分子进化与系统发育学

第六讲分子进化与系统发育学Molecularevolutionandphylogenetics《老山发现大型西汉王陵墓》《北京晚报》2000年03月18日《老山汉墓考古发掘进入核心部分》《人民日报》(2000年08月20日Beginwithastory…STORY1:墓主（西汉诸侯王后）尸骨，鉴定为女性，年龄约30岁，身高约1.60米《老山汉墓走出西域美女汉墓女主人头像复原记》(北京青年报，2001年4月20日)?……此次头像复原品的作者纪元“在我国单个人体复原领域中是首屈一指的专家。他所在的单位———公安部物证鉴定中心也是目前我国人体复原最具权威的机构。”……纪元介绍说：此次所采用的是颅骨面貌复原技术。这项技术已经有100多年的历史，其科学依据是人体头面部的解剖学规律，且在单体复原方面具有较高的精确度。世界上第一次运用它是为著名艺术家巴赫进行头像复原并取得了成功。目前在我国这项技术主要运用于破案之中。2002年10月，吉林大学文学院考古系边疆考古研究中心与北京市文物研究所合作，对该尸骨进行体质人类学、古代DNA和颅像复原三个方面的研究，其中DNA研究工作是由吉大生命科学学院副院长、边疆考古研究中心考古DNA实验室主任周慧教授负责完成。《DNA证实老山汉墓女主人是中原人》2003-05-15新华网吉林大学边疆考古研究中心今天正式宣布：他们完成的一项研究结果表明，北京老山汉墓女主人的DNA序列属于亚洲M谱系，代表了东亚地区现代人群的某种祖先类型的遗传学性状。据周慧教授介绍，由于老山汉墓女主人的骨骼保存状况欠佳，因此运用分子生物学的方法对其线粒体进行提取、扩增、测序和分析是这项综合性研究计划中的一个重点和难点课题。其人骨样本中DNA降解严重、含量很少，提取工作很不顺利。为此研究人员考虑了三套方案，即分别从其肢骨、牙齿和颅腔中偶然保存下来的一块干燥脑组织中提取DNA。由于样本的肢骨、牙齿的保存情况欠佳，未能提取出DNA。最后经过课题组成员坚韧不拔的努力和反复实验，终于分别从干燥脑组织的三个不同部位成功得到了古DNA模板，并扩增测序。实验结果表明，三个不同部位所得序列一致，同一抽提产物的平等测序结果相同，该序列真实地反映了老山汉墓女墓主的遗传信息。古代DNA是指从田野考古发掘中出土的古代人类和动物遗骸以及古生物化石中提取的古代生物分子。随着现代生物技术、有机地球化学理论和实验技术的不断发展，人们对古代DNA的研究也不断深入。把古代DNA数据与现代基因库中的数据资料相结合，便可以构建出某一生物门类的系统发育树，从而进一步探讨人类的演化与迁移等重大问题。古分子系统学、分子系统学古生物遗体、化石保存的三种信息：1、形态学信息2、化学信息（生物的代谢产物和一般的生物化学分子）3、遗传信息(保存的一级结构生物大分子,即基因产物和基因片段)分子系统学（MolecularSystematics）：从生物大分子（氨基酸、核苷酸）的遗传信息推断生物进化的历史，并以系统树（谱系）的形式表达出来。古分子系统学：利用古代DNA保留的遗传信息进行分子系统学研究§6.1生物进化的分子基础Darwin,Charles(1809-1882)《TheOriginofSpecies》（1859）化石证据(Fossil)比较形态学证据(Comparativemorphology)比较生理学证据(Comparativephysiology)系统学(Systematics)分类学(Taxonomy)经典的进化研究方法比较形态学证据(Comparativemorphology)普适性由4种核酸组成分子水平的进化表现为：DNA序列的演化、氨基酸序列演化、蛋白质结构的演化可比较性比较不同物种的有关DNA序列建立DNA序列的演化模型、氨基酸序列的演化模型（数学模型）蛋白质结构的演化模型（形态、性状的演化模型？）