遗传等距离现象_ 分子钟和中性理论的误读及其近半世纪后的重新解谜.pdf

中国科学 生命科学 2013 年 第 43 卷 第 4 期 275 282 SCIENTIA SINICA Vitae 引用格式 胡涛波 龙孟平 袁德健 等 遗传等距离现象 分子钟和中性理论的误读及其近半世纪后的重新解谜 中国科学 生命科学 2013 43 275 282 英文版见 Hu T B Long M P Yuan D J et al The genetic equidistance result misreading by the molecular clock and neutral theory and reinterpretation nearly half of a century later Sci China Life Sci 2013 56 254 261 doi 10 1007 s11427 013 4452 x 中国科学 杂志社 SCIENCE CHINA PRESS 评 述 遗传等距离现象 分子钟和中性理论的误读及其近 半世纪后的重新解谜 胡涛波 龙孟平 袁德健 朱作斌 黄益敏 黄石 中南大学 医学遗传学国家重点实验室 长沙 410078 中南大学湘雅二医院 长沙 410011 中南大学湘雅医院 长沙 410008 联系人 E mail huangshi 收稿日期 2012 08 29 接受日期 2012 11 23 国家重点基础研究发展计划 批准号 2011CB51001 国家自然科学基金 批准号 81171880 和湖南省 芙蓉学者计划 资助项目 摘要 1963年 Margoliash在比对不同物种细胞色素C序列后 发现了出乎意料的遗传 等距离结果 这与几乎同时间 Zuckerkandl 和 Pauling 的血红蛋白发现是同一现实的不同 反映 一个就事论事的分子钟假说因而被提出 并长期被某些学者认为是真实的自然现 象 导致 Kimura 提出中性理论来解释分子钟 多年的研究发现了无数矛盾 分子钟仅有 有限的局部存在 但被忽略的是 分子钟的瓦解自然使遗传等距离成为未解之谜 近年 来 本实验室偶然重新发现了这一至今还几乎无人知晓 并未被充分重视的现象 通过整 合现有理论的正确内容 并引入最大遗传变异极限这一原创概念 提出了一个更全面的 遗传进化学说 重新解读了遗传等距离及其他主要进化现象 该假说将改写物种亲缘关 系树及群体遗传学 并解决一些现有理论给不出线索的生物医学难题 关键词 分子进化 分子钟 中性理论 遗传等距离现象 最大遗传变异假说 小进化 大进化 极限遗传距离 生物学中最受关注的研究之一是物种的生殖遗 传及进化 生物进化包括表型和分子 现行最具代表 性的表形和分子进化理论分别是自然选择理论和轻 视自然选择的中性理论 它们共同组成了现代进化 理论 中性学说是 Kimura Jukes 和 King 为了解释分 子钟而提出的 1 2 但分子钟真的是一个普遍现象吗 1 分子钟及中性理论提出的历史 分子钟 是如何取代遗传等距离现象的 遗传距离是衡量生物物种间遗传差异的指标 在分子进化领域可以用序列相似性的高低来表示 即两个物种的同源蛋白或 DNA 序列之间有差别的氨 基酸残基或 DNA 碱基数目占该蛋白或 DNA 序列的 氨基酸残基或 DNA 碱基总数的百分比 在 3 个或更多直觉看来 复杂性不同的物种之间 进行同源基因比对 可以有两种不同的方式 第一种 比对 用某一复杂物种 如人与各个低级物种比对 会发现人与青蛙近 与鱼远 图 1A 任何受过中学教 育的人都可轻易理解这个问题 第二种比对与第一 种相反 用某一低级物种去跟各种高级物种比 这 胡涛波等 遗传等距离现象 分子钟和中性理论的误读及其近半世纪后的重新解谜 276 时会看到低级物种 如鱼与所有高级物种 如人和青 蛙的距离大致相同 该结果基本上无人预料到 即遗 传等距离现象 图 1B 根据这两种结果中的任一种 进行简单数学换算 即得出各个不同物种的突变速 度是一样的 这就是分子钟 有了以上一般性的讨论 现在可以简述分子钟 