9 分子進(jìn)化ppt課件

1、1,第九章 分子進(jìn)化 Molecular evolution,2,分子進(jìn)化與分子系統(tǒng)學(xué),一、分子進(jìn)化定義 二、生物大分子進(jìn)化的特點(diǎn) 三、分子進(jìn)化的中性理論 四、分子鐘 五、進(jìn)化的分子鐘 六、分子系統(tǒng)學(xué) 七、古分子系統(tǒng)（生物）學(xué),3,一、分子進(jìn)化定義,生物在發(fā)展的過程中，生物大分子結(jié)構(gòu)的變化以及這些變化和生物進(jìn)化的關(guān)系稱為分子進(jìn)化。 廣義的分子進(jìn)化的兩重含義： （1）原始生命出現(xiàn)以前的化學(xué)演化 （2）生物在進(jìn)化發(fā)展中，生物大分子的結(jié)構(gòu)變化以及這種變化和生物進(jìn)化的關(guān)系等。,4,意義：通過比較不同生物的同源的蛋白質(zhì)或者核酸的序列變化，來推斷生物大分子的進(jìn)化速率，為生物進(jìn)化提供一個(gè)時(shí)間表。 生物進(jìn)化過

2、程中生物大分子的演變現(xiàn)象，主要包括蛋白質(zhì)分子的演變、核酸分子的演變和遺傳密碼的演變。,5,（1）蛋白質(zhì)分子的演變 例：對脊椎動(dòng)物肌紅蛋白（Mb）和血紅蛋白（Hb）分子演變的研究。 在無頜類脊椎動(dòng)物（如七鰓鰻），運(yùn)輸O2的球蛋白只有Mb，而在絕大多數(shù)脊椎動(dòng)物中，運(yùn)輸O2的球蛋白有Mb和Hb。,6,Mb由一條多肽鏈組成，含有153個(gè)氨基酸殘基。 已知鯨的Mb與人的各種Hb之間有115121個(gè)（約占80）氨基酸殘基的差異，這表明Mb和Hb和祖先分子在很早以前就通過基因重復(fù)和隨后的基因突變而開始分歧了。,7,成人血紅蛋白（Hb-A）由兩條鏈和兩條鏈組成，（即22），鏈含141個(gè)氨基酸殘基，鏈含146個(gè)

3、氨基酸殘基。 此外，還有胎兒血紅蛋白（Hb-F，22）；成人（少量）血紅蛋白（Hb-A，22）等。 共有6種不同的肽鏈組合成人類的6種不同的血紅蛋白。,8,9,在人的各種Hb多肽鏈之間，差異最大的是鏈跟鏈、鏈、鏈，有8489個(gè)（約占60）氨基酸殘基的差異；其次是鏈跟鏈，有39個(gè)（約占27）氨基酸殘基的差異；最小的是鏈跟鏈，只有10個(gè)（約占7）氨基酸殘基的差異。 表明Hb的祖先基因，首先通過基因重復(fù)和基因突變分化出基因和基因，然后從基因分化出基因，最后才分化出基因。,10,已知：Hb分子大約每600萬年有1/100的氨基酸殘基發(fā)生變化（M. O. Dayhoff）。 （1）Mb跟Hb的分歧時(shí)間約

4、發(fā)生在4.8億年前 （2） Hb的鏈跟鏈的分歧時(shí)間在3.6億年 （3） 鏈跟鏈的分歧時(shí)間在1.6億年前 （4） 鏈跟鏈的分歧時(shí)間在420萬年前,11,12,在人體不同發(fā)育階段，各種血紅蛋白先后出現(xiàn)。 在胚胎發(fā)育早期先合成鏈和鏈，大約同時(shí)或稍后開始合成鏈和鏈。 到胚胎發(fā)育到第8周，鏈和鏈逐漸消失，鏈合成達(dá)到高峰，而且開始合成鏈，36周以后鏈合成速率增高，鏈合成速率降低。出生后不久大約合成等量的鏈和鏈。 生后3個(gè)月后鏈合成迅速增高，鏈合成迅速降低。,13,14,The globin family of proteins evolved via gene duplication,15,Margare

