9 分子進化ppt課件

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

2、程中生物大分子的演變現(xiàn)象，主要包括蛋白質分子的演變、核酸分子的演變和遺傳密碼的演變。,5,（1）蛋白質分子的演變 例：對脊椎動物肌紅蛋白（Mb）和血紅蛋白（Hb）分子演變的研究。 在無頜類脊椎動物（如七鰓鰻），運輸O2的球蛋白只有Mb，而在絕大多數(shù)脊椎動物中，運輸O2的球蛋白有Mb和Hb。,6,Mb由一條多肽鏈組成，含有153個氨基酸殘基。 已知鯨的Mb與人的各種Hb之間有115121個（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個氨基酸殘基，鏈含146個

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（約占60）氨基酸殘基的差異；其次是鏈跟鏈，有39個（約占27）氨基酸殘基的差異；最小的是鏈跟鏈，只有10個（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的分歧時間約

4、發(fā)生在4.8億年前 （2） Hb的鏈跟鏈的分歧時間在3.6億年 （3） 鏈跟鏈的分歧時間在1.6億年前 （4） 鏈跟鏈的分歧時間在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）核酸的進化 就量的方面看，在生物進化過程中，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，或重復序列及內(nèi)含子的大量增加。,17,18,19,（3）遺傳密碼的進化 70年代末發(fā)現(xiàn)了線粒體的特殊密碼，啟發(fā)人們認識到遺傳密碼也是經(jīng)歷了變化的?，F(xiàn)在大家都公認，遺傳密碼從一開始就是“三體密碼”。據(jù)戴霍夫的推測，在化學進化和生物進化過程中，遺傳密碼經(jīng)歷了GNCGNYRNYRNNNNN 5個階段的變

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,隨著化學進化中氨基酸種類的增加，遺傳密碼也由GNC擴展為GNY。這種擴展雖仍決定4種氨基酸，但已增加了信息RNA突變的可能性，對原始生命體的進化有利。 以后又由GNY擴展為RNY，這樣翻譯出來的蛋白質便可含多達8種氨基酸。,22,接著再由RNY擴展為RNN，可決定13種氨基酸參與蛋白質合成，而且出現(xiàn)了起始密碼AUA。 最后，由RNN擴展為NNN，使參加蛋白質的氨基酸增加到2

7、0種，側基復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展中出現(xiàn)的，同時還出現(xiàn)了三個無義密碼，充當肽鏈合成中的終止信號，構成現(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，實質上相當于單體密碼子。 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、生物大分子進化的特點,在生物大分子這個層次上考查進化，可以看到一個很不同于表型進化的歷程。生物大分子進化有如下特點： （一）分子進化速率的

8、恒定性 （二）分子進化的保守性 （三）新基因常來源于原有基因的重復 （四）有害突變的選擇清除和中性突變的固定,27,（一）分子進化速率的恒定性 分子進化速率的恒定性是指核酸或者蛋白質等生物大分子在進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化快慢的尺度，時間以年為單位。,28,不同物種同類型（同源）的核酸和蛋白質大分子，被認為有著相同的起源。研究這些大分子一級結構的改變，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)，再結合地質學上有關化石方面的數(shù)據(jù)，就可以確定生物大分子隨時間而改變的速度，即分子進化速率。,29,經(jīng)木村資生（Kimura，1989）的總結，根據(jù)各個不同

9、對物種計算出來的同源生物大分子的分子進化速率，大致相等。 分子進化速率遠比表型進化速率穩(wěn)定。一些研究還表明，生物大分子的一級結構的改變（替換）只和進化所經(jīng)歷的時間相關，而與表型進化速率無關。,30,木村資生根據(jù)自己的研究，提出10的9 次方是分子進化的標準速率，將每年、每個氨基酸位點的110的9次方的進化速率定為分子進化的單位，稱 1 Pauling。 分子進化的恒定性并不是說所有的分子進化速度完全相同。,31,32,（二）分子進化的保守性 生物分子進化的“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的突變（替換）發(fā)生的頻率低。,33,分子的功能和結構的重要性與進化速率呈負相關。 不同DNA片段和蛋白質分子或同一片段和同一分子的不同區(qū)域在同一物種中進化速率有差異，一般功能較重要的片段或分子的進化速率比功能不重要的片段或分子的進化速率低。 在核酸分子中，堿基在密碼子中的位置，以及RNA的二、三級結構均能影響堿基的替換型式和替換速率。蛋白質的高級結構也會獨立地或與DNA相互作用的方式影響編碼蛋白質基因的進化模式和速率。,34,不破壞分子的現(xiàn)有結構和功能的突變發(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、遠高于基因的外顯子；密碼子第三位堿基的替換率遠高于第一、二位堿基。 3 1 2,35,（三）新基因常來源于原有基因的重復。 基因重復在生物進化和新基因產(chǎn)生中起創(chuàng)造性的作用。同一基因存在著兩個拷貝，使一個拷貝可積累突變并最終以一個新基因的姿態(tài)出現(xiàn)，而另一個拷貝則保留物種在過渡時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固定比明顯有利突變型的正達爾文選擇更頻繁發(fā)生。這是表型進化與分子進化的最大區(qū)別。,37,三、分子進化的中性理論,基于對蛋白質和核酸分子的進化改變的比較研究，Kimura (1968)、Kin

