酸序列變異較少(序列相似性在70%以上),可用于親緣關(guān)系較遠的生物類群之間的比較;高變區(qū)核苷酸序列的變異較大,可用于兩個親緣關(guān)系十分接近的物種之間的比較。rRNA基因的上述特性決定了這一分子是作為生物系統(tǒng)發(fā)育分類和未知生物鑒定的最佳分子指標。2rrna基因序列的分析和系統(tǒng)發(fā)育的生成目前用于rRNA基因序列分析和生物系統(tǒng)發(fā)育研究的整個流程可歸納如下:3生物分類信息rRNA基因序列的分析和該基因結(jié)構(gòu)進化模式的闡述,為生物提供了豐富而有價值的分類信息。根據(jù)信息的來源可以找到從界到種各級分類階元的分子特征,建立生物分子分類標準,糾正以表型性狀為主要依據(jù)的傳統(tǒng)分類系統(tǒng),完善系統(tǒng)發(fā)育分類體系,探求生命起源和生物的進化。這一領(lǐng)域的進展可概括如下:3.1古細菌的篩選和鑒定由于rRNA基因保守區(qū)的核苷酸變異較少,所以這一區(qū)域很可能與生物的高級分類階元有關(guān)。Woese深信這一點,并花去整整10年時間用繁瑣的寡核苷酸編目法研究了60個不同細菌的16S或18SrRNA基因序列(見表1),并根據(jù)遺傳距離排序,用計算機分析出rRNA的信號序列,從而發(fā)現(xiàn)了第三種生命形式——古細菌,并于1987年在總結(jié)rRNA研究結(jié)果的基礎(chǔ)上提出了一個包含產(chǎn)甲烷細菌、嗜鹽細菌和嗜熱嗜酸細菌的特殊生物分類階元,繪制了具有三個領(lǐng)域的系統(tǒng)發(fā)育樹(見圖2)。與真核生物和真細菌相比較,古細菌不僅具有特征的rRNA基因序列,而且具有特殊的細胞壁及輔酶M、F420、F430、甲烷喋呤和甲烷呋喃等特有的化合物。這些特點使古細菌成為微生物學(xué)者的研究熱點。3.2rrna基因轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)的核苷酸序列及與其它生物的屬、種間系統(tǒng)學(xué)的關(guān)系物種是生物分類的基本單元,長期以來劃分物種的主要依據(jù)是生物的形態(tài)和生殖標準,然而隨著細胞型生物rRNA基因序列的逐步揭示,對這一分子種間異質(zhì)性和種內(nèi)均一性的分析,使人們發(fā)現(xiàn)rRNA基因轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)的核苷酸序列在各類生物的屬、種間表現(xiàn)出明顯的差異,可作為不同分類階元的特征鑒別序列,如蘭細菌16S-23SrRNA基因轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)中有一個非常保守的20個核苷酸的序列,沙門氏菌屬則有一個長達70個核苷酸的特征序列。這些驚人的發(fā)現(xiàn)是國際上采用轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)作為各種生物類群屬種間分類與系統(tǒng)學(xué)研究的主要原因。人們試圖通過大量的測序數(shù)據(jù)分析尋找各種生物物種界定的分子標準,以簡化傳統(tǒng)的生物鑒定程序,建立國際通用的生物鑒定分子標準數(shù)據(jù)庫。4rna基因分析在生物分類中的應(yīng)用生物的表型性狀是其遺傳信息在特定外界環(huán)境條件下的表達,因此以表型性狀為主要分類依據(jù)的傳統(tǒng)分類系統(tǒng)難以完全排除環(huán)境因素的影響以反映生物體之間的親緣關(guān)系。而rRNA基因是結(jié)構(gòu)保守、進化速度緩慢的一種具有記錄生物進化歷史的特征分子,以其為分類依據(jù)建立的系統(tǒng)發(fā)育分類系統(tǒng)只與生物的遺傳結(jié)構(gòu)有關(guān),因此rRNA基因分析在生物分類中的普遍應(yīng)用,使目前生物分類系統(tǒng)尤其是細菌分類系統(tǒng)與傳統(tǒng)分類系統(tǒng)相比發(fā)生了較大的變化,甚至出現(xiàn)了許多矛盾的情況。表2列出的鏈球菌屬的口腔鏈球菌群的分類學(xué)變化足以證明這一點。相信在不久的將來,國際基因數(shù)據(jù)庫將包括地球上所有細胞生物的rRNA基因序列,人們將有可能建立完善的統(tǒng)一的系統(tǒng)發(fā)育分類系統(tǒng),以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鑒定性的分類系統(tǒng)。5rna同源性研究縱觀rRNA基因序列分析在生物分類學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀,不難發(fā)現(xiàn),這一技術(shù)仍存在下述問題有待解決:(1)屬水平的界定還沒有統(tǒng)一的標準,rRNA同源性水平在不同的屬內(nèi)差異非常大。(2)rRNA同源性的研究結(jié)果與傳統(tǒng)分類不相吻合,傳統(tǒng)分類受到重視的形態(tài)特征、細胞分裂方式以及細胞壁的有無與系統(tǒng)進化幾乎無關(guān)。隨著rRNA基因分子生物學(xué)數(shù)