5、t Oakley Dayhoff (1925-1983),16,（2）核酸的進(jìn)化 就量的方面看，在生物進(jìn)化過程中，從低級到高級，基因的數(shù)量是逐漸增加的，因此，細(xì)胞中的DNA含量也逐漸增加，這是總的趨勢。 例外，如肺魚和某些兩棲類細(xì)胞中的DNA含量就比鳥類和哺乳類的高出很多，主要原因是由于出現(xiàn)了多倍化，或重復(fù)序列及內(nèi)含子的大量增加。,17,18,19,（3）遺傳密碼的進(jìn)化 70年代末發(fā)現(xiàn)了線粒體的特殊密碼，啟發(fā)人們認(rèn)識(shí)到遺傳密碼也是經(jīng)歷了變化的?，F(xiàn)在大家都公認(rèn)，遺傳密碼從一開始就是“三體密碼”。據(jù)戴霍夫的推測，在化學(xué)進(jìn)化和生物進(jìn)化過程中，遺傳密碼經(jīng)歷了GNCGNYRNYRNNNNN 5個(gè)階段的變

6、化。,20,G、C分別代表鳥嘌呤和胞嘧啶，N可以是G、C、A、U中任何一種堿基；Y=C或U；R=G或A。 最初，密碼的通式是GNC，可形成GGC、GCC、GAC、GUC4種密碼子，分別決定甘、丙、天冬和纈4種氨基酸。,21,隨著化學(xué)進(jìn)化中氨基酸種類的增加，遺傳密碼也由GNC擴(kuò)展為GNY。這種擴(kuò)展雖仍決定4種氨基酸，但已增加了信息RNA突變的可能性，對原始生命體的進(jìn)化有利。 以后又由GNY擴(kuò)展為RNY，這樣翻譯出來的蛋白質(zhì)便可含多達(dá)8種氨基酸。,22,接著再由RNY擴(kuò)展為RNN，可決定13種氨基酸參與蛋白質(zhì)合成，而且出現(xiàn)了起始密碼AUA。 最后，由RNN擴(kuò)展為NNN，使參加蛋白質(zhì)的氨基酸增加到2

7、0種，側(cè)基復(fù)雜的氨基酸如苯丙氨酸、酪氨酸、半胱氨酸、色氨酸、精氨酸、組氨酸、脯氨酸等都是在這次擴(kuò)展中出現(xiàn)的，同時(shí)還出現(xiàn)了三個(gè)無義密碼，充當(dāng)肽鏈合成中的終止信號(hào)，構(gòu)成現(xiàn)在的遺傳密碼表。,23,GNCGNYRNYRNNNNN GNC, GNY階段，僅第二位堿基決定氨基酸種類，實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于單體密碼子。 RNY密碼中第一位和第二位堿基共同決定氨基酸種類，相當(dāng)于二體密碼。 RNN, NNN密碼中，三位堿基都不同程度決定氨基酸種類，成為三體密碼。,24,25,26,二、生物大分子進(jìn)化的特點(diǎn),在生物大分子這個(gè)層次上考查進(jìn)化，可以看到一個(gè)很不同于表型進(jìn)化的歷程。生物大分子進(jìn)化有如下特點(diǎn)： （一）分子進(jìn)化速率的

