第六章 遗传与进化

◇ 最早的细胞迅速进化成三界：细菌、
古菌（archaea）和真核生物
人类的起源与进化
• 人类35亿年前从灵长类进化而来
• Wilson 及其同事通过比较来自不同地区的女人（如非 洲的美国人, 亚洲人，新几内亚人，澳大利亚人等）的 mtDNA序列，提出现代人于200000年前起源于非洲。
2、基因组的进化 （1） DNA变化是基因组进化的基础
4. 自然选择 基本含义：带有某些基因产物的个体比另一些 具有更多的后代。这些基因在下一代 中得到了增加。通过自然选择对生存 和繁殖有利的性状逐代增加。生物以 这种方式来适应它们的环境。 自然选择的本质是基因型的差别复制。
适合度（fitness，w）： 群体中一个个体相对于其他个体存活并 传递其基因到下一代的能力。适合度具有两 个基本成分：存活力（viability）和生殖成 功（reproductive success）。 群体遗传学通常指定：适合度=1时，此 种基因型产生的后代最多。例如： 选择系数（selection coefficient，s）： 在选择的作用下降低的适合度。 s = 1- w 例如：
◇ 真正中性的突变不受自然选择的影响，通过遗传漂变 维持在群体中或被淘汰。 ◇ 负选择（negative selection）淘汰群体中有害的突变。 ◇一些对生物有利的极稀有的突变通过正选择（positive selection）增加等位基因频率，并固定在群体中。
（2） 新基因的获得
一般认为有两条途径 基因倍增和趋异 基因组的倍增 2n
DDT对蚊子（A.aegypti）群体中基因型频率的影响
抗性基因R为显性突变，S为野生型易感等位基因， 对杂合子SR有利的选择使群体中R等位基因频率迅速 增加。 1964年，在泰国的曼谷喷洒DDT控制蚊虫，一年 内，蚊虫群体中出现DDT抗性基因型，频率迅速增加， 至1967年，RR基因型频率接近100%。
物种间的基因转移 • 微生物中 • 植物中 • 动物中
转 座 引 起 的 基 因 转 移
（3）非编码序列与基因组进化
•人类中有98%的ＤＮＡ是非编码序列。没
有选择压力，基因组积累了大量的变异。
•非编码序列有未知的功能
玉米中转座因子MITE序列:在225kb中有 33个重复，在基因两侧。原来认为是没有生 物功能的序列，现发现它与ＤＮＡ复制和调 控有关。
◇TB细菌抗性的进化
杀虫剂（pesticide）抗性的进化
许多农业害虫对杀虫剂抗性的进化方式类 似于感染性细菌对抗菌素的进化方式。昆虫 对昆虫杀虫剂（insecticide）抗性的选择和迅 速进化方式了解最清楚。
• 节肢动物门对DDT抗性的增加：抗性始于1908年， 1940年开始喷洒DDT，到1984年已报道了450个以上 的昆虫抗性种
四、基因组的起源与进化
1、生命的起源与进化
生命的起源的推测 ◇ 生命历程的第一步，必须有能自我复制
的replicator 分子 ◇ 核酶（ribozyme）的发现推测RNA是最 初的replicator
◇ RNA world
◇ 47亿年前最早的生物－－现有细胞的前 体出现。
生物进化的历程
◇ 化石记录 指出, 至今所 发现的确切的 细胞于35亿年 前出现在澳大 利亚。
4n
复制增加基因组的大小
基因的倍增
基因的不等交换
功能域或外显子洗牌（exon suffling）
由不同基因中编码不同结构域的片段彼此 连接形成全新编码顺序，称为外显子洗牌。
例如：组织纤维蛋白溶原酶（TPA）， 作用是促使血液中凝血块的分解。 由组织纤维蛋白溶原酶原激活因子；血 纤维蛋白酶原；生长因子等外显子共同组成。
突变和选择对a基因的作用达到平衡时：sq2=u q2=u/s
•人类全色盲是常染色体隐性遗传，约80000
人中有1个患者，患者的生存率（f)是0.5, 计算 平衡时的突变率。
q2=1/80000, s=1-f=0.5 u=sq2 =1/80000 X 0.5 =0.6 x 10-6
人类活动对病原体及作物害虫进化的影响
分子种系发生树的应用实例
• •
HIV从牙科医生到他的病人的传递
尼安德诗人（Homo neanderthals）与现代 人的关系
•
线粒体的起源
pq S ;S2 2N
2
(2) 遗传漂变的原因
a. 奠基者效应： Dunkers b. 小群体 c. 瓶颈效应 (3) 遗传漂变的效应
3. 迁移 生物个体从一个群体转入另一个群体的 过程。 基因流（gene flow): 生物或其配子迁移时 将它们的基因贡献给受纳群体的基因库， 这一过程叫基因流。 基因流的作用： （1）将新的等位基因导入到群体中。 （2）当迁入动物的基因频率和受纳群体不同 时。基因流改变了受纳群体等位基因的频 率。
第六章 遗传与进化
基本概念 群体遗传学（population genetics), 基因库（gene pool) 基因频率(allele frequency) 基因型频率(genetype frequency) 孟德尔式群体(Mendelian population) 群体的基因结构 一、基因型频率和基因频率
平衡群体的鉴定
•
1. 2. 3.
