分子进化与分子系统学

《进化生物学》第9章分子进化与分子系统学一、什么是分子进化？分子进化即生物进化过程中蛋白质和核酸分子结构的变化以及这些变化与生物进化的关系。1.什么是分子进化速率？指蛋白质和核酸等生物大分子在进化过程中核苷酸或氨基酸残基发生替换的频度。二、分子进化的特点（一）分子进化速率的恒定性（二）分子进化的保守性不同（一）分子进化速率的恒定性研究方法主要是通过比较不同种生物同源蛋白氨基酸序列的变化，来推测该蛋白质的进化速率。2.进化速率的计算1)、氨基酸差异比例的计算Pd=daa/Naadaa为用于比较的同源蛋白质之间氨基酸差异的数目Naa比较的蛋白质之间氨基酸的总数人与鲨鱼之间血红蛋白α链相差74个,血红蛋白α链氨基酸总数为139:Pd=daa/Naa=74/139=53.2%2)、氨基酸差异比例的校正用比较的两个蛋白质间每个氨基酸座位替换的平均数Kaa来表示Kaa=-2.3Log10(1-Pd)人与鲨鱼之间血红蛋白α链氨基酸差异比例校正为:Kaa=-2.3Log10(1-53.2%)=75.8%(近似于0.76)蛋白质现存的差异，往往比实际氨基酸的替换总数要小.因为有些氨基酸实际上虽然发生了替换，但不能被统计.两个物种的相同蛋白质分子在相同位置各发生了一个氨基酸变化，应该计为两个差异，而实际上只能计为一个差异或没有差异（如发生相同的变化即替换成了相同的氨基酸）恢复突变，同一座位多次发生变化等等，这些都造成了计算出的差异比例小于实际差异的比例。3)、进化速率的计算进化速率是用氨基酸替代频度来表示的。氨基酸替代频度是指每年每个氨基酸座位发生替代的可能性,即用替换率表示。kaa=Kaa/2T其中T为比较的两个蛋白质之间从共同的祖先分歧开始的年数，2T为进化时间。对于人与鲨鱼：kaa=Kaa/2T=0.76/(2×4.2×108)=0.9×10-9又如：人与马的血红蛋白α链相差18个氨基酸，已知人马共祖可追溯到8千万年，求kaa(α链139个氨基酸)-2.3Log10(1-18/139)÷(8×107)÷2=0.86×10-9对牛、狗、兔、鼠和人血红蛋白α链和β链进行同样分析，Hbα链平均进化速率为1.12±0.09×10-9,β链为1.28±0.14×10-9；对海豹、獾、马、牛、鲸及人肌红蛋白进行比较得到的进化速率为1.01±0.09×10-9。所以，木村资生提出10-9为分子进化的标准速率，并把每年每个氨基酸座位的1×10-9进化速率定为分子进化速率的单位，即1×10-9为1鲍林。从众多的实例的分析结果可以看出：蛋白质是以相对恒定的速率进化的，即在分子水平上的进化速率是相对恒定的，并且进化的速率与世代的长短、生存的环境条件以及群体的大小等无关。（二）分子进化的保守性不同1、对生物生存制约性大的生物大分子进化速度慢。2、生物大分子内部功能区结构变化的速度较慢,而且功能越重要的区域变化速度越慢。3、蛋白质中越重要的氨基酸变化越慢。4、结构和化学性质相近的氨基酸之间的替换要比这两方面不同的氨基酸之间的替换更容易发生。分子技术对蛋白质和核酸分析的主要发现有：1．对于特定的蛋白质或基因，只要功能不变，每年每位点的进化速率为一常数。即对同类分子而言，进化速率是恒定的(常数)，不随物种而异。按照自然选择理论，进化速率(k)与有效群体大小(Ne)、选择系数(s)和突变率(μ)有关，即k=4Nesμ，不可能为常数。2．氨基酸或核苷酸替换率高。依分子资料，在多肽中每一百个aa发生1个替换约需2.8×107年；哺乳动物基因组约有4×109bp，则每基因组每年的核苷酸替换数为[1/(2.8×107)÷100](4×109÷3)=0.5。若哺乳动物每4年1代，则每代发生2个核苷酸替换。若按自然选择理论计算，发生1个氨基酸替换约需300代，与实际的相差几百倍。自然选择理论不能解释如此高的替换率。