8、恒定性 （二）分子進(jìn)化的保守性 （三）新基因常來源于原有基因的重復(fù) （四）有害突變的選擇清除和中性突變的固定,27,（一）分子進(jìn)化速率的恒定性 分子進(jìn)化速率的恒定性是指核酸或者蛋白質(zhì)等生物大分子在進(jìn)化的過程中堿基或者氨基酸發(fā)生替換的頻度，它是測定生物大分子進(jìn)化快慢的尺度，時(shí)間以年為單位。,28,不同物種同類型（同源）的核酸和蛋白質(zhì)大分子，被認(rèn)為有著相同的起源。研究這些大分子一級結(jié)構(gòu)的改變，檢測出不同物種間大分子序列中的核苷酸或氨基酸的替換數(shù)，再結(jié)合地質(zhì)學(xué)上有關(guān)化石方面的數(shù)據(jù)，就可以確定生物大分子隨時(shí)間而改變的速度，即分子進(jìn)化速率。,29,經(jīng)木村資生（Kimura，1989）的總結(jié)，根據(jù)各個(gè)不同

9、對物種計(jì)算出來的同源生物大分子的分子進(jìn)化速率，大致相等。 分子進(jìn)化速率遠(yuǎn)比表型進(jìn)化速率穩(wěn)定。一些研究還表明，生物大分子的一級結(jié)構(gòu)的改變（替換）只和進(jìn)化所經(jīng)歷的時(shí)間相關(guān)，而與表型進(jìn)化速率無關(guān)。,30,木村資生根據(jù)自己的研究，提出10的9 次方是分子進(jìn)化的標(biāo)準(zhǔn)速率，將每年、每個(gè)氨基酸位點(diǎn)的110的9次方的進(jìn)化速率定為分子進(jìn)化的單位，稱 1 Pauling。 分子進(jìn)化的恒定性并不是說所有的分子進(jìn)化速度完全相同。,31,32,（二）分子進(jìn)化的保守性 生物分子進(jìn)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，在進(jìn)化速率上明顯低于那些功能上不重要的大分子或大分子的局部。 換句話說，那些會(huì)引起

10、現(xiàn)有表型發(fā)生顯著改變的突變（替換），其發(fā)生的頻率要比那些無明顯表型效應(yīng)的突變（替換）發(fā)生的頻率低。,33,分子的功能和結(jié)構(gòu)的重要性與進(jìn)化速率呈負(fù)相關(guān)。 不同DNA片段和蛋白質(zhì)分子或同一片段和同一分子的不同區(qū)域在同一物種中進(jìn)化速率有差異，一般功能較重要的片段或分子的進(jìn)化速率比功能不重要的片段或分子的進(jìn)化速率低。 在核酸分子中，堿基在密碼子中的位置，以及RNA的二、三級結(jié)構(gòu)均能影響堿基的替換型式和替換速率。蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)也會(huì)獨(dú)立地或與DNA相互作用的方式影響編碼蛋白質(zhì)基因的進(jìn)化模式和速率。,34,不破壞分子的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)和功能的突變發(fā)生的頻率較高。 例如，基因的內(nèi)含子、假基因、衛(wèi)星DNA等的替換速率

11、遠(yuǎn)高于基因的外顯子；密碼子第三位堿基的替換率遠(yuǎn)高于第一、二位堿基。 3 1 2,35,（三）新基因常來源于原有基因的重復(fù)。 基因重復(fù)在生物進(jìn)化和新基因產(chǎn)生中起創(chuàng)造性的作用。同一基因存在著兩個(gè)拷貝，使一個(gè)拷貝可積累突變并最終以一個(gè)新基因的姿態(tài)出現(xiàn)，而另一個(gè)拷貝則保留物種在過渡時(shí)期生存所需的老功能。,36,（四）有害突變的選擇清除和中性突變的固定 在分子水平上，明顯有害突變型的選擇清除，中性或輕微有害突變的隨機(jī)固定比明顯有利突變型的正達(dá)爾文選擇更頻繁發(fā)生。這是表型進(jìn)化與分子進(jìn)化的最大區(qū)別。,37,三、分子進(jìn)化的中性理論,基于對蛋白質(zhì)和核酸分子的進(jìn)化改變的比較研究，Kimura (1968)、Kin

