厦门大学进化生物学第10章分子进化和分子系统学

第十章分子进化和分子系统学思考题•生物遗传物质进化的主要表现在哪几个层次？•基因功能进化的主要方式？•新基因产生的主要方式有哪些？主要内容一、什么叫分子进化？二、分子进化的两大特点三、分子进化的中性突变理论四、分子系统学和分子系统树五、古分子系统学六、分子钟一、什么叫分子进化？1.原始生命出现之前的进化，进化主要表现在分子层次上，即表现在生物分子的起源和进化上。2.细胞生命产生之后，进化发生在生物分子、细胞、组织、器官、个体、群体等各种层次上，分子进化是生物在分子层次上的进化。研究议题为生物大分子结构变化以及这些变化和生物进化的关系等。分子进化研究的主要对象核酸蛋白1.生物大分子进化速率相对恒定2.生物大分子进化的“保守性”二、分子进化的两大特点分子进化速率：核酸或蛋白质等生物大分子在进化过程中碱基或氨基酸发生替换的频度，以年为单位，可表示为：K=d/2tNK：分子进化速率d：氨基酸或核苷酸替换数目N：大分子结构单元（氨基酸或核苷酸）总数t：进化时间1）核酸或蛋白质等生物大分子差异比例的计算YZXt=20MaX:ACTGATCGAA-TTCAGATTTCAGGA25Y:ACAGATCGCAGTGC-GCTTGCAGGA25Z:ACTGAACGCA-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进化速率计算K=d/2tN缺失、插入、替换2）核酸或氨基酸差异比例的校正•原因：上述方法计算的差异是根据现存的序列计算的，往往比实际的小。•校正方法：氨基酸和核酸的校正方法存在一定差异，且根据不同基因的蛋白序列（或核酸序列）校正方法也不尽相同。进化速率恒定的实例1：7种动物与人血红蛋白α链氨基酸差异数即使是表型进化停滞的所谓“活化石”，如杰克逊港鲨，自石炭纪以来（大约3．5亿年前）表型几乎没有变化，但其血红蛋白的α与β链之间的氨基酸位点的差异量几乎和人的血红蛋白分子的α与β链之间的差异量相同（人为147个位点的差异，鲨为150个）。这说明，分子进化速率（此处指的是大分子一级结构的改变速率）远比表型进化速率稳定。结论1：生物大分子进化中的一级结构的改变（替换）只和进化经历的时间相关，而与表型进化速率不相关。为什么生物大分子进化改变的速率如此稳定呢？一种可能的解释是：大分子一级结构中组成单元的替换是一个没有特殊驱动和控制的随机过程。2.生物大分子进化的“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进化速率上明显低于那些功能上不重要的大分子或大分子局部。也即是那些引起现有表型发生显著改变的突变（替换）发生的频率较那些无明显表型效应的突变（替换）发生频率低。1）蛋白水平上进化速率不均衡性（保守性）的体现不同蛋白一般进化速率不等按系统来说，一般认为参与免疫反应及受精过程的蛋白进化速率较快，而参与胚胎发育的转录因子则进化速率较慢。如脊椎动物的gamma-interferon蛋白和海胆的精子顶体蛋白Bindin都是目前发现的进化速率最快的蛋白成员。此外，还有研究暗示脑部特异表达的基因在人的这一支中进化速率较快。同一蛋白不同区域进化速度不等2）核酸水平上进化速率不均衡性（保守性）的体现•DNA密码子中的同义替换比变义替换发生的频率高；•内含子内的碱基替换速率明显高于外显子，一般大致等同于或高于同义替换；•外显子内部一般编码区的进化速度快于非编码区（UTR区）；•假基因进化速率也较快。结论2：功能上重要的生物大分子和大分子的局部的进化保守性说明大分子进化并非是完全随机的，大分子的进化（表现为一级结构单元的替换）中存在某种制约因素或控制机制。分子进化到底是一个不受控制的随机过程，还是一个受某种因素限制的非随机过程？三、分子进化的中性突变理论1.中性突变理论的提出◌1968年，日本遗传学家木村资生(MotooKimura)在《Nature》杂志发表了“论分子水平上的进化速率”的评述，根据不少核苷酸和氨基酸的置换并不影响生物大分子的生物学功能的事实，提出了生物进化在分子水平上的“中性理论”；◌次年，美国学者金和朱克斯（J.K.King&T.H.Jukes）在《Science》杂志上刊出“非达尔文主义的进化”一文，呼应木村资生的观点，向传统的达尔文进化学说，包括现代综合进化论提出挑战。◌他们认为，达尔文进化学说不能解释微观世界的多种现象，提出了“非达尔文主义进化”的概念。2.中性突变理论的主要内容•在生物分子层次上的进化改变不是由自然选择作用于有利突变而引起的，而是在连续的突变压之下由选择中性或非常接近中性的突变的随机固定造成的（这里所谓选择中性的突变是指对当前适应度无影响的突变）。•换句话说，中性论虽然承认自然选择在表型（形态、生理、行为的特征）进化中的作用，但否认自然选择在分子进化中的作用，认为生物大分子（蛋白质、核酸）的进化中主要因素是机会和突变压。3.