基因组编码信息的丰富与形态、性状包含的信息相比，基因组序列包含更多、更复杂的信息结构进化学的分子途径分子系统发育学MolecularPhylogenetics分子系统学MolecularSystematicsWhatcanwedoformolecularevolution?序列比较：源于同一祖先DNA/氨基酸序列的两条DNA/氨基酸序列，考察二者的差异。序列差异：进化过程中分子突变的痕迹分子进化：以累计在DNA/氨基酸分子上的历史信息为基础，研究分子水平的生物进化过程和机制。分子系统学为生物分类问题提供了许多崭新的见解。基因突变1、核苷酸替代、插入/缺失、重组2、基因转换固定在生物个体以及物种内遗传漂变自然选择传递给后代产生新的形态、性状分子系统学是研究进化机制的一个重要工具。生物进化的分子机制性状改变DNA分子的改变核苷酸替代substitution核苷酸缺失deletion核苷酸插入insertion核苷酸倒位invertionDNA序列的突变ThrTyrLeuLeuACCTATTTGCTGACCTCTTTGCTGThrSerLeuLeu替代ThrTyrLeuLeuACCTATTTGCTGACCTACTTTGCTGThrTyrPheAla插入ThrTyrLeuLeuACCTATTTGCTGACCTATTGCTG-ThrTyrCys-缺失ThrTyrLeuLeuACCTATTTGCTGACCTTTATGCTGThrPheMetLeu倒位核苷酸替代的几种分类转换（transition）嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶颠换（transvertion）嘌呤嘧啶嘧啶嘌呤ATCG胞嘧啶腺嘌呤胸腺嘧啶鸟嘌呤在大多数DNA片段中，转换出现的概率高于颠换出现的概率。DNA序列突变对氨基酸序列的影响同义（沉默）替代（synonymous/silentsubstitution）仍然为同义密码子的核苷酸替代如：TATTACTyrTyr非同义替代（nonsynonymoussubstitution）导致产生非同义密码子的核苷酸替代如：TATAATTyrAsn无义突变（nonsensemutation）导致产生终止密码子的核苷酸突变如：TATTAATyrSTP问题：假设所有密码子以同一概率出现，上述三种突变的比例25%，71%，4%密码子使用频率(codonusage)密码子使用频率的偏倚性：编码同一个氨基酸的多个同义密码子具有不同的使用频率例：E.coli的RNA聚合酶缬氨酸ValGTTGTCGTAGTG55213434精氨酸ArgCGUCGCCGACGG894610为什么会出现密码子使用频率的偏倚性？•与同功能tRNA的丰度有关？•突变压力与进化选择双重控制？Openproblem基因组进化的分子基础:•突变•重组•转座突变突变的机制♦自发性损伤(复制中的损伤、碱基的自发性化学改变、细胞的代谢产物对DNA的损伤)♦物理因素引起的损伤(电离辐射、紫外线、热诱变等)♦化学因素引起的损伤（烷化剂、碱基类似物、嵌入试剂等）突变的效应◙突变对基因组的影响同义突变：没有改变产物氨基酸序列的密码子错义突变：碱基序列的改变引起了氨基酸序列的改变（中性突变、渗漏突变）无义突变：碱基的改变使代表某种氨基酸的密码子变为蛋白合成的终止密码子连读突变：与终止突变正好相反，终止密码子变成指令某一氨基酸的密码子，使翻译继续进行重组•同源重组•位点专一性重组转座转座:是基因进化的一种重要方式,它不是重组,但利用了重组的过程,它是一段DNA或其拷贝从基因组的一个位置转移到另一位置，并在插入位点两测产生1对很短的正向重复序列根据转座机制可分为2个大的范畴:•DNA转座子以DNA区段作为转座成分又可分为复制转座和保守转座•逆转录转座子以RNA为中介§6.2系统发育树（Phylogenetictree）TsarNicholasIIEstablishingtheidentityofAnnaAndersonManahanAnnaAndersonAnastasia?