分子进化与系统树-分子钟与中性理论

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1、 1分子进化与系统树-分子钟与中性理论 摘要： 分子钟的发现与中性理论的提出,极大地推动了进化尤其是分子进化研究,填补了 人们对分子进化即微观进化认识上的空白,推动进化论的研究进入分子水平,并建立了一套依 赖于核酸、蛋白质序列信息的理论方法。 分子钟的发现与中性理论的提出,极大地推动了进化尤其是分子进化研究,填补了人们对 分子进化即微观进化认识上的空白,推动进化论的研究进入分子水平,并建立了一套依赖于核 酸 、 蛋白质序列信息的理论方法.分子进化研究有助于进一步阐明物种进化的分子基础,探索 基因起源机制,从基因进化的角度研究基因序列与功能的关系。 一、分子钟与中性理论 60 年代早期“分子进化

2、钟”的发现与 60 年代末期“中性理论”的提出是本世纪进化学 的重大事件,是古老的进化学与新生的分子生物学两者“杂交”的产物.它们的相继问世极大 地推动了进化尤其是分子进化研究,填补了人们对分子进化即微观进化认识上的空白,并在生 物医学等领域产生了广泛影响。 随着不同生物来源的大量蛋白质序列的确定,Zucherkandl 等发现：某一蛋白在不同物种 间的取代数与所研究物种间的分歧时间接近正线性关系,进而将分子水平的这种恒速变异称 为“分子钟” 。 支持分子钟存在的证据来自哺乳动物与其它脊椎动物诸如血清蛋白与转铁蛋白等的免疫 学（如微量补体固定）定量比较.人们发现多肽间的免疫距离（如抗原性）与其

3、氨基酸取代百 分数成良好的线性相关,如鸟溶菌酶、哺乳动物 RNase、细胞 色素 C 与白蛋白、大肠杆菌色 氨酸合成酶等.虽然这种相关性的分子基础尚不清楚,但这种客观存在经过反复验证后是不容 置疑的.免抗血清由此成为初步估算球形单体蛋白间序列差异的有效工具,但其适用范围 0 30%的氨基酸差异。 自从分子钟假设提出之后,存在许多反驳它的相反事实与异议.这些异议主要针对序列进 化的恒速.分子钟的最明显的例外之一是分子序列证据与化石证据在人类起源时间上的差 异.60 年代中期,许多人类学家认为人类在 3000 万年前与我们最近的亲属非洲猿分歧.根 据分子钟假设,分歧 3000 万年的物种氨基酸序列

4、差异的应达 45%、非重复序列 DNA 差异应 约为 8%,但实测值分别为 0.8%与 1.1%.对这种 6 倍左右的差别有两种解释.许多人类学家倾向 于怀疑钟的存在,并认为在高等灵长类中分子进化速率下降.总之,虽然大部分分子进化学家 同意序列进化与分歧时间密相关,但进化是以年限还是以代限为刻度则仍有分歧与争议； 而且 因为众多因素的影响,与分子钟相左的数据,无论是用氨基酸、核苷酸序列差异、免疫学距离, 还是用 DNA 杂交复性等参数,均不断有所报道,其论争预计将继续下去。 自从 60 年代初发现分子钟“分子进化速率在不同种系中恒定”以来,人们又陆续发 现蛋白质中氨基酸的置换是随机而非模式性的

5、；DNA 在哺乳动物种系的总变异速率远远高于 形态上的变异速率并远远超出人们的预期的大于 0.5 核苷酸/基因组/年；蛋白质电泳表明物 种内存在大量的变异即广泛的种内多态性,且这些多态性并无可见的表型效应,与环境条件亦 无明显相关.以上这些都是新达尔文主义与综合进化理论所难以解释的。 面对上述问题,日本群体遗传学家木村资生（Motoo Kimura）提出： （1）进化过程中的核 苷酸置换其绝大部分是中性或近似中性的突变随机固定的结果而不是正向达尔文选择的结 果： （2）许多蛋白质多态性必须在选择上为中性或近中性,并在群体中由突变引入与随机灭绝 间两者的平衡维持。 上述论著问世遭遇到经典进化学家