的历史 3 20 世纪 50 年代末期 蛋白测序技术的发展 使蛋白序列比对成为可能 1962 年 通过对不同物种 血红蛋白进行第一种比对 Zuckerkandl 和 Pauling 4 首次非正式提出分子钟的概念 1963 年 Margoliash 5 同时对7个物种的细胞色素 序列进行上述两种比对 首次发现遗传等距离现象 并首次明确表述了分子 钟假说 后续研究发现 等距离现象极其普遍 6 7 此种分子钟对遗传等距离的解释是就事论事的 不是任何科学理论的推导 现实是遗传距离 按公式 r d 2t 推出 分子钟 r 的前提是该距离 d 与时间 t 成正比 但这一前提并没有被事先论证过 也无任何 证据 而大部分对物种的突变速度的观测 都证伪了 分子钟 6 8 18 近年对化石物种序列的分析也是如 此 19 20 并且发现大部分等距离现象与突变速率的 变异无关 6 大量研究显示 分子钟只有有限地存在 今天 几乎没有专业人士会认同有一个普遍的分子 钟 但他们通常并没有意识到否定分子钟的巨大代 价 不知道还有个埋没在分子钟阴影下的遗传等距 离现象 分子钟的瓦解意味着该现象重新成为一个 未解之谜 等距离现象被首次报道后 几乎再没有出现在 图图 1 分子钟对序列比对的解读分子钟对序列比对的解读 图中时间分支长度与遗传距离相等 细黑线表示分离时间 粗黑线 代表遗传距离 A 与人比对 B 与鱼比对 分子钟可同时解释 A 和 B 但是自然选择理论只能解释 A 因此 A 通常被介绍为支持自然选 择理论的分子证据 几乎所有人都能正确预测 A 但不能预测 B 任何后续主流教科书或原始研究文献中 仅在对进 化论公开持怀疑态度的学者的专著中出现过 被用 来挑战进化论 21 分子钟因而被许多学者误认为是 一个真实普遍的自然现象 因此导致有许多理论被 提出用来解释它 1 2 22 25 其中 Kimura 1 在 1968 年的 一篇文章中提出的中性理论得到了普遍认同 King和 Jukes 2 也同时独立提出了类似理论 Kimura 文章的 摘要只有简单一句话 计算得到的进化中碱基置换 速度过高 以至于很多置换必须是中性的 但这个 计算有两点可质疑 没有经过任何讨论就隐含为事 实的假设 第一是如上所提 认为观测距离不是极限 距离 第二 整个基因组的所有碱基都被当作是可容 忍置换的 不存在一突变就致死的不可变位点 很明 显 所谓分子钟的高速度直接导致 Kimura 提出大进 化中的中性理论 Kimura 认为 绝大多数物种间的序 列差异是由中性突变加上随机漂移造成的 进而推 出分子进化速率以代时为单位是恒定的 所以他反 过来也写到 分子钟是中性理论最好的证据 25 不 过 这显然是循环逻辑 中性理论从提出就受到普遍质疑 首先 根据实 验数据得到的分子进化速率是以年为单位恒定的 并非中性理论所推导的进化速率以代为单位恒 定 10 26 另外 观察到的分子钟的误差范围也比中性 理论按分子钟是泊松过程的假设所推出的要宽 当 然 不应否认的是 中性理论也还是有真理内容的 在有限范畴内是被检验成立的 3 27 2 最大遗传变异假说与遗传等距离现象及 其近半世纪后才被发现的重叠特征 本实验室一直从事遗传与表观遗传及肿瘤进化 理论的研究 从 2003 年开始对物种进化理论也产生 了兴趣 大约在 2005 年左右 许多物种的大规模测 序结果的公布 使人们能够对一直研究的 RIZ1 肿瘤 基因进行多物种比较 包括人 青蛙和鱼 因而偶然 发现了遗传等距离现象 并随之很快意识到分子钟 解释的荒谬 本实验室经过深入研究 于 2008 年发 表了最大遗传变异假说 及其对遗传等距离及其他 主要进化现象的重新解读 8 28 并随后发现了遗传等 距离所隐含的一个从未被任何理论解释的重要特征 即重叠位点特征或巧合重复突变特征 27 该特征意 味着极限距离 即突变在同一位点的重复积累发生 中国科学 生命科学 2013 年 第 43 卷 第 4 期 277 不再导致遗传距离的增加 具有这一特征的序列不 满足中性理论的无限多位点的前提 但占基因组绝 大部分 