第十章分子进化和分子系统学

1、第十章第十章 分子进化和分子系统学分子进化和分子系统学 生物进化是以生物大分子为基础的，只有从分子水平上研究生物的进化才能触及生物进化的本质，同时也使我们采用更加直接的手段研究生物进化成为可能。 究竟什么是分子进化，什么是分子系统学、分子进化的特点又是什么，如何建立分子系统树等，诸如此类的问题是本章要讨论的重点。 一、什么叫分子进化一、什么叫分子进化 广义的分子进化有两层含义，一是一是指原始生命出现之前的进化，即生命起指原始生命出现之前的进化，即生命起源的化学演化源的化学演化；二是原始生命产生之后生物在进化发展的过程中，生物大分子结构变化以及这些变化和生物进化的关系等。我们通常所说的分子进化指

2、的是后者。 二、分子进化的特点二、分子进化的特点 (一)分子进化速率的恒定性 分子进化速率是指核酸或蛋白质等生物大分子在进化的过程中碱基或氨基酸发生替换的频度，它是测定生物大分子进化快慢的尺度，时间以年为单位。 研究方法主要是通过比较不同种生研究方法主要是通过比较不同种生物同源蛋白质氨基酸序列的变化，来推物同源蛋白质氨基酸序列的变化，来推断该蛋白质的进化速率断该蛋白质的进化速率，为生物进化提供一个时间表。 MODayhof对蛋白质的氨基酸变化进行了广泛的研究，收集了大量的数据，其中研究最详细最深入的蛋白质是脊椎动物的血红蛋白(珠蛋白)和肌红蛋白。血红蛋白在血液中运输氧和二氧化碳；肌红蛋白具有在

3、组织中贮存氧的功能。 1 氨基酸差异比例的计算 2氨基酸差异比例的校正 3分子进化速率的计算及其恒定性 分子进化速率通常用每年、每个氨基酸座位的替换率来表示，公式为Kaa = Kaa/2T,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为进化间，Kaa是比较的两个蛋白质之间每个氨基酸座位替换的平均数。如果知道了用来比较的两个物种的分歧年数和蛋白质氨基酸的差异，就可以计算出该蛋白质的进化速率。如人和鲨鱼的分歧年数为42X108年，血红蛋白链差异Kaa为076，Kaa=0762 X 42X10-8 = 09X10-9。用同样的方法对人和鲤鱼的血红蛋白链进行比较计算，进化速率为06X10-

4、9。 通过以上分析结果，不难看出，蛋白质蛋白质是以相对恒定的速率进化的，即在分子水平上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世代的长短，生存的环境条件以及群体的大小等无关等无关。但这种恒定性并不是说所有的蛋白质(生物大分子)以及某一蛋白质中的所有氨基酸的进化速率都完全相同，实际上不同的蛋白质在进化速率上是有差异的，甚至有的差异还很大，如组蛋白的进化速率为001x109，而血纤蛋白肽为84X109，二者相差840倍。但这并不否定分子进化速率的恒定性，只能说明分子进化速率是相对

5、恒定的。 (二二)分子进化的保守性分子进化的保守性 分子进化的保守性是指生物大分子在进化的过程中，从功能上讲进化的速度比较慢。其保守性主要体现在以下几个方面： 1、生物大分子在进化过程中结构上的变化速度较慢，氨基酸的平均变化速度为10-9数量级； 2、是生物大分子内部功能区结构变化较慢，而且功能越重要的区域变化速度越慢，如胰岛素比胰岛素原中的C肽慢6倍； 3、蛋白质中某些氨基酸或核苷酸的变化速度较慢，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，比结构和化学性质不同的氨基酸之间的替换更容易发生。 为了说明以上的结论，下面举几个典型的例子：一个是血纤蛋白肽，它的进化速度较快

6、(83 x 10-9)，因为它从血纤蛋白原凝固时分离出来后没有其他任何的生理机能。 Mross GA(1967)通过对偶蹄类的血纤蛋白肽A和B的氨基酸序列、氨基酸替换的频度进行了研究，发现氨基酸的替换在分子内部的分布是不均衡的，变化较快的氨基酸的分布比较集中，变化较慢的氨基酸的分布比较分散。其中变化最快的是血纤蛋白肽A的第12到19位，肽B的第18到21位的氨基酸，这些部位和偶蹄类的适应进化有着密切的关系。血凝酶是由血凝蛋白原切除血纤蛋白肽后形成的，A链的切点在N端第一个Arg处。第4位和第5位的Gly非常保守，不发生变化或几乎不发生变化，第2位的Pro也非常保守，而第12、13和14位变化就