12、g & Jukes (1969)、Kimura & Ohta (1971) 等提出了一個被稱為“分子進化中性論” 的理論，用以解釋分子層次上的非達爾文式進化現(xiàn)象。 The neutral theory of molecular evolution nonDarwinian evolution in molecular level,38,Motoo Kimura,39,分子進化的中性理論學說的要點為： （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的功能，對個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)生在遺傳物質內(nèi)部的多種變化。,41,（2）分子水平上的生物進化主要是選擇中性、或近于中性的突變基因隨機固定的結果。 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漂動，并通過遺傳漂變在群體中固定和傳播，從而推動生物進化。 所以生物進化是隨機的和偶然的。,42,（3）生物進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，所以分子進化與環(huán)境無關。,43,分子進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?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）大量的研究結果表明，蛋白質和核酸的分子進化速率相當高而且相對恒定。并且生物大分子的一級結構的改變（替換）只和進化所經(jīng)歷的時間相關，而與表型進化速率無關。 （3）越來越多的研究結果表明，突變壓在生物大分子進化中起著重要作用。,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公式計算出的在負選擇情況下的選擇負荷是太大了，必須發(fā)生超量生殖才能維持種群原來的大小和實現(xiàn)種群的進化，這不符合實際情況。,46,分子進化中性理

15、論的意義： 分子進化中性理論揭示了分子進化的基本規(guī)律，是解釋生物大分子進化現(xiàn)象的重要理論。 分子進化中性理論強調(diào)遺傳漂變和突變壓在分子進化中的作用，是對綜合進化論的重要補充和修正。,47,中性理論承認自然選擇在表型進化中的作用，同時又強調(diào)分子層次上進化現(xiàn)象的特殊性。 但中性理論學說并不反對自然選擇學說，對于那些破壞分子結構和功能的突變或影響表型的突變?nèi)匀皇茏匀贿x擇的強烈影響。,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、基酸在單位時間以同樣的速度進行置換。,49,后來，對若干代表性蛋白質的分析，以及近年來又通過直接對比基因的堿基排列順序，證實了分子進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。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)進化的手段： 例子1：費奇（Fitch）和馬戈利來希（Margoriash）使用細胞色素C的氨基酸序列，再現(xiàn)了動植物和菌類的進化歷程。 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： 第一，只要比較“現(xiàn)存”生物基因或蛋白質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：分子進化速度的恒定性是在整個漫長的進化過程后平均得出的結論。 就一種蛋白質來講，在整個進化過程中，進化速度大體恒定；但是不同的蛋白質的種類，速度就會由于作用于各種蛋白質的機能性制約，差異程度大不相同。 例如，在屬于進化最快一類的纖維蛋白肽與進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，蛋白質進化緩慢，因而適于研究遠緣種間的系統(tǒng)關系，而DNA的分子鐘速度快，適宜分析近緣種間的進化。 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果。因此，為了繪出正確的生物進化系統(tǒng)樹，還需要在大量數(shù)據(jù)的基礎上進行考察。,57,五、進化的分子鐘,所謂進化的分子鐘，是指將分子系統(tǒng)學研究與古生物學資料相結合而建立起來的用于推論生命史上進化事件發(fā)生的時間表。 由于分子進化速率是相對恒定的，分子進化改變量（替換數(shù)或替換百分率）與分子進化時間成正比，因此可根據(jù)此獲得分子進化改變量進化時間的對應曲線，進而推知進化事件發(fā)生時間。,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，確定各個比較組合及其所代表的進化事件。 獲得要比較的物種的生物大分子一級結構信息；從古生物學和地質年代學資料中獲得每一個比較組合所代表的進化事件發(fā)生的地質時間的數(shù)據(jù)。 以大分子一級結構的差異量為縱坐標，以地質時間為橫坐標，將上述各個比較組合的大分子差異量和所代表的進化事件發(fā)生時間對應地標在坐標中，并通過統(tǒng)計學分析方法建立一條相關的曲線（或直線），這就是大分子進化速率曲線（或直線）。 利用大分子進化速率曲線，可以推斷未知的進化事件發(fā)生的大致時間。,59,六、分子系統(tǒng)學,分子系統(tǒng)學是研究生物大分子進化歷史的科學，也是研究物

21、種演化歷史的科學。 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（Molecular Phylogenetic Evolution）的主要研究內(nèi)容。,60,（一）分子系統(tǒng)樹的構建方法 （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建分子系統(tǒng)樹,61,注意： 構建分子系統(tǒng)樹時，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技術的出現(xiàn)和廣泛使用為分子系統(tǒng)學的研究提供了變利條件。近年來測序技術的發(fā)展使分子系統(tǒng)學的研究突飛猛進。,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 檢測蛋白質氨基酸序

22、列，是研究分子進化的一個基本方法。可以比較不同物種中相同種類的蛋白質的氨基酸序列，以研究不同物種間的分子進化。,63,檢測氨基酸序列有兩種方法：（1）通過是氨基 序列自動化分析儀器檢序列 ；（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的氨基酸序列。 在蛋白質進化方面，研究最多的是細胞色素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（Homologous reaction）和異源反應（Heterologous reaction）之間熱穩(wěn)定性(Tm )差異的大小(Tm ) ，可以反映兩個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,（一）古分子系統(tǒng)學 古分子系統(tǒng)學是對古生物大分子進行系統(tǒng)研究的科學，涉及古蛋白質分子和古DNA的研究。 （1）古蛋白質的研究 （2）古DNA的研究,67,（二）古分子生物學（molecular paleontol