9_分子进化

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1、1,第九章 分子进化 Molecular evolution,2,分子进化与分子系统学,一、分子进化定义 二、生物大分子进化的特点 三、分子进化的中性理论 四、分子钟 五、进化的分子钟 六、分子系统学 七、古分子系统（生物）学,3,一、分子进化定义,生物在发展的过程中，生物大分子结构的变化以及这些变化和生物进化的关系称为分子进化。 广义的分子进化的两重含义： （1）原始生命出现以前的化学演化 （2）生物在进化发展中，生物大分子的结构变化以及这种变化和生物进化的关系等。,4,意义：通过比较不同生物的同源的蛋白质或者核酸的序列变化，来推断生物大分子的进化速率，为生物进化提供一个时间表。 生物进化过

2、程中生物大分子的演变现象，主要包括蛋白质分子的演变、核酸分子的演变和遗传密码的演变。,5,（1）蛋白质分子的演变 例：对脊椎动物肌红蛋白（Mb）和血红蛋白（Hb）分子演变的研究。 在无颌类脊椎动物（如七鳃鳗），运输O2的球蛋白只有Mb，而在绝大多数脊椎动物中，运输O2的球蛋白有Mb和Hb。,6,Mb由一条多肽链组成，含有153个氨基酸残基。 已知鲸的Mb与人的各种Hb之间有115121个（约占80）氨基酸残基的差异，这表明Mb和Hb和祖先分子在很早以前就通过基因重复和随后的基因突变而开始分歧了。,7,成人血红蛋白（Hb-A）由两条链和两条链组成，（即22），链含141个氨基酸残基，链含146个

3、氨基酸残基。 此外，还有胎儿血红蛋白（Hb-F，22）；成人（少量）血红蛋白（Hb-A，22）等。 共有6种不同的肽链组合成人类的6种不同的血红蛋白。,8,9,在人的各种Hb多肽链之间，差异最大的是链跟链、链、链，有8489个（约占60）氨基酸残基的差异；其次是链跟链，有39个（约占27）氨基酸残基的差异；最小的是链跟链，只有10个（约占7）氨基酸残基的差异。 表明Hb的祖先基因，首先通过基因重复和基因突变分化出基因和基因，然后从基因分化出基因，最后才分化出基因。,10,已知：Hb分子大约每600万年有1/100的氨基酸残基发生变化（M. O. Dayhoff）。 （1）Mb跟Hb的分歧时间约

4、发生在4.8亿年前 （2） Hb的链跟链的分歧时间在3.6亿年 （3） 链跟链的分歧时间在1.6亿年前 （4） 链跟链的分歧时间在420万年前,11,12,在人体不同发育阶段，各种血红蛋白先后出现。 在胚胎发育早期先合成链和链，大约同时或稍后开始合成链和链。 到胚胎发育到第8周，链和链逐渐消失，链合成达到高峰，而且开始合成链，36周以后链合成速率增高，链合成速率降低。出生后不久大约合成等量的链和链。 生后3个月后链合成迅速增高，链合成迅速降低。,13,14,The globin family of proteins evolved via gene duplication,15,Margare

5、t Oakley Dayhoff (1925-1983),16,（2）核酸的进化 就量的方面看，在生物进化过程中，从低级到高级，基因的数量是逐渐增加的，因此，细胞中的DNA含量也逐渐增加，这是总的趋势。 例外，如肺鱼和某些两栖类细胞中的DNA含量就比鸟类和哺乳类的高出很多，主要原因是由于出现了多倍化，或重复序列及内含子的大量增加。,17,18,19,（3）遗传密码的进化 70年代末发现了线粒体的特殊密码，启发人们认识到遗传密码也是经历了变化的。现在大家都公认，遗传密码从一开始就是“三体密码”。据戴霍夫的推测，在化学进化和生物进化过程中，遗传密码经历了GNCGNYRNYRNNNNN 5个阶段的变