7、非常大。 第二个是组蛋白H4，它在核内和DNA结合，对遗传信息的贮存具有十分重要的作用，是一种特殊化的蛋白质，在漫长的进化过程中几乎不允许它发生变化，所以它是一个非常保守的蛋白质。 第三个是血红蛋白，它的分子结构已经非常清楚，它有几个螺旋状的区域和非螺旋状的区域，分子的内部是疏水氨基酸，这些氨基酸非常保守，特别是和血红素结合的氨基酸，它们对血红蛋白的功能具有重要的作用，它的变化将使其功能发生变化甚至丧失，所以它们保守。而血红蛋白表面的氨基酸对血红蛋白机能的影响相对较小，所以容易发生变化。 1973年木村资生讨论了这一情况，如下表。 表表:血红蛋白不同部位氨基酸的替换率血红蛋白不同部位氨基酸的替

8、换率 区域区域 血红蛋白链 血红蛋白链 表面表面 135 273 血红素结合部血红素结合部 0.65 0236 由以上的例子可以看出，不同的蛋白质分子其进化速度不同，即使是同一种蛋白质分子，其不同的区域或不同的氨基酸进化的速度也不同。进化特点是越重要的分子、分子中越重要的部位或氨基酸，其进化速度越慢，相反越快。 三、分子进化的中性理论三、分子进化的中性理论 分子进化的中性理论首先由日本的木村资生提出，后来又有很多的证据支持了这一理论，目前普遍被人们所接受。木村资生对蛋白质的氨基酸序列以及木村资生对蛋白质的氨基酸序列以及DNA的碱基顺序进行了详细的研究，并的碱基顺序进行了详细的研究，并在他人研究

9、的基础上提出了该理论在他人研究的基础上提出了该理论。其其主要观点是分子水平上的进化大都不是主要观点是分子水平上的进化大都不是通过达尔文的自然选择，而是由选择中通过达尔文的自然选择，而是由选择中性或近中性突变性或近中性突变(选择中性或近中性突变选择中性或近中性突变是指在选择上或对选择是中性或近中性是指在选择上或对选择是中性或近中性的突变的突变)基因的随机固定实现的基因的随机固定实现的。 中性突变理论的本质是分子突变中性突变理论的本质是分子突变从严格的意义上讲是选择中性的，即对从严格的意义上讲是选择中性的，即对生物本身来讲既无利也无害，它的命运生物本身来讲既无利也无害，它的命运几乎取决于遗传上的随

10、机固定，所以在几乎取决于遗传上的随机固定，所以在分子进化的过程中，突变压和随机固定分子进化的过程中，突变压和随机固定起着重要作用起着重要作用。只有进一步导致形态和生理上的差异后自然选择才能发挥作用。关于中性理论内容和传统的进化论之间的区别以及中性理论的证据，木村资生进行了详细论述。 (一一)随机漂变对等位基因的作用随机漂变对等位基因的作用 在相当大的群体里，每个世代虽然会产生大量突变，但是其中大部分变异在以后很少的世大部分变异在以后很少的世代中由于随机的作用而丢失，这种丢失不仅限于代中由于随机的作用而丢失，这种丢失不仅限于有害突变和中性突变，也包括有利突变有害突变和中性突变，也包括有利突变。比

11、如突比如突变基因在选择上变基因在选择上1有利，那么在群体中被保存有利，那么在群体中被保存扩散的可能性也仅有扩散的可能性也仅有2，有，有98的可能在进化的可能在进化的过程中不被保留而随机消失的过程中不被保留而随机消失。因此，在进化的过程中，种内发生的有利变异数和实际被保留下来的变异数之间有相当大的差异，通过增加基因频率而在种内被保留固定的突变是极其幸运的少数者。 传统的观念认为，突变基因在种内扩散必须传统的观念认为，突变基因在种内扩散必须是在选择上有利的突变，但实际上，中性突变基是在选择上有利的突变，但实际上，中性突变基因由于和有利基因连锁而使它以较高的频率在种因由于和有利基因连锁而使它以较高的