具体到当时极限距离的灵感是如何来的 后悔 当时没有纪录 但中华文化潜移默化的影响也许起 了一定作用 本实验室过去的研究发现了 RIZ1 或 PRDM 家族组蛋白甲基化酶 以及 RIZ1 基因本身就 编码了阴阳两种不同大小蛋白产物的现象 一为抑 制肿瘤发生 一为相反 本实验室 2000 年的一篇文 章的题目就包含了阴阳二字 29 2002 年 英国 Nature 子刊 Nature Review Cancer 当期的目录页 印了一幅 太极阴阳图来代表本实验室的一篇文章 30 因此 对 阴阳思维的接受是来自亲身科学实践 很自然的认 为 任何重要的单极现象都不会没有一个对立面来 制约 遗传距离不可能无限增加 那么 它应受到什 么的制约呢 生物复杂性差异的存在是显而易见的 要研究 生物进化就必须对生物的复杂性有一个明确的界定 然而复杂性是一个历来争议较大的概念 还没有一 个普遍被认同的或被实验证实的定义 过去的生物 进化研究对物种复杂性的差异基本上采取视而不见 的态度 在无丝毫证据的情况下 假定它不存在 当 然 任何科学理论都离不开一些没被证明的前提和 假设 这些假设基本是一些至少当前没有反证的主 观直觉 大家对一个理论的正确与否的讨论 一般也 不会纠结在假设是否被证明 而是看由它们导出的 推论 是否能最大限度的解释自然 一个错误的假设 也许能偶然的导出个别符合自然的推论 但不可能 它的所有推论都符合自然 因此 检验一个理论的真 理性标准 只能且必须是只有一个 即在相关范畴内 无一例反证 遗传等距离现象无法被现代进化理论 解释 也就自然构成了对该理论的某些假设的有力 反证 生物可被遗传的表型是由 DNA 序列以及表观遗 传编程所决定的 每种细胞都代表一种独特的表观 遗传程序 可以想象 DNA 是建材 表观遗传编程是 建筑图纸 表观遗传编程不仅可以通过有丝分裂传 递 也可以通过减数分裂从母代个体传到子代 并能 稳定遗传相当多的代数 31 34 因此认为 生物体的 复杂性可以定义为它的表观遗传编程的复杂性 具 体来说 复杂性可通过参与表观遗传编程的基因数 目和细胞种类数来估算 这一定义基本上符合复杂性研究开拓者之一 钱学森提出的复杂系统应具备的特征 即系统不仅 规模巨大 属巨系统范畴 而且元素或子系统种类繁 多 相互关系复杂多变 35 进一步假定 可以在大部 分情况下 通过直觉来判断细胞种类数目的大致差 异 如人比猴子复杂就是一个目前也许无法定量证 明 但却是一个目前无反证的假设 这是主观的 但 科学所依赖的直觉公理假设都是主观的 都是只对 人才有意义的 而不承认复杂性差异 不承认低级到 高级这一显而易见的进化主流现象 是同样主观且 是非理性或违反常识的 在对复杂性给出这样一个假设性定义后 本实 验室提出了一个不证自明的直觉或公理 在建筑上 如果一个系统或者机器越复杂 它能容忍的建材的 随机变异就越少 由这一直觉可以自然地得出生物 学中与之对应的常识 即表观遗传复杂性较低的简 单物种能容忍更多的 DNA 变异 或者说它的遗传多 样性更高 换句话说 表观遗传复杂性与遗传多样性 之间存在反相关关系 遗传多样性 即遗传变异的大 小 通过不同个体或物种间同源部分的 DNA 或蛋白 质序列的百分比差异来显示 可进一步将现有理论的正确部分公理化 在建 造学中 有另外一个显而易见的直觉 即任一有序复 杂系统都能容忍一定限度的建材误差范围 这些有 限的误差可对系统功能造成有利 有害或中性的影响 且在大部分情况下是有利大于有害 只要在范围内 误差越多越有利 因为能使系统建造更经济 并更能 应对由环境变化带来的威胁或具备稳健性 robust ness 显然 只要将这里的建材换成 DNA 就可以表 述在生物学中与之等同的常识 主流进化理论的正 确部分基本上等同于此公理的内容 根据以上概念 可推出最大遗传变异假说 该假 说包含三点主要内容 任何特定物种都具有一 定的表观遗传复杂性 其大小限制了它可以容忍的 基因突变范围 即可容忍区域占基因组的比例 而基 因突变范围的大小反过来也限制了可以发生的表观 遗传复杂性改变的范围 