现代遗传学教程-从基因到表型的剖析（第4版）课件 第16章遗传与进化

第十六章

遗传与进化GeneticsandEvolution中山大学《遗传学》2025版授课老师：XXXXXX@物种形成机制02进化理论03分子进化040105分子定向进化分子系统学与分子系统树23学习要点概念掌握生物学物种概念地理隔离生殖隔离谱系融合物种形成基因生物进化获得性遗传自然选择学说中性学说分子进化进化失配分子系统学分子钟分子定向进化理解规律

不同序列部位/进化时期/功能的进化速率规律数据计算进化速率与替换位点数量估算4遗传与进化从时间尺度上来看：

遗传学研究的是生物上下几代的遗传与变异的规律

进化论研究的是成千上万代生物的遗传与变异的规律遗传学是现代研究进化理论的基础：

群体遗传学和分子遗传学为研究进化生物学奠定基础5学科起源1859年，达尔文发表了“TheOriginofSpecies”1865年，孟德尔发表了“ExperimentsonPlantHybridization”遗传学理论为达尔文自然选择学说提供了有力支撑6分子时代1910，Morgan发现基因位于染色体上1944，肺炎球菌的转化实验1952，噬菌体感染实验1953，DNA双螺旋结构被发现遗传学中心法则、有丝分裂与减数分裂、突变与重组不同物种间同源基因的DNA序列与蛋白质序列差异进化的分子基础：突变与重组中性学说vs.选择学说各类检测自然选择的统计学方法进化与比较基因组学分子遗传学分子进化学物种形成机制01SECONE78群体、基因库与生物学物种概念孟德尔群体(mendelianpopulation)：一群相互交配的个体，其基因的传递遵循孟德尔定律基因库(genepool)：群体中所有个体的全部基因生物学物种概念：对于有性生殖生物，物种是一个具有共同基因库、与其它类群之间存在生殖隔离的生物自然集群9地理隔离（geographicalisolation）山脉、海峡等地理屏障导致物种间无基因交流的机会，被认为是经典的物种形成决定因素。异域式物种形成10经典的地理隔离模型无法解释大部分物种形成混合隔离混合隔离Sealevelchanges海平面变化周期约为10万年一种新的物种形成理论：混合-隔离-混合循环模型NationalScienceReview,

2019,6(2):275-288NatCommun

2019,10:523011生殖隔离（reproductiveisolation）生物物种间阻止杂交或者杂交后代不育的一种生物学特性，是生物学物种概念的重要条件包括合子前隔离与合子后隔离12谱系融合（lineagefusion）不同群体乃至不同物种间杂交融合成为新种异源多倍体杂交成种与同倍体杂交成种13物种形成基因（speciationgene）基因组上有少数基因受到与成种相关的较强自然选择作用，在物种形成过程中起着关键作用。Thegenicviewofspeciation进化理论02SECTWO1415三大进化理论（学说）生物进化：生物随着时间的推移，在分子、形态、生理、行为和生态等方向发生变化和多样性的过程。拉马克获得性遗传学说（1809）达尔文自然选择学说（1859）木村资生中性学说（1968）16拉马克获得性遗传学说认为物种不是固定不变，其性状用进废退（1）生物生长的环境，使它产生某些欲求。（2）生物改变旧的器官，或产生新的痕迹器官，以适应这些欲求。（3）继续使用这些痕迹器官，使这些器官的体积增大，功能增进，但不用时可以退化或消失。（4）环境引起的性状改变是会遗传的。存在问题：后天的功能使用不能改变DNA编码序列，无法进行稳定遗传17达尔文自然选择学说《OntheOriginofSpeciesbyMeansofNaturalSelection,orthePreservationofFavouredRacesintheStruggleforLife》现代新达尔文主义：以达尔文提出的自然选择学说为根基，结合现代分子遗传学、群体遗传学、染色体学说、古生物学等，修正完善自然选择学说18自然选择学说的三个要点生物个体存在变异