6、化。,20,G、C分别代表鸟嘌呤和胞嘧啶，N可以是G、C、A、U中任何一种碱基；Y=C或U；R=G或A。 最初，密码的通式是GNC，可形成GGC、GCC、GAC、GUC4种密码子，分别决定甘、丙、天冬和缬4种氨基酸。,21,随着化学进化中氨基酸种类的增加，遗传密码也由GNC扩展为GNY。这种扩展虽仍决定4种氨基酸，但已增加了信息RNA突变的可能性，对原始生命体的进化有利。 以后又由GNY扩展为RNY，这样翻译出来的蛋白质便可含多达8种氨基酸。,22,接着再由RNY扩展为RNN，可决定13种氨基酸参与蛋白质合成，而且出现了起始密码AUA。 最后，由RNN扩展为NNN，使参加蛋白质的氨基酸增加到2

7、0种，侧基复杂的氨基酸如苯丙氨酸、酪氨酸、半胱氨酸、色氨酸、精氨酸、组氨酸、脯氨酸等都是在这次扩展中出现的，同时还出现了三个无义密码，充当肽链合成中的终止信号，构成现在的遗传密码表。,23,GNCGNYRNYRNNNNN GNC, GNY阶段，仅第二位碱基决定氨基酸种类，实质上相当于单体密码子。 RNY密码中第一位和第二位碱基共同决定氨基酸种类，相当于二体密码。 RNN, NNN密码中，三位碱基都不同程度决定氨基酸种类，成为三体密码。,24,25,26,二、生物大分子进化的特点,在生物大分子这个层次上考查进化，可以看到一个很不同于表型进化的历程。生物大分子进化有如下特点： （一）分子进化速率的

8、恒定性 （二）分子进化的保守性 （三）新基因常来源于原有基因的重复 （四）有害突变的选择清除和中性突变的固定,27,（一）分子进化速率的恒定性 分子进化速率的恒定性是指核酸或者蛋白质等生物大分子在进化的过程中碱基或者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。,28,不同物种同类型（同源）的核酸和蛋白质大分子，被认为有着相同的起源。研究这些大分子一级结构的改变，检测出不同物种间大分子序列中的核苷酸或氨基酸的替换数，再结合地质学上有关化石方面的数据，就可以确定生物大分子随时间而改变的速度，即分子进化速率。,29,经木村资生（Kimura，1989）的总结，根据各个不同

9、对物种计算出来的同源生物大分子的分子进化速率，大致相等。 分子进化速率远比表型进化速率稳定。一些研究还表明，生物大分子的一级结构的改变（替换）只和进化所经历的时间相关，而与表型进化速率无关。,30,木村资生根据自己的研究，提出10的9 次方是分子进化的标准速率，将每年、每个氨基酸位点的110的9次方的进化速率定为分子进化的单位，称 1 Pauling。 分子进化的恒定性并不是说所有的分子进化速度完全相同。,31,32,（二）分子进化的保守性 生物分子进化的“保守性”是指功能上重要的大部子或大分子中功能重要的局部，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的局部。 换句话说，那些会引起

10、现有表型发生显著改变的突变（替换），其发生的频率要比那些无明显表型效应的突变（替换）发生的频率低。,33,分子的功能和结构的重要性与进化速率呈负相关。 不同DNA片段和蛋白质分子或同一片段和同一分子的不同区域在同一物种中进化速率有差异，一般功能较重要的片段或分子的进化速率比功能不重要的片段或分子的进化速率低。 在核酸分子中，碱基在密码子中的位置，以及RNA的二、三级结构均能影响碱基的替换型式和替换速率。蛋白质的高级结构也会独立地或与DNA相互作用的方式影响编码蛋白质基因的进化模式和速率。,34,不破坏分子的现有结构和功能的突变发生的频率较高。 例如，基因的内含子、假基因、卫星DNA等的替换速率

11、远高于基因的外显子；密码子第三位碱基的替换率远高于第一、二位碱基。 3 1 2,35,（三）新基因常来源于原有基因的重复。 基因重复在生物进化和新基因产生中起创造性的作用。同一基因存在着两个拷贝，使一个拷贝可积累突变并最终以一个新基因的姿态出现，而另一个拷贝则保留物种在过渡时期生存所需的老功能。,36,（四）有害突变的选择清除和中性突变的固定 在分子水平上，明显有害突变型的选择清除，中性或轻微有害突变的随机固定比明显有利突变型的正达尔文选择更频繁发生。这是表型进化与分子进化的最大区别。,37,三、分子进化的中性理论,基于对蛋白质和核酸分子的进化改变的比较研究，Kimura (1968)、Kin