由于复杂物种的表观 遗传复杂性大于简单物种 复杂物种受到的限制也 越大 因此复杂物种能容忍的突变范围或密度就越 少 它的最大遗传变异也越小 虽然大进化与小 进化都涉及到基因突变及表观遗传复杂性的微小改 变 但是从简单物种到复杂物种的大进化 是表观遗 胡涛波等 遗传等距离现象 分子钟和中性理论的误读及其近半世纪后的重新解谜 278 传复杂性的台阶式提高 以及相应的遗传多样性的降 低 而在小进化中表观遗传复杂性没有大的改变 其 线性阶段基本上可被主流现代进化理论来正确描述 最大遗传变异假说较完美地解释了几乎所有主 要进化现象 这里重点介绍遗传等距离现象 6 8 28 对 于进化分离时间较长的物种或快变序列而言 给出 只与极限距离相关的遗传等距离现象的抽象定义 姑且称之为极限遗传等距离 各种不同物种与另一 复杂程度较低或同样低的物种之间的遗传距离大致 相等 且不随时间增加或降低 图 2A 和 B Margo liash 发现的等距离现象就是极限等距离 对于进化 分离时间较短的物种或慢变序列而言 距离与时间 仍成线性关系 这里也同时给出由于分子钟真实存 在 而导致的只与线性距离有关的遗传等距离现象 的定义 姑且称之为线性遗传等距离 当两亲缘关系 较近的姐妹物种有类似突变速度时 它们与另一复 杂性较低或同样低的组外物种的距离相等 且继续 随时间而增加 图 2C 和 D 在这两个定义里 都强调了等距离是与复杂性 较低或同样低的物种相比而成立的 若是与复杂性 图图 2 最大遗传变异假说解释遗传等距离现象最大遗传变异假说解释遗传等距离现象 图中为一段有 10 个氨基酸残基的肽链 氨基酸用数字表示 画线部分为不可变位点 X 代表任意一种氨基酸残基 在大进化中 物种 a 在某 时间生成了a和b 两个姐妹 刚分离时序列相同 但物种b 发生了表观遗传编程改变 复杂性增加 最大遗传变异因而受到限制 可变位点减 少如图所示 两物种间的遗传距离在刚分离时随时间几乎线性增加 如叉线所示 直到极限后而停止 如两条平行线所示 物种 b 随后在某 时间生成了 b 和 c 两个姐妹 物种 c 发生了表观遗传编程改变 复杂性增加 A 极限遗传等距离现象示意图 如果一个蛋白为快变基因 则 观测距离都是极限距离 其特征是具有较多的重叠位点 有 4 个重叠位点位于肽链的后 4 个位置 c a 距离与 b a 距离相等 均为 60 即 Margoliash 的极限遗传等距离结果 同时 c b 距离为 40 小于 c a 距离的 60 即 Zuckerkandl 和 Pauling 的结果 B 极限遗传等距离实例 人 Hs 果蝇 Dm 和酵母 Sc 细胞色素 C 序列比对 102 氨基酸 人和果蝇差异 22 个氨基酸 与酵母等距离 36 个氨基酸差异 共 12 个重叠 位点 粉红色标识 重叠比例为 12 22 55 其他差异位点用绿 蓝和桔黄色标示 C 线性遗传等距离现象示意图 如果该蛋白为慢变基因 则观测距离都是与时间成线性关系的距离 如图示没有出现一个重叠位点 如分子钟成立 则 c a 距离与 b a 距离相等 均为 50 即线性等 距离 同时 c b 距离为 20 小于 c a 距离的 50 D 线性遗传等距离实例 人 Hs 红猩猩 Pa 和小鼠 Mm TXND9 基因序列比对 120 个氨 基酸 人和红猩猩差异 2 个氨基酸 与小鼠等距离 6 个氨基酸差异 重叠比例为 0 2 0 中国科学 生命科学 2013 年 第 43 卷 第 4 期 279 较高的物种相比则不成立 将它称为遗传不等距 离 8 9 定义为 对于进化分离时间较长的物种或快 变序列而言 当有两个以上的复杂性均不相同的物 种与某一复杂性高的物种相比时 则出现不等距离 结果 即其中复杂性最低的物种与最高物种的距离 会大于其他复杂性较高物种与最高物种的距离 例 如 章鱼和鸟蛤与人比时 鸟蛤与人的距离大于章鱼 与人的距离 而章鱼是最聪明且复杂的非脊椎动物 这一遗传不等距离现象是为了验证遗传最大变异假 说而发现的 它是对该假说的有力支持 同时也是对 分子钟的有力反证 