12、g & Jukes (1969)、Kimura & Ohta (1971) 等提出了一個(gè)被稱為“分子進(jìn)化中性論” 的理論，用以解釋分子層次上的非達(dá)爾文式進(jìn)化現(xiàn)象。 The neutral theory of molecular evolution nonDarwinian evolution in molecular level,38,Motoo Kimura,39,分子進(jìn)化的中性理論學(xué)說的要點(diǎn)為： （1）分子水平上種內(nèi)遺傳變異的大部分是中性的，分子進(jìn)化的主角是中性突變。 上述這種遺傳變異不影響核酸和蛋白質(zhì)的功能，對個(gè)體生存既無害也無利，選擇對它們沒有作用。,40,因此，種內(nèi)多態(tài)性等位基因是通

13、過突變和遺傳漂變固定之間的平衡而維持的。 中性遺傳變異包括同義突變、同功能突變和非功能性突變等發(fā)生在遺傳物質(zhì)內(nèi)部的多種變化。,41,（2）分子水平上的生物進(jìn)化主要是選擇中性、或近于中性的突變基因隨機(jī)固定的結(jié)果。 由于沒有選擇的壓力，帶有突變的中性基因在基因庫中隨機(jī)漂動(dòng)，并通過遺傳漂變在群體中固定和傳播，從而推動(dòng)生物進(jìn)化。 所以生物進(jìn)化是隨機(jī)的和偶然的。,42,（3）生物進(jìn)化的速率是由分子本身的突變率來決定的。 由于突變率即核苷酸替換速率或氨基酸取代速率，不受選擇壓力的影響，所以分子進(jìn)化與環(huán)境無關(guān)。,43,分子進(jìn)化中性論的主要論據(jù)： （1）分子層次上的變異絕大多數(shù)在選擇上是中性的。 在生物的基因

14、組中，非編碼的DNA占絕大部分；同義突變和無義突變等啞突變占有相當(dāng)?shù)谋壤?；種群內(nèi)的遺傳多態(tài)性普遍存在，生物大分子的多態(tài)性尤其常見。,44,（2）大量的研究結(jié)果表明，蛋白質(zhì)和核酸的分子進(jìn)化速率相當(dāng)高而且相對恒定。并且生物大分子的一級結(jié)構(gòu)的改變（替換）只和進(jìn)化所經(jīng)歷的時(shí)間相關(guān)，而與表型進(jìn)化速率無關(guān)。 （3）越來越多的研究結(jié)果表明，突變壓在生物大分子進(jìn)化中起著重要作用。,45,（4）如果種內(nèi)變異大多數(shù)不是在選擇上是中性的，那么按所測定的基因突變頻率和種群遺傳學(xué)公式計(jì)算出的在負(fù)選擇情況下的選擇負(fù)荷是太大了，必須發(fā)生超量生殖才能維持種群原來的大小和實(shí)現(xiàn)種群的進(jìn)化，這不符合實(shí)際情況。,46,分子進(jìn)化中性理

15、論的意義： 分子進(jìn)化中性理論揭示了分子進(jìn)化的基本規(guī)律，是解釋生物大分子進(jìn)化現(xiàn)象的重要理論。 分子進(jìn)化中性理論強(qiáng)調(diào)遺傳漂變和突變壓在分子進(jìn)化中的作用，是對綜合進(jìn)化論的重要補(bǔ)充和修正。,47,中性理論承認(rèn)自然選擇在表型進(jìn)化中的作用，同時(shí)又強(qiáng)調(diào)分子層次上進(jìn)化現(xiàn)象的特殊性。 但中性理論學(xué)說并不反對自然選擇學(xué)說，對于那些破壞分子結(jié)構(gòu)和功能的突變或影響表型的突變?nèi)匀皇茏匀贿x擇的強(qiáng)烈影響。,48,四、分子鐘,1962年，祖卡坎德爾（Zuckerkandl）和鮑林（Pauling）在對比了來源于不同生物系統(tǒng)的同一血紅蛋白分子的氨基酸排列順序之后，發(fā)現(xiàn)其中的氨基酸隨著時(shí)間的推移而以幾乎一定的比例相互量換著，即氨