12、频率在种内保留内保留。中性理论强调的是即使是在自然选择上无利的突变也能被保留下来。例如，突变基因如果和原来的等位基因在自然选择上是相同的(即有利程度)，因随机作用，其频率随着时间的推移有可能增加，也有可能减少，产生这种差距.一方面与原初产生的突变数少有关，另一方面也与群体的大小有关，群体越小越容易发生，即每世代仅有极少数的配子能传给后代，而这种能传给后代的配子是从众多的雌雄配子中随机抽出的，这样中性突变基因中绝大部分由于随机的作用而消失，只有极少数的突变被固定。 如果中性突变在分子水平上经常如果中性突变在分子水平上经常发生，而且随机过程比较长，假如持发生，而且随机过程比较长，假如持续经过数千万

13、世代，就会使群体内遗续经过数千万世代，就会使群体内遗传构成发生巨大的变化传构成发生巨大的变化，例如1个突变基因在群体中被保留发生的可能性是100万分之一，每年一个基因座位产生10个突变基因的话，这个基因座位在群体中每100万年就会发生10个突变基因被保留。 (二二)小群体引起的遗传漂变小群体引起的遗传漂变 遗传漂变可以说是中性突变理论的基础，遗传漂变可以说是中性突变理论的基础，所谓遗传漂变是指群体中的基因频率由于在繁所谓遗传漂变是指群体中的基因频率由于在繁殖时雌雄配子的随机结合而发生变化的现象殖时雌雄配子的随机结合而发生变化的现象。 不管是哪个有性生殖的物种，群体的大小是有限的，但产生的雌雄配

14、子数相当多，而传给后代的又是其中的极少数配子，哪个配子能传给后代是随机的，这就会造成基因频率的变化，而且群体越小，这种变化就越大而且群体越小，这种变化就越大。由于这种作用而使某些基因被保留，某些基因被丢失，而这种保留、丢失与有利和有害无关，几乎完全取决于随机作用随机作用。 (三三)群体的有效大小群体的有效大小 (四四)有关中性突变进化学说的讨论有关中性突变进化学说的讨论 1关于有利、有害及中性突变关于有利、有害及中性突变 木村资生本人认为这些质疑中有很多是误解。如中性突变学说提出时，并不是说所有的突变都是中性的，而有一定比例的有害突变，同时也承认在进化的过程中会产生有利突变，但非常稀少。有害有

15、害突变所占的比例大小，取决于突变分子的重要性，突变所占的比例大小，取决于突变分子的重要性，随着突变分子功能重要性的增强，其有害突变的可随着突变分子功能重要性的增强，其有害突变的可能性越大，中性突变的可能性越少，相反，中性突能性越大，中性突变的可能性越少，相反，中性突变的可能性就大变的可能性就大。如内含子的进化速率 非常快，因为内含子本身并不编码mRNA，与蛋白质的氨基酸序列无关。所以 它的进化速率非常快。 2分子进化的恒定性分子进化的恒定性 中性突变理论认为，每个氨基酸座中性突变理论认为，每个氨基酸座位位(或核苷酸或核苷酸)每年的替换率是一定的每年的替换率是一定的，而有人提出不应该是每年，应该

16、是每个世代，原因是不同的生物世代长短差异很大。 关于这一问题，木村资生做了详细的分析。他认为体型越大，世代越长同他认为体型越大，世代越长同时群体也就越小，每个世代的进化速率时群体也就越小，每个世代的进化速率与群体有效大小的平方根成反比与群体有效大小的平方根成反比. 3中性突变理论的贡献中性突变理论的贡献 达尔文进化论揭示了表型、种群进化的规律，通过自然选择淘汰不利变异，保留有利变异，即适者生存，使生物发展进化。限于当时的水平，对分子水平的进化规律所知甚少。 木村资生的中性突变理论揭示了分子木村资生的中性突变理论揭示了分子水平的进化规律。水平的进化规律。 中性突变理论通过随机固定决定保留中性突变

17、理论通过随机固定决定保留和淘汰。和淘汰。 这和达尔文进化论并不矛盾，更不对立，只是各自的侧重点不同。 一个侧重于个体、群体即宏观水一个侧重于个体、群体即宏观水平平; 另一个侧重于分子即微观水平，另一个侧重于分子即微观水平，谁都不能替代对方，谁都不能否定对谁都不能替代对方，谁都不能否定对方，二者相互补充，更好地解释了生方，二者相互补充，更好地解释了生物进化的现象及本质。物进化的现象及本质。 四、分子系统学和分子系统树四、分子系统学和分子系统树 分子系统学分子系统学是研究生物大分子进化历史的科学，它主要研究某一生物大分它主要研究某一生物大分子在生物进化的过程中突变的产生、固子在生物进化的过程中突变