在两个组内物种与一个简单的组外物种的序列 比对中 不仅看到遗传等距离现象 也发现在某些位 点 3 个物种的残基都不相同 证明至少有两个物种都 在此位点发生了突变 这样的现象被称为遗传等距离 中的重叠现象 overlap feature 也可以被叫作饱和现 象 或巧合置换现象 图 2A 和 B 27 如果两物种分离 后 各自按中性理论假设以类似速度随机积累突变置 换位点 则某一位点碰巧同时在这两物种均发生突变 的概率 应符合概率论的计算 可以想象 这一概率 与可变位点总数成反比 与突变速度成正比 如果分别根据中性理论和最大遗传变异假说来 预测重叠位点数 就会发现由于最大遗传变异假说 估计的可变位点数较小 且复杂物种的可变位点与 简单物种有重叠 因此 它预测的重叠位点数比中性 理论的按概率理论的预测数要多 27 对实际观察到 的极限遗传等距离现象 重叠位点的数目总是接近 最大遗传变异的预测数 远多于中性理论的预测 但 是 对于小进化线性遗传等距离现象 两种理论对重 叠位点数目的预测都接近于实际 这是因为最大遗 传变异假说认为 小进化没有发生复杂性的明显改 变 因此也没有可变位点数的不同 跟中性理论是一 致的 虽然两者对可变位点数目多少的估计不同 但 也不足够引起对最终重叠位点预测数目的显著差异 重叠位点现象的发现是区别大小两种进化 和区别 极限阶段与线性阶段两种进化的最好证据 也自然 构成对主流理论否认这些区别的最有力的反证 图 2 根据最大遗传变异假说 各物种与一个简单物 种的极限遗传距离大部分是由该简单物种的最大遗 传多样性决定的 所以必然导致极限等距离现象 图 2A 和 B 极限与线性等距离的区别方法就是计算重 叠位点数目 在进化中 遗传多样性或距离只要是在可容忍 极限范围内 应该是越多越好 因为它能够增强物种 的适应能力 因而它会受到正选择 而加速到达遗传 多样性或遗传距离的最大可容忍极限 不同基因或 基因组不同区域的突变率的最大差别可能超过一万 倍 而基因组的大部分属于突变率较快的 因此 今 天观测到的遗传距离对大部分序列来说都是极限距 离 对于大部分经历过长期进化的物种来说 它们的 基因组今天大部分都处在变异极限平衡点 只有极 少部分慢变序列例外 27 所谓分子钟对极限遗传等 距离的解释 真正反映的是物种复杂性随时间增加 的速度 另外 最大遗传变异假说预测 只有在组外物种 比组内物种简单的情况下才会有等距离现象 因为 若组外物种较复杂 那么它与简单的组内物种的遗 传距离便是由各个组内物种的最大遗传多样性决定 的 遗传距离也就不一定相等 最大遗传变异假说提出后 不断有新证据支持 例如 根据最大遗传变异假说 在所有物种的同源序 列中 存在与复杂性有关的一部分不可变序列 这部 分序列的长度随复杂性增加而增加 这类序列的存 在最近已经被实验证明 36 将其命名为 与复杂性联 系的蛋白质域 complexity associated protein sectors CAPS 图 3 另外 最新 ENCODE 结果显示 80 以 图图 3 中性理论及最大遗传变异假说对序列的划分中性理论及最大遗传变异假说对序列的划分 A 根据最大遗传变异假说对一个在复杂物种 a 和简单物种 b 中保守的同源蛋白的功能区域划分 B 根据中性理论对功能区域的划分 区域 内的氨基酸残基为简单起见图示为本地聚集 但实际上可以分布在蛋白序列的不同位置 胡涛波等 遗传等距离现象 分子钟和中性理论的误读及其近半世纪后的重新解谜 280 上的人基因组是有功能的 37 最大遗传变异假说是 能够预测几乎全部人基因组都具备功能性的唯一科 学理论 3 最大遗传变异假说对重大生物医学难题 的应用价值 俗话说 知道了过去才能知道现在甚至将来 一 个能够正确解读进化历史的学说 必然应对现实问 题的解决有不可替代的价值 例如 主流进化理论对 小进化过程的正确描述 对人类解决细菌抗药性问 题提供了有效思路 作为一个更加完整的统一学说 最大遗传变异假说自然应该具有更加广泛和强大的 使用价值 首先 最大遗传变异假说对一些仍未解决或被 