1.大多数无害突变基因在选择上是中性的,并不影响个体的适合度。对个体适合度无影响的任一突变基因在群体中的固定概率为1/(2Ne)。因此，突变基因编码多肽时，每年每氨基酸平均替换率，即进化速率K=2Neμ[1/(2Ne)]=μ(常数)。这样就很好解释了试验结果。木村资生(1968)为了解释分子进化的试验结果，提出了分子进化的中性学说。三、分子进化的中性理论2.中性基因在群体中的固定主要是由随机遗传漂变引起的。分子进化试验结果中的高替换率，是因为中性基因不会被自然选择淘汰，而是经随机遗传漂变被固定保留下来了。3.功能上次要的基因比功能上重要的基因的进化速率快。如血纤维蛋白肽发生或多或少的氨基酸替换，对个体的适合度影响不大，是已知进化速率最快的蛋白质；而组蛋白ⅳ是染色体的重要成分，对维持和延续生命至关重要，其进化速率很慢。前者比后者的进化速率大1500倍。4.新基因主要是通过基因重复和不等交换产生的。四、分子系统学和分子系统树（一）什么是分子系统学研究生物大分子进化历史的科学。主要研究某一生物大分子在生物进化过程中突变的产生、固定以及积累的过程。分子系统学的研究基础是以生物大分子进化速率恒定为前提，其变化量与该分子经历的时间呈正相关。公式kaa=Kaa/2T（二）分子系统树的构建方法1、获得生物大分子的差异数据首先确定要分析的生物大分子。原则是所有生物中均要存在该种同源生物大分子。建立亲缘关系比较远，分歧时间比较长的生物之间的分子系统树时，要选择进化速率相对较慢的生物大分子（细胞色素c、16sRNA、丙糖磷酸异构酶），相反要选择进化较快的大分子（mtDNA）。生物大分子确定之后，对该种生物大分子进行一级结构的测定，就可以得到用于建立分子系统树的最基本的数据。2、比较各物种之间同源生物大分子的差异（1）比较同源区段确定差异氨基酸数（2）求Pd、Kaa｛Pd=daa/Naa、Kaa=-2.3log10(1-Pd)｝（3）确定分歧时间｛2T=Kaa/kaa｝（4）做图（三）分子系统学的研究进展1、利用计算机对DNA和RNA序列分析构建分子系统树1）不同生物丙糖磷酸异构酶分子系统树W.Gilbert2）不同人种线粒体DNA分子系统树R.L.Cann2、PCR技术在古分子系统学中的应用相对于蛋白质来讲，DNA更加稳定，保存的时间更长，所含进化信息更多，因此更适合于古分子系统学的研究。美国学者Hiquchi(1984)，他们成功的从保存了140年的斑驴风干的皮中分离出了线粒体DNA，并和斑马、马、牛及人的线粒体DNA进行了比较，结果发现和现在斑马的亲缘关系最近。1990年美国学者Goleberg从17-20Ma前的叶化石中分离出了叶绿体Rubisco基因大亚基的片段。从25Ma-1.35亿年前的琥珀中的蜂、白蚁、象鼻虫的遗体中分离出基因片段。（一）什么是分子钟是利用已知的分子系统学数据和古生物数据建立的表示分子进化变化量与进化时间之间关系的通用曲线。五、分子钟曲线确定之后可以用它推测未知生物的进化历程，尤其是不同生物之间的分歧时间。建立分子钟的理论前提是分子进化速率的恒定性，虽然不同的生物大分子进化速率有些差异，但还是相对恒定的，大多数的生物大分子都可用来建立分子钟。（二）分子钟建立程序1、确定生物大分子和物种2、由古生物学确定各物种分岐时间3、比较各物种之间该种生物大分子间的差异①确定比较组②分别求出每组的Kaa③然后分别求出其中一种生物与另外几种生物的Kaa的平均值人和鲨鱼Kaa=0.76人和鲤鱼Kaa=0.667……④将7个Kaa标在横坐标为分岐时间，纵坐标为Kaa的直角坐标系中⑤求出回归方程，据方程得到直线，这即为分子钟黑点1表示鲨鱼血红蛋白α链分别与其他7种动物的α链比较得到的Kaa的平均数；黑点后是鲤鱼血红蛋白α链与其6种动物的α链比较得到的Kaa的平均数，其他以此类推。