16、基酸在單位時(shí)間以同樣的速度進(jìn)行置換。,49,后來，對若干代表性蛋白質(zhì)的分析，以及近年來又通過直接對比基因的堿基排列順序，證實(shí)了分子進(jìn)化速度的恒定性大致成立，并由中立說在理論上奠定了基礎(chǔ)。這便是“分子鐘”名稱的由來。 分子鐘：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,

17、1960 Emile Zuckerkandl, Richard T. Jones, and Linus Pauling,52,分子鐘提供了在分子水平分析系統(tǒng)進(jìn)化的手段： 例子1：費(fèi)奇（Fitch）和馬戈利來希（Margoriash）使用細(xì)胞色素C的氨基酸序列，再現(xiàn)了動(dòng)植物和菌類的進(jìn)化歷程。 例子2：沙里奇（Sarih）和威爾遜（Wilson）用分子鐘研究靈長類進(jìn)化，否定了拉瑪古猿是人類直接祖先，表明了人類的出現(xiàn)比原先人們一直相信的年代晚得多。,53,54,利用分子鐘繪制系統(tǒng)樹比依據(jù)化石方法有如下優(yōu)點(diǎn)： 第一，只要比較“現(xiàn)存”生物基因或蛋白質(zhì)的氨基酸排列順序即可繪出系統(tǒng)樹，僅僅在確定分子鐘的走速

18、、量度時(shí)間才需要化石資料。 第二，與收集化石相比，工作要簡單得多。特別是近來已能輕而易舉地確定基因的堿基排列順序，這一優(yōu)點(diǎn)就更為突出。 第三，客觀而且定量，具有再現(xiàn)性。,55,必須注意：分子進(jìn)化速度的恒定性是在整個(gè)漫長的進(jìn)化過程后平均得出的結(jié)論。 就一種蛋白質(zhì)來講，在整個(gè)進(jìn)化過程中，進(jìn)化速度大體恒定；但是不同的蛋白質(zhì)的種類，速度就會(huì)由于作用于各種蛋白質(zhì)的機(jī)能性制約，差異程度大不相同。 例如，在屬于進(jìn)化最快一類的纖維蛋白肽與進(jìn)化非常緩慢的組蛋白之間，速度上就有兩位數(shù)的差異。,56,一般情況下，蛋白質(zhì)進(jìn)化緩慢，因而適于研究遠(yuǎn)緣種間的系統(tǒng)關(guān)系，而DNA的分子鐘速度快，適宜分析近緣種間的進(jìn)化。 DNA

19、分子鐘研究速度均一，不因基因而異，所以只要知道平均值就可以適用于任何基因（！？）；另外還可以疊合由不同基因獲得的結(jié)果。因此，為了繪出正確的生物進(jìn)化系統(tǒng)樹，還需要在大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行考察。,57,五、進(jìn)化的分子鐘,所謂進(jìn)化的分子鐘，是指將分子系統(tǒng)學(xué)研究與古生物學(xué)資料相結(jié)合而建立起來的用于推論生命史上進(jìn)化事件發(fā)生的時(shí)間表。 由于分子進(jìn)化速率是相對恒定的，分子進(jìn)化改變量（替換數(shù)或替換百分率）與分子進(jìn)化時(shí)間成正比，因此可根據(jù)此獲得分子進(jìn)化改變量進(jìn)化時(shí)間的對應(yīng)曲線，進(jìn)而推知進(jìn)化事件發(fā)生時(shí)間。,58,建立分子鐘的步驟 選擇所要比較的生物大分子種類：根據(jù)具體的研究目的和已掌握的資料，選擇進(jìn)化速率相對恒定、