误解的历史问题的最终正确解决具有现实意义 这 些问题主要是关于物种亲缘关系树的建立 过去分 子建树的方法是在假定没有极限距离的前提下 用 的基本是快变序列的极限距离数据 因此虽会偶然 算出一些与化石和形态证据吻合的结果 但更经常 的是矛盾结果 根据最大遗传变异假说推出了一个 用与简单物种的线性距离来建树的 慢钟 法 只用 重叠位点为零的慢变基因序列 因此确保了遗传距 离与时间的线性关系 不会因为序列选择差异和研 究者不同而给出矛盾或错误结果 慢变序列更可能 是中性的或符合中性理论的要求 对这种序列的正 选择对适应环境意义不大 因为其变化速度慢而来 不及派上用途 同时因为没有受到正选择加上速度 慢 不易达到极限距离 也就不会受到负选择 另外 这种序列也相对不易受到复杂性增加所导致的可变 异范围的压缩选择 因为变异慢而不易对增加的复 杂性造成破坏 所以这类序列的可变异范围在不同 物种间的差异会较小 本实验室已经用慢钟法重新 构建了灵长类动物的亲缘关系树 重新肯定了所有 猩猩是一组 而人是另外一组的常识性判断 而这正 是古人类学者长期以来的共识 9 其次 最大遗传变异假说将改写群体遗传学 群 体遗传学的最基本理论是中性理论 该理论的正确 部分是对线性阶段遗传变异的描述 这部分已被最 大遗传变异假说保留 而该理论所欠缺的对极限阶 段的叙述 则被最大遗传变异假说引入的新概念所 弥补 本研究预测 绝大部分目前被认为还处于线性 增加阶段的群体遗传变异观测值 都应是最大极限 值 对于大部分被认为是中性的遗传变异来说 如 SNP 这个中性应该是阴阳正负选择平衡的结果 而 不意味着是无功能的 最后 最大遗传变异假说对一些主流理论给不 出线索的重大生物医学难题提供了解决办法 人类 群体存在大量的复杂表形差异 包括疾病敏感性差 异 这些差异有一定的遗传性 应该是由多态性的遗 传变异造成的 如 SNP 等 主流中性思路认为 这些 SNP 大部分是无功能的 因此认为复杂疾病是由少 数有功能的变异造成的 以这一思路为出发点的研 究 如 GWAS 基因组关联研究仅获得了一些比预期 要小得多的成功 但最大遗传变异假说预测某些复 杂疾病是遗传变异范围超过极限的结果 是维持极 限水平的一种负选择方式 另外 遗传变异过低会造 成适应能力 如免疫力差 因此 适量的遗传变异又 是受到正选择的 看似中性的遗传变异多态实际是 有正反两方面功能的 它们量的多少会与复杂性状 所体现出的性状测量数值的变异有关 由于这些数 量性状的两个极端值 过高或过低 都不是完美的 代 表少数人群 因此都会受到负选择 如这些极端值是 与遗传变异量的多少有关 则意味着过多或过少的 遗传变异量都是有害的 会受到负选择 本实验室近 期研究结果基本证实了以上推测 38 4 最大遗传变异假说所遇到的评论 自 2008 年开始发表一系列围绕最大遗传变异假 说的文章 众多杂志评审人和读者对这些文章做过 评议 列举一些常见意见在这里简单讨论 首先需说 明的是 没有任何人提出一个反证 尽管本实验室公 开提出 一例反证就足够让人承认失败 并且无人质 疑主流理论存在大量反证这一事实 无人为分子钟 对极限遗传等距离的错误解释作辩护 其次 已有学 者撰文赞同和引用本实验室文章 39 41 其三 经常会 有关于定义复杂性问题的疑问 对该问题上面已经 给出了本实验室的观点 其四 关于表观遗传的隔代 遗传稳定性问题 已有数据显示 至少某些隔代遗传 现象是非常稳定的 31 而且实验中观测的隔代遗传 现象基本属于无复杂性改变的现象 并不适用于大 进化历史中的复杂性增加现象 其五 为什么独立进 化的物种能够独立进化出相同的与复杂性相关的 DNA 序列 换句话说 如有 3 个各自独立进化的分 中国科学 生命科学 2013 年 第 43 卷 第 4 期 281 离一样长的复杂性不同的物种 a b 和 c 各有 100 1000 和 10000 种细胞种类 为什么 b c 比 a c 遗传距 离小 因为a较b和c有更低的复杂性或更大的DNA 变异范围 因此相对于 a c b c 序列会更相似或极限 距离会更小 