很多变异是由基因的差异导致的，是可遗传的自然选择作用于生物

适合度高的个体产生更多的后代，一代代趋向生物在自然选择作用下发展完善新的性状

环境的多样性、适应环境方式的多样性造就了多样化的自然选择过程，形成生物多样性19进化失配（evolutionarymismatch）自然选择的方向和压力不是一成不变的。环境会随着时间的变化而改变，其对生物造成的选择方向和压力大小也可能发生改变物种在漫长进化历史中逐步积累的有利等位基因可能在新环境中适应度下降进化失配性疾病，如Ⅱ型糖尿病20分子进化的中性学说中性突变随机漂变学说进化是“中性突变”在自然群体中随机遗传漂变的结果（1）突变大多是中性或近中性的（2）分子进化的主角是中性突变而不是有利突变（3）分子进化由分子本身的突变率决定，随机漂变在进化中起主导作用21三种学说的贡献获得性遗传学说率先提出了物种是变化的，但错误地判断了其变化的过程。自然选择学说在遗传学科建立之前预见性地提出了变异与自然选择作用，是进化生物学的根基。中性学说反对的是自然选择学说的全能性，强调随机性在进化过程中不可忽视的作用，为自然选择给出零假设，为现代群体遗传学发展奠定重要理论基础。22现代进化学界基本共识基因型和基因变化是生物变化的基础，基因突变和重组产生的遗传变异为进化提供了原材料；进化的重要单位不是个体而是群体，群体是生物进化的基本单位，生物进化的实质是基因频率的改变；第三，突变、自然选择、隔离是生物进化及物种形成的三个环节。突变和基因重组产生进化的原材料；自然选择使种群的基因频率定向改变并决定进化的方向；隔离（不一定是完全隔离）是新物种形成的必要条件。分子进化03SECTHREE2324分子进化（molecularevolution）分子水平上的进化，包括基因序列、结构和功能改变形态特征-->蛋白序列-->核酸序列-->基因组序列多基因家族进化、序列进化25多基因家族进化基因家族由共同的祖先基因通过重复和歧化进化而来基因家族中的各成员基因具有相同或相关的功能，但在发育过程中并不总是同时表达，如有些血红蛋白基因家族成员在成体中表达，而另一些则只在胎儿期表达）产生机制：不等交换；转座；全基因复制珠蛋白基因家族26基因重复的进化生物学意义增加原有产物，提高适合度。组蛋白发展新功能：一份拷贝继续保持其原先的序列，发挥其原有的生物学功能；另一份拷贝可能积累随机突变，虽多数基因会因突变的不利效应而失去功能，形成假基因，但偶而也有一些基因因此而获得新功能。乳清蛋白近中性，但蕴含潜力。前胰岛素原27序列进化分子进化研究中的一个重要问题是物种间同源基因序列差异的起源及其意义特定序列的进化速率（rateofevolution）可以通过比较由共向祖先分化出的两个不同物种的序列加以探讨（核酸蛋白）不同序列部位不同进化时段不同功能28(1)基因不同区域的进化速率不同鼠I型、鼠II型、人和鸡的前胰岛素原基因编码C端的一个区域的核苷酸序列比较。一些位点上的核苷酸完全相同，另外一些不同。核苷酸差异是在大约3亿年前从同一祖先分枝后逐步固定下来的。29胰岛素基因家族不同区段氨基酸替换百分率基因成对比较AB肽非同义替换位点占比C肽非同义替换位点占比AB肽同义替换位点占比C肽同义替换位点占比鼠I/鼠II1.83.23218人/鼠5.22176110人/鸡863122140鼠/鸡10.749.46415030胰岛素分子生成过程C肽的一个重要功能是将多肽的A区和B区带到一起，以便使它们能够形成适当的二硫键，之后C肽被切离31哺乳动物DNA序列不同部分的相对进化速率序列部位相对进化速率5’侧翼序列2.36引导序列1.74编码序列-同义位点4.65编码序列-非同义位点0.88内含子3.70拖尾序列1.883’侧翼序列4.46假基因4.8532序列不同部分的进化速率比较在功能不重要的核苷酸位点容易发生改变（C肽）内含子序列中核苷酸位点的改变频率高于外显子同义位点（沉默位点）进化速率高于非同义位点功能基因3’侧冀区的进化速率高，因其序列通常对基因表达影响不大没有功能的假基因的进化速率最高。如果某段序列有很高的进化率，意味着此序列可能没有功能33(2)在基因产生新功能化过程中进化速率的变化在蛋白质获得新功能的过程中，氨基酸或其DNA的替换速率较高，并受正选择控制。当蛋白获得其基本功能的构型后，自然选择的作用主要是通过降低有害突变来维持蛋白功能的完整性。在蛋白进化的较后阶段，多数替换是那些对功能没有大的影响的替换34(3)不同蛋白质序列的进化速率比较不同蛋白质（具有不同功能重要性或三维结构）的进化速率不同细胞色素c在过去的一亿年中进化速率非常慢，而血红蛋白、纤维蛋白肽的进化速度快得多分子系统学与分子系统树04SECFOUR3536分子系统学随着时间推移，物种之间的基因组序列差异不断积累通过在三个或更多个基因组间的两两比较，有可能了解这些基因组彼此之间亲缘程度和在进化上的关系，这就是分子系统学（molecularphylogenetics）37系统发育树（phylogenetictree）达尔文手绘生命之树基于细胞色素C蛋白序列绘制的20个物种系统发育树基于核酸序列绘制的61种红树及其它87种植物的系统发育树38对于系统发育结果的利用回答物种间的亲缘关系（蚂蚁蜘蛛螃蟹）从分子水平解析进化速率（重要蛋白新冠病毒）解析物种起源（人红树）推断历史事件和时间（物种分化全基因组复制）细胞谱系（发育肿瘤）39构建系统发育树的分子标记氨基酸序列核酸序列DNA分子标记物AFLPRFLPSSR根据研究对象选择合适的分子标记40利用序列构建系统发育树的基本流程同源基因序列比对利用统计学方法构树