6、的强烈批判.他们认为新的分子生物学数据完全可以 用新达尔文主义的原理来解释.直至现在,选择论者与中性论者的议争仍在继续.这两大学派 的本质区别可通过它们各自对突变基因如何在物种内置换老基因这一进化过程的不同解释来 洞悉.每一置换刚出现时在群体内均为稀有的突变等位基因,随后扩散至个群体并被固定,即 频率达 100%.选择论者认为：一个突变的等位基因在物种内扩散,就必需具有某些选择上的优2势,如在选择上为中性,就必需与一选择上具优势的基因紧密连锁,通过“搭车”而达到较高频 率.与此相反,中性论者认为： 一些突变在没有任何选择优势的情况下也能自身在群体中扩散. 如果一突变体在选择上等同于已存在的等位

7、基因,其命运将取决于机会-随机,其频率存在上 下起伏,因为在每代每一雌、雄个体所生的大量配子中只有很少数配子最终被“采用”以形成 合子以及相应的个体,并出现在下一代中.在这种随机漂变（random drift）中,绝大部分突变 等位基因随机丢失,但有一少部分在群体中被固定下来.如果中性突变在分子水平上普遍存在, 且随机漂变在很长时间（如百万年）一直延续,群体的遗传组成将发生显著性改变.群体中出 现的任何中性突变其最终固定的概率都等于其原始频率,其固定的平均时间四倍于有效群体 的大小（它近似等于每一代参与繁殖的个体数,通常远小于物种的个体总数）.中性理论并非 认为中性基因无功能,而仅是认为不同的

8、等位基因在促进个体的生存与生殖方面是有等同的 效果.此外,还需强调个体基因突变与群体基因置换的差别,因为只有后者才与分子进化相关。 自Zuckerkandl与Pauling的早期工作以来,已经知道在蛋白质进化中结构和化学性质上 相似的氨基酸间的替换比不相似间的替换更为频繁.他们认为,这种“保守的”的替换看来只 造成分子功能的微小改变,因而更容易“被自然选择接受”.同时他们指出,关于氨基酸残基的 最重要性质是什么,“化学家和生物学家间显然没有同样的见解”.从中性学说的立场看,保守 替换的性质,只需注意到两种氨基酸间的差异越小,它们等于选择等价而不是突变有害的概率 就越大,就很容易加以解释.因此,

9、选择上呈中性的替换在得类似的氨基酸间则概率越高,而这 类氨基酸的进化替换由于随机遗传漂变则出现得更为频繁。 在阐明分子进化中突变型替换的保守性的同时,有越来越多的证据表明,功能上较不重要 的分子或某一分子较不重要的部分,其进化（以突变型替换表示）比那些较重要的要快些.中 性论和选择论间的差别,在它们对快速进化的分子（如血纤蛋白肽）或分子的某部分（如胰岛 素原的 C 肽）进行解释时,可以最清楚地看出,按中性学说解释,它们在功能上不重要,因而大 多数突变是中性的,突变通过随机漂变而迅速积累.另一方,选择论的解释是,快速进化的分子 或分子的某部分或许有某些尚不知道的功能,并且通过积累许多由正达尔文选

10、择产生的较微 有利的突变,而经历了迅速的适应性方面的改善.这两种解释那一种更为恰当还有待积累更多 数据以后才能判定.为了加深我们对分子进化机制的理解,很有必要研究突变型替换的模式与 分子的三级结构和功能的相互关系。 综上,中性学说（或者更确切地说是中性突变-随机漂变假说）是分子生物学与群体遗传 学交融的产物.它不象传统的综合理论（或新达尔文派的观点）,它明确主张：进化中大多数 突变型的置换,不是由于正达尔文选择,而是由选择上呈中性或近中性的突变型的随机固定所 致.它还断言,分子水平上大多数种内遗传多态性,象以蛋白质多态性形式展现出来的那样,是 选择上呈中性或近中性的,并靠着突变输入和等位基因的

11、随机清除或固定这两者之间的平衡 而在物种中维持.应该说,这一理论对于人们所认识的分子进化众多现象与规律的阐释比新达 尔文更为科学,且提出的多项预测被随后的实验研究所证实.问题是,它作为一种更基本层次 分子水平的进化理论未能给更高层次的进化提供理性阐释与描写.中性论者过多地注目于 与功能无关的分子进化,而忽视了与功能相关的分子进化现象与规律的探索,这恐怕是中性理 论之所以能问世,但同时又先天性地带上无视宏观进化,对宏观进化束手无策这一天然缺陷的 症结所在。 二、进化树 分子钟的发现对于进化研究具有十分重要的意义.它不仅能用于粗略估计不同类群生物 间的进化时间,亦可用于构建进化树.实际上,分子钟发