中性突变理论的主要论据1）分子层次上的大多数变异是选择中性的；2）蛋白质与核酸分子的进化速率高而且相对恒定；3）突变压在分子进化中的作用在最近的研究中得到越来越多的证实；4）按群体遗传学的数学模式计算出来的自然选择代价过高，不符合实际情况。跳页a.哑突变占优势；b.在生物基因组中，非编码的DNA占绝大部分；c.自然种群遗传结构的分析证明，种群内的遗传多态普遍存在，大分子多态尤其常见。返回蛋白编码序列选择压力评估dN：non-synonymousmutationdS：synonymousmutationdN/dS1negativeselectiondN/dS=1neutralselectiondN/dS1positiveselection返回灵长目偶蹄目啮齿目0.1370.1840.355dS灵长目偶蹄目啮齿目0.0370.0470.062dN中性理论与选择理论（达尔文进化论）的主要区别有害突变有害突变有利突变中性突变选择理论中性理论有利突变1.选择理论揭示的是表型、种群进化的规律；选择理论揭示的是分子水平上的进化规律。2.二者对突变类型的分类存在较大区别。四、分子系统学和分子系统树定义：从生物大分子的信息推断生物进化历史，或者说“重塑”系统发生（谱系）关系，并以系统树的形式表示出来，这就是分子系统学的任务。生物大分子进化速率的恒定性是分子系统学研究的前体。1.构建分子系统树的方法第一步是获得分析对象（现生物种同源的大分子）的特征数据，并采用一定的统计学方法从这些数据分析中得到若干可供选择的树系；第二步是根据“最合适性”（optimality）定义的标准，给所获得的树系以相对客观的评价，这种评价最好是能数值化，能够定量地比较，便于判断。通俗点说，前一步骤是造“树”，后一步骤是寻找“最好的树”，即从若干可能的树系中找出最合适的。2.构建分子系统树的具体流程1）大分子特征数据的获得不同物种的同源大分子的同源位点就构成一类特征，每一个位点有多种可能的特征状态，对于DNA或RNA来说每个位点有4种可能的特征状态（对应于4种碱基）。例如，某一物种的18SrRNA序列的第130位点为G，位点130是一类特征，G是一种特征状态。2）大分子的选择标准：亲缘关系较近的物种使用进化速率较快的基因（如线粒体基因）；亲缘关系较远的物种使用进化速率较慢的基因（如管家基因）。3）同源序列的比对(alignmentofsequences)S1AGACCTAGTS2AGACTTGTS3AGAACCTAGTS3AGAACCTAGTS1AGA-CCTTGTS2AGA--CTAGT4）比较特征：相似性和距离数据相似性（similarity,S）和距离(distance)，即所谓的比较特征，是评价一对分子序列之间关系的特征值。距离也即是相异性或不似性（dissimilarity,dS）。S=1-dS相似性的计算通常要考虑如下几个数值：Nm——匹配（相同）的位点数目Nu——不匹配的位点数；Nt——序列位点总数；Ng——空隙数。5）树系的构建主要方法：最大简约法（maximum－parsimonymethod）邻接法（Neibohood-jointingmethod）最大似然法（maximumlikelihoodmethod）贝叶斯法（bayesmethod）6）树系可信度的检验检验方法：靴襻法（bootstrapmethod）和大折刀法（jackknifemethod）靴襻法：对所比较序列上的替换位点作多次随机取样，根据每次取样的数据可以得到新的树系图。7）树图举例3.分子系统树的研究进展•基于16SrRNA的早期研究•基于线粒体的研究•基于多种基因的研究•基于全基因的研究五、古分子系统学定义：对古生物大分子（古蛋白质，古DNA）进行系统研究。DNA相对比蛋白质稳定，特殊条件下（干燥，与氧气隔离，极低温度）保存的DNA可用于系统分析。一）古蛋白分子研究上世纪50年代，人们发现骨和壳化石中的多肽可保存几千万年乃至若干亿年。但目前由于受到蛋白质研究方法的限制，因此其在系统学研究中的作用并不广泛。二）古DNA的研究DNA比蛋白质更加稳定，所含遗传信息更多，研究方法成熟（PCR、克隆、测序等），因此更适合古分子系统学研究。三）古分子系统学研究进展SequencingthenucleargenomeoftheextinctwoollymammothNature,2008(456),387-390ADraftSequenceoftheNeandertalGenomeScience,2010(328),710-722六、分子钟（molecularclock）定义：就是将分子系统学研究与古生物学资料相结合而建立的用于推论生命史上进化事件发生的时间表。前面已经说过，如果分子进化速率恒定，分子进化改变量（替换数或替换百分率）与分子进化时间呈正比。由已知的资料可以获得分子进化改变量-进化时间的对应曲线，并用它来推断未知进化事件发生的可能时间。分子钟建立程序1）确定生物大分子和物种2）从古生物学方面确定各物种分歧时间3）比较各物种该生物大分子之间的差异及分子种的建立脊椎动物主要类群分化时间