因为极限距离由简单物种的最大变异范 围决定 最后 有人说极限距离概念不是常识 这里 仅需想象无极限距离的显而易见的荒谬即可 在基因 组大小不变的前提下 人这种表形能否被无限多种互 无相似性的序列所编码 细胞色素 C 功能能否被无限 多种互无相似性的 100 氨基酸长度序列所编码 5 现有进化理论的比较 自达尔文理论发表至今150年来 有无数种进化 新理论或假说被提出 一个个人网站 http home wxs nl gkorthof 列出一个不太完整的列表 这个列 表不包括以中文或其他文字发表的理论 注意到以 中文出版的 由中国人提出的新进化理论的书或文 章就不下几十种 但是 还没有任何新理论能成功取 代主流理论 原因很简单 因为没有一个新理论能够 被职业科学家用来指导他们的日常研究工作 或能 够对科学家感兴趣的细节问题或难题 提出一个比 主流理论更好的解释 或解决主流理论不能解决的 问题 特别是对分子进化现象 所有这些学说都是没 有意义的 遗传等距离现象单独就足以显示它们的 无用 相反 相比所有其他理论 最大遗传变异假说 解释了更多的进化现象 具有更大的实用价值 并且 在它适用范围内还没有发现任何反证 表 1 表表 1 最大遗传变异假说与主流现代进化理论的比较最大遗传变异假说与主流现代进化理论的比较 最大遗传 变异假说 现代进化理论 线性阶段小进化机制 现代进化理论 现代进化理论 小进化与大进化区别 有 无 表观遗传编程参与 有 无 抑制 DNA 突变范围 有 无 中性区域大小 与复杂性成反比 大且与复杂性无关 时间长短 长短都适用 短 突变速度 快慢都适用 慢 最大遗传距离 有 无 遗传等距离现象 极限和线性等距离 线性等距离 重叠位点比例 高低都适用 低 反证 无 很多 实用价值 大 小 6 结语 最大遗传变异假说吸收整合了现有理论的合理 内容 提出新的概念来补充了它们的不足 是既有普 遍抽象规律又能解释具体生物现象 而且对解决现 实生物医学难题具有应用前景的遗传进化学说 希 望未来该假说能帮助解决一些现实问题 为人类社 会健康和谐并科学地发展做出贡献 致谢 感谢中国科学院古脊椎动物与古人类研究所吴新智院士和中南大学李家大教授阅读指正 参考文献 1 Kimura M Evolutionary rate at the molecular level Nature 1968 217 624 626 2 King J L Jukes T H Non Darwinian evolution Science 1969 164 788 798 3 Kumar S Molecular clocks four decades of evolution Nat Rev Genet 2005 6 654 662 4 Zuckerkandl E Pauling L Molecular disease evolution and genetic heterogeneit In Kasha M Pullman B eds Horizons in Biochemistry New York Academic Press 1962 5 Margoliash E Primary structure and evolution of cytochrome c Proc Natl Acad Sci USA 1963 50 672 679 6 Huang S The genetic equidistance result of molecular evolution is independent of mutation rates J Comp Sci Syst Biol 2008 1 92 102 7 Copley R R Schultz J Ponting C P et al Protein families in multicellular organisms Curr Opin Struct Biol 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