邻接法NJ基于距离基于离散特征

建树方法非加权分组平均法UPGMA

最大简约法MP

最大似然法ML距离方法：列出所有可能的序列对，计算序列之间的遗传距离，选出相似度比较大或非常相关的序列。离散特征方法：利用具有离散特征状态的数据，建树时着重分析分类单元或序列间每个特征（如核苷酸位点）的进化关系。

贝叶斯推断法41构树方法测试

Taxa

Trait

Outgroup

X

Y

Z

Site1 A C C CSite2 T A T AXYZX010Y101Z01042分子钟的提出分子钟概念源于对蛋白质的研究。Zuckerkandl&Pauling(1962)比较几种动物的血红蛋白、细胞色素C的序列后注意到：这些蛋白质的氨基酸取代速率在不同的种系间大致相同，即分子水平的进化存在恒速现象。他们(1965)将上述概念命名为分子钟，分子水平进化存在一个“时钟“，也即进化速率是近似恒定的。因此，分子钟假设的成立条件是对于给定的任意大分子（DNA或蛋白序列）在所有进化谱系中有近似恒定的进化速率。43分子钟需要校正分子钟假说成立的条件DNA或蛋白质序列的替代速率是恒定的。20世纪80年代以来，大量的证据表明：在长期进化过程中，很多类群的绝大多数基因或蛋白质的序列替换速率不符合分子钟假说。对于蛋白质序列，在物种适应辐射过程中，其进化速度可能会大大加快。对于核酸分子，不同基因的分子钟速率不同；并且同一基因在不同的生物类群间可能有显著差异。因此，不存在通用的分子钟。根据序列的变化推断物种的歧化时间，必须对分子钟进行校正。分子定向进化05SECFIVE4445分子定向进化（moleculardirectedevolution）指在体外模拟自然进化机制（随机突变、基因重组、选择），使基因发生大量变异，并定向选择出期望的基因、蛋白质、RNA甚至物种，在较短时间内完成漫长的自然进化过程。46定向进化的优越性定向进化的优越性在于不需要知道所进行的进化活动的机制分子定向进化可以在活细胞中进行或者在体外进行

活体进化（invivoevolution）

体外进化（invitroevolution）47分子定向进化与自然进化的区别进化动力不同，自然进化的驱动力是保守突变，而定向进化中非保守取代可明显改进蛋白质的功能进化方向不同，定向进化是使进化过程定向进行，主要是蛋白质突变的适应积累过程进化速度不同，自然进化非常缓慢，需几百万年，而定向进化只需几年、几月、甚至几天定向进化的目标往往超越生物学意义，寻求人类在工农业、医药等领域所需的特性，而自然环境中可能并不需要这样的功能48分子定向进化实验流程分子定向进化是突变加筛选的重复循环，包括三步：

（1）从单个基因或一群相关的家族基因为起始通过突变或重组创建分子多样性，最基本策略是随机