18、的产生、固定以及积累的过程定以及积累的过程。分子系统学以生物分子系统学以生物大分子进化速率的恒定性为前提，通过大分子进化速率的恒定性为前提，通过比较现在同一同源分子在不同生物间的比较现在同一同源分子在不同生物间的差异以及其他信息来推断生物大分子的差异以及其他信息来推断生物大分子的进化史，以此建立生物大分子进化系统进化史，以此建立生物大分子进化系统树树。 生物大分子的进化速率是相当恒定的，生物大分子的进化速率是相当恒定的，它的变化量应该和该分子所经历的时间呈它的变化量应该和该分子所经历的时间呈正相关正相关，即生物大分子的改变是进化时间的函数，其数学表达式为Kaa=Kaa2T。由此式可以看出，不同

19、生物的某一同源大分子之间的差异与所比较的生物从共同祖先分歧后的时间呈正比。由此可以确定不同生物在进化过程中的地位、分歧时间以及亲缘关系，建立该分子的系统树。 (一一)分子系统树的构建方法分子系统树的构建方法 建立分子系统树，首先要得到所涉及的生物中同源大分子之间的差异，对这些差异数据进行统计学的处理，根据分歧时间的先后绘出系统树。具体方法如下。 1获得生物大分子的差异数据获得生物大分子的差异数据 首先确定所要构建分子系统树的生物种类和要分析的生物大分子。确定生物种类的原则是所有生物中均要存在该种同源生物大分子。对生物大分子的选择也有一定的要求，不是任意的大分子都可以用来构建分子系统树。 一般来

20、讲，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，相反要选择进化较快的大分子。如线粒体DNA的进化速率较快，适于在亲缘关系较近的物种之间建立分子系统树，像细胞色素c、16SRNA以及丙糖磷酸异构酶等进化速率较慢，适合亲缘关系较远的；物种之间建立分子系统树。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大分子的差异比较各物种之间同源大分子的差异 人工比较生物大分子之间的差异不是非常容易的事，现在一般用计算机进行比较。比较时可有三种情况: 一是同源位置相同(如DNA的某一

21、同源位置都是某种碱基，蛋白质都是某种氨基酸)； 二是同源位置不同； 三是同源位置上有一方是空缺或插入，把后二者都统计为差异。 ( (二二) )分子系统学的研究进展分子系统学的研究进展 分子系统学研究的初期，研究的重点为蛋白质，人们研究比较了多种蛋白 质分子，得到各种蛋白质分子中氨基酸的差异，然后推测DNA的变化，最后在此基础上构建分子系统树。 由于蛋白质的分析比较复杂，所以近年来研究的重点转移到了RNA，如5 S rRNA、16SrRNAP)及18S rRNA等，对它们进行了序列比较，所得数据通过计算机分析建立分子系统树。近年来通过这种方法研究了多种生物的进化关系，取得了许多成果。 1已构建的

22、分子系统树简介已构建的分子系统树简介 (1)丙糖磷酸异构酶系统树丙糖磷酸异构酶系统树.WGilbert等研究了包括人在内的9种生物的丙糖磷酸异构酶，比较了它们的差异，尤其是内含子的差异，构建了系统树。 (2)线粒体线粒体DNA系统树系统树RLCann，等人对人的线粒体DNA进行了比较研究，由此建立了人类的分子系统树，提出人类有共同的祖先，他诞生于非洲，然后扩散到其他大陆。 2PCR技术在生物进化中的应用技术在生物进化中的应用 (一一)古蛋白质分子的研究古蛋白质分子的研究 最初人们只是研究化石中的氨基酸，后来开始研究多肽，一直发展到研究蛋白质。有的多肽或蛋白质分子比较稳定，如骨中的胶原蛋白及贝壳中的壳蛋白都能稳定贮存几千万年甚至若干亿年。 当然不是所有的蛋白都这样稳定，但只要我们获得了某种蛋白质分子的进化数据，就可以和古蛋白质分子进行比较、和现在的蛋白质分子进行比较，加上其他的信息，就可以推断该分子的进化历程、该生物在进化中的位置以及和其他生物的亲缘关系。 (二二)古古DNA的研究的研究 相对于蛋白质来讲，DNA更加稳定更加稳定，保