12、g & Jukes (1969)、Kimura & Ohta (1971) 等提出了一个被称为“分子进化中性论” 的理论，用以解释分子层次上的非达尔文式进化现象。 The neutral theory of molecular evolution nonDarwinian evolution in molecular level,38,Motoo Kimura,39,分子进化的中性理论学说的要点为： （1）分子水平上种内遗传变异的大部分是中性的，分子进化的主角是中性突变。 上述这种遗传变异不影响核酸和蛋白质的功能，对个体生存既无害也无利，选择对它们没有作用。,40,因此，种内多态性等位基因是通

13、过突变和遗传漂变固定之间的平衡而维持的。 中性遗传变异包括同义突变、同功能突变和非功能性突变等发生在遗传物质内部的多种变化。,41,（2）分子水平上的生物进化主要是选择中性、或近于中性的突变基因随机固定的结果。 由于没有选择的压力，带有突变的中性基因在基因库中随机漂动，并通过遗传漂变在群体中固定和传播，从而推动生物进化。 所以生物进化是随机的和偶然的。,42,（3）生物进化的速率是由分子本身的突变率来决定的。 由于突变率即核苷酸替换速率或氨基酸取代速率，不受选择压力的影响，所以分子进化与环境无关。,43,分子进化中性论的主要论据： （1）分子层次上的变异绝大多数在选择上是中性的。 在生物的基因

14、组中，非编码的DNA占绝大部分；同义突变和无义突变等哑突变占有相当的比例；种群内的遗传多态性普遍存在，生物大分子的多态性尤其常见。,44,（2）大量的研究结果表明，蛋白质和核酸的分子进化速率相当高而且相对恒定。并且生物大分子的一级结构的改变（替换）只和进化所经历的时间相关，而与表型进化速率无关。 （3）越来越多的研究结果表明，突变压在生物大分子进化中起着重要作用。,45,（4）如果种内变异大多数不是在选择上是中性的，那么按所测定的基因突变频率和种群遗传学公式计算出的在负选择情况下的选择负荷是太大了，必须发生超量生殖才能维持种群原来的大小和实现种群的进化，这不符合实际情况。,46,分子进化中性理

15、论的意义： 分子进化中性理论揭示了分子进化的基本规律，是解释生物大分子进化现象的重要理论。 分子进化中性理论强调遗传漂变和突变压在分子进化中的作用，是对综合进化论的重要补充和修正。,47,中性理论承认自然选择在表型进化中的作用，同时又强调分子层次上进化现象的特殊性。 但中性理论学说并不反对自然选择学说，对于那些破坏分子结构和功能的突变或影响表型的突变仍然受自然选择的强烈影响。,48,四、分子钟,1962年，祖卡坎德尔（Zuckerkandl）和鲍林（Pauling）在对比了来源于不同生物系统的同一血红蛋白分子的氨基酸排列顺序之后，发现其中的氨基酸随着时间的推移而以几乎一定的比例相互量换着，即氨

16、基酸在单位时间以同样的速度进行置换。,49,后来，对若干代表性蛋白质的分析，以及近年来又通过直接对比基因的碱基排列顺序，证实了分子进化速度的恒定性大致成立，并由中立说在理论上奠定了基础。这便是“分子钟”名称的由来。 分子钟：Molecular Clock,50,Emile Zuckerkandl,Linus Pauling,51,A comparison of animal hemoglobins by tryptic peptide pattern analysis. Proc. Natl. Acad. Sci. 46 (October 1960): 1349-1360. October, 1960 Emile Zuckerkandl, Richard T. Jones, and Linus Pauling,52,分子钟提供了在分子水平分析系统进化的手段： 例子1：费奇（Fitch）和马戈利来希（Margoriash）使用细胞色素C的氨基酸序列，再现了动植物和菌类的进化历程。