《真假公主》——1917年俄国末代王朝被推翻，贵族与侍卫全部逃走，而沙皇可怜的儿子老少一个都没走脱，并于1918年被全部处决。但民间却流传着沙皇的小女儿死里逃生，远走他乡的故事。为了得到俄国沙皇的一千万遗产，许多人绞尽脑汁寻找安娜公主，终无所获。俄国贵族后裔布丁将军终于找到一位外貌气质酷似安娜公主的女子，于是训练她皇室的各种礼仪及相关的人和事，安娜公主过关斩将。顺利和皇太后相认，就在太后要宣布安娜公主为遗产继承人并与保罗定婚时，安娜公主与布丁悄然消失，结局出人意料……STORY2:STORY3:极端厌氧的产甲烷菌高温下生活的嗜热菌美国黄石公园内有许多温泉，水温从20℃到100℃，其中生活着一些喜欢热的微生物，用显微镜观察，这些微生物呈杆状。1964年生物学家托马斯·布罗克在黄石公园的温泉源头发现了微生物，第二年夏天又发现了在60摄氏度的水中生活的水藻，还有在82摄氏度的水温下生存的微生物。基于16S/18S核糖体RNA序列比对得到的古细菌系统发育树（Ettema等，2005）生命三界：细菌（Eubacteria）古细菌（Archaebacteria）真核（Eukaryotes）（WoeseandFox,1977）:电子显微镜下的SARS冠状病毒100nmabcdabcd拓扑结构：有根树：反映时间顺序无根树：反映距离理论上，一个DNA序列在物种形成或基因复制时，分裂成两个子序列，因此系统发育树一般是二歧的。一般考虑二歧的树结构：二歧树分支：内部分支外部分支节点：内部节点外部节点系统发育树的种类——有根树、无根树abcdabcdabcdadbcbacdcabddabcacbdbcadcbaddbacadbcbaaccdabdcab考虑4个分类群时，共有15种可能的有根树abcdacbdadbc考虑4个分类群时，共有3种可能的无根树考察类群数为m(m3)的系统树，其可能的拓扑结构数目为：)!2(2)!32(2mmm有根树)!3(2)!52(3mmm无根树m=10:34,459,425种m=10:2,027,025种当m较大时，选出真实树的拓扑结构十分困难。分支数目：22m有根树32m无根树内部分支数目：3m有根树2m无根树内部节点数目：1m有根树2m无根树物种树：代表一个物种或群体进化历史的系统发育树两个物种分歧的时间：两个物种发生生殖隔离的时间基因树：由来自各个物种的一个基因构建的系统发育树（不完全等同于物种树），表示基因分离的时间。abcdef基因分裂基因分裂基因分裂物种分裂系统发育树的种类——基因树、物种树期望树：一个用无限长的序列或每一分支的期望替代数构建的树理论上：假设所研究的序列无限长，从中随机抽样进行统计分析。实际情况：所研究的序列是短序列，统计得到的替代数目存在大量随机误差。现实树：建立在实际替代数基础上的树重建树构树方法系统发育树的种类——期望树、现实树和重建树构建系统发育树的数据1、特征数据(characterdata)：提供了基因、个体、群体或物种的信息2、距离数据(distancedata)或相似性数据(similaritydata)：涉及的则是成对基因、个体、群体或物种的信息。距离矩阵距离数据可以由特征数据计算得到。反之?系统发育树的构建构造系统发育树的主要方法•距离法根据每对物种之间的距离直接计算得到。所生成的树的质量取决于距离尺度的质量•简约法通过寻求物种间最小的变更数来完成的•似然法通过标准的统计推断建立系统发育的概率模型•其它方法：神经网络方法、Hadamard结合法……构建系统发育树的主要过程1、拓扑结构的判别（从大量的拓扑结构中搜寻、判别）2、一个既定拓扑结构的分支长度的估计最优原则§6.3生物进化理论与分子进化的讨论1、进化理论概述“一个半世纪以前，CharlesDarwin可能没有意识到他所给予科学的是一件从未有过的强