20、速率大小合適、在要比較的所有物種中都存在的生物大分子。 選擇所要比較的物種，確定各個(gè)比較組合及其所代表的進(jìn)化事件。 獲得要比較的物種的生物大分子一級結(jié)構(gòu)信息；從古生物學(xué)和地質(zhì)年代學(xué)資料中獲得每一個(gè)比較組合所代表的進(jìn)化事件發(fā)生的地質(zhì)時(shí)間的數(shù)據(jù)。 以大分子一級結(jié)構(gòu)的差異量為縱坐標(biāo)，以地質(zhì)時(shí)間為橫坐標(biāo)，將上述各個(gè)比較組合的大分子差異量和所代表的進(jìn)化事件發(fā)生時(shí)間對應(yīng)地標(biāo)在坐標(biāo)中，并通過統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法建立一條相關(guān)的曲線（或直線），這就是大分子進(jìn)化速率曲線（或直線）。 利用大分子進(jìn)化速率曲線，可以推斷未知的進(jìn)化事件發(fā)生的大致時(shí)間。,59,六、分子系統(tǒng)學(xué),分子系統(tǒng)學(xué)是研究生物大分子進(jìn)化歷史的科學(xué)，也是研究物

21、種演化歷史的科學(xué)。 通過比較序列間差異來模擬物種的系統(tǒng)發(fā)生是分子系統(tǒng)學(xué)（Molecular Phylogenetic Evolution）的主要研究內(nèi)容。,60,（一）分子系統(tǒng)樹的構(gòu)建方法 （1） 獲得生物大分子的差異數(shù)據(jù) （2） 比較各物種之間同源大分子的差異 （3） 選擇合適的算法利用軟件構(gòu)建分子系統(tǒng)樹,61,注意： 構(gòu)建分子系統(tǒng)樹時(shí)，既要選擇適宜的不同種類的生物，也要選擇不同類型的生物大分子。 PCR技術(shù)的出現(xiàn)和廣泛使用為分子系統(tǒng)學(xué)的研究提供了變利條件。近年來測序技術(shù)的發(fā)展使分子系統(tǒng)學(xué)的研究突飛猛進(jìn)。,62,（二）基于不同數(shù)據(jù)的分子系統(tǒng)研究 （1）氨基酸序列與種系發(fā)生 檢測蛋白質(zhì)氨基酸序

22、列，是研究分子進(jìn)化的一個(gè)基本方法?？梢员容^不同物種中相同種類的蛋白質(zhì)的氨基酸序列，以研究不同物種間的分子進(jìn)化。,63,檢測氨基酸序列有兩種方法：（1）通過是氨基 序列自動(dòng)化分析儀器檢序列 ；（2）先分析DNA分子的核苷酸序列，然后再測出它所編碼的蛋白質(zhì)的氨基酸序列。 在蛋白質(zhì)進(jìn)化方面，研究最多的是細(xì)胞色素c和血紅蛋白。,64,（2） DNA序列與種系發(fā)生 隨著DNA測序技術(shù)的提高和普及，目前可以直接測定、比較物種間DNA核苷酸序列來確定物種分化時(shí)間。 目前已經(jīng)發(fā)展出距離法、似然法、簡約法、貝葉斯等途徑來分析序列間的演化過程。,65,（3）分子雜交與種系發(fā)生 測定不同物種間DNA分子的差異，還可用分子雜交的方法。通過同源反應(yīng)（Homologous reaction）和異源反應(yīng)（Heterologous reaction）之間熱穩(wěn)定性(Tm )差異的大小(Tm ) ，可以反映兩個(gè)物種的核苷酸序列分歧的大小。,66,七、古分子系統(tǒng)與古分子生物學(xué),（一）古分子系統(tǒng)學(xué) 古分子系統(tǒng)學(xué)是對古生物大分子進(jìn)行系統(tǒng)研究的科學(xué)，涉及古蛋白質(zhì)分子和古DNA的研究。 （1）古蛋白質(zhì)的研究 （2）古DNA的研究,67,（二）古分子生物學(xué)（molecular paleontol