12、现不久,蛋白质序列分析即被广泛用于 生物的长时进化研究。 根据蛋白质的序列或结构差异关系可构建分子进化树(evolutionary tree)或种系发生 树(phylogenetic tree).进化树给出分支层次或拓扑图形,它是产生新的基因复制或享有共 同祖先的生物体的歧异点的一种反映,树枝的长度反映当这些事件发生时就存在的蛋白质与 现在的蛋白质之间的进化距离.根据进化树不仅可以研究从单细胞有机体到多细胞有机体的3生物进化过程,而且可以粗略估计现存的各类种属生物的分歧时间.通过蛋白质的分子进化树 分析,为从分子水平研究物种进化提供了新的手段,可以比较精确的确定某物种的进化地位. 对于物种分类

13、问题,蛋白质的分子进化树亦可作为一个重要的依据。 构建进化树的方法包括两种： 一类是序列类似性比较,主要是基于氨基酸相对突变率矩阵 （常用 PAM250）计算不同序列差异性积分作为它们的差异性量度（序列进化树） ；另一类在 难以通过序列比较构建序列进化树的情况下,通过蛋白质结构比较包括刚体结构叠合和多结 构特征比较等方法建立结构进化树。 （一）序列进化树 构建序列进化树的主要步骤是比对,建立替代模型,建立进化树以及进化树评估。 1建立数据模型（比对） 建立一个比对模型的基本步骤包括：选择合适的比对程序；然后从比对结果中提取系统 发育的数据集,至于如何提取有效数据,取决于所选择的建树程序如何处理

14、容易引起歧义的比 对区域和插入/删除序列（即所谓的 indel 状态或者空位状态） 。 一个典型的比对过程包括： 首先应用 CLUSTALW 程序,然后进行手工比对,最后提交给一个 建树程序.这个过程有如下特征选项： （1） 部分依赖于计算机 （也就是说,需要手工调整） ； （2） 需要一个先验的系统发育标准（即需要一个前导树） ； （3）使用先验评估方法和动态评估方法 （推荐）对比对参数进行评估； （4）对基本结构（序列）进行比对（对于亲水氨基酸,推荐引 入部分二级结构特征） ； （5）应用非统计数学优化.这些特征选项的取舍依赖于系统发育分析 方法。 2决定替代模型 替代模型既影响比对,也影

15、响建树； 因此需要采用递归方法.对于核酸数据而言,可以通过 替代模型中的两个要素进行计算机评估,但是对于氨基酸和密码子数据而言,没有什么评估方 案.其中一个要素是碱基之间相互替代的模型； 另外一个要素是序列中不同位点的所有替代的 相对速率.还没有一种简单的计算机程序可以对较复杂的变量（比如,位点特异性或者系统特 异性替代模型）进行评估,同样,现有的建树软件也不可能理解这些复杂变量。 3建树方法 三种主要的建树方法分别是距离、最大简约（maximum parsimony, MP）和最大似然 （maximum likelihood,ML）.最大似然方法考察数据组中序列的多重比对结果,优化出拥有一

16、定拓扑结构和树枝长度的进化树,这个进化树能够以最大的概率导致考察的多重比对结果.距 离树考察数据组中所有序列的两两比对结果,通过序列两两之间的差异决定进化树的拓扑结 构和树枝长度.最大简约方法考察数据组中序列的多重比对结果,优化出的进化树能够利用最 少的离散步骤去解释多重比对中的碱基差异。 距离方阵方法简单的计算两个序列的差异数量.这个数量被看作进化距离,而其准确大小 依赖于进化模型的选择.然后运行一个聚类算法,从最相似（也就是说,两者之间的距离最短） 的序列开始,通过距离值方阵计算出实际的进化树,或者通过将总的树枝长度最小化而优化出 进化树.用最大节约方法搜索进化树的原理是要求用最小的改变来解释所要研究的分类群之 间的观察到的差异.最大似然方法评估所选定的进化模型能够产生实际观察到的数据的可能 性.进化模型可能只是简单地假定所有核苷酸（或者氨基酸）之间相互转变的概率一样.程序 会把所有可能的核苷酸轮流置于进化树的内部节点上,并且计算每一个这样的序列产生实际 数据的可能性（如果两个姐妹分类群都有核苷酸“A”,