AA 0.5 0.4 0.25
Aa / 0.2 0.5
aa 0.5 0.4 0.25
是否平衡 +
三、影响群体遗传平衡的主要原因 1、基因突变
设初始频率为：a=q；A=1-q， 突变率：A→正突变→a（u）；a→回复突变→A（v） 每代中有（1-q）u的A→a qv的a→A 当（1- q） u ＞qv，a的频率增加 （1- q） u ＜qv，A的频率增加 处于平衡时：
1-sp(2-p)
选择一代后p的改变: (p-sp)/[(1-sp(2-p) ] - p = -sp(1-p)2/1-sp(2-p)
突0=-sq2(1-q)/1-sq2
当q很小时，1-sq2近似等于1。
当选择对纯合隐性个体不利时，a基因的频率q每代减少sq2(1-q) 新产生的隐性突变基因(Aa)的频率 pu=u(1-q)
二、Hardy-Weinberg定律 当一个群体符合下述条件：群体无限大；每个个 体随机交配；没有突变；没有任何形式的选择压力， 则：此群体中的基因频率和基因型频率可维持世代 不变。简言之，在没有进化影响下，基因一代一代 传递时，群体的基因频率和基因型频率将保持不变。 1、特点 （1）理想群体 （2） Hardy-Weinberg平衡 平衡群体：符合Hardy-Weinberg定律的群体。
设有一个大群体A，每代有部分（m）个体从B迁 入，某一等位基因在A群体中的频率为qo，B群体中为 qm，则混合后的群体A基因频率为
q1 mqm 1 mq 0 mq m q 0 q 0 Δq1 q1 q 0 mq m q 0
◆ 迁移对ABO血型基因座B等位基因的影响，其频 率呈从东向西的梯度，亚洲中部最高，西班牙中西部 最低
选择对基因频率的作用：
选择对纯合隐性个体不利时基因频率的改变
AA Aa aa 合计 a频率
初始频率
适合度 选择后频率
P2
1 P2
2pq
1 2pq
q2
1- s q2(1-s)
1
1-sq2
q0=q
相对频率
P2
2pq
q2(1-s)
1-sq2
1
q1=q(1-sq)
1-sq2
1-sq2 1-sq2
a频率的改变q1-q0=-sq2(1-q)/1-sq2
1 qu qv
u q uv v p uv
2、遗传漂变（genetics drift) 在小群体中，由于样本的机误（chance errors) 导致群体基因频率的随机改变，称为遗传漂变。 （1）遗传漂变的量度 有效群体大小的计算 若两性的数目相等。 若雌雄数目不等 4×Nf ×Nm Ne = Nf +Nm
选择对显性个体不利时基因A频率p的改变
AA 初始频率 适合度 P2 1-s Aa 2pq 1-s 2pq(1-s) 1-sp(2-p) aa q2 1 q2 q
2
合计 1
A频率 p0
选择后频率 P2(1-s) 2pq(1-s) 相对频率 p2(1-s) 1-sp(2-p)
1-sp(2-p) p - sp 1-sp(2-p)
•自私DNA: 本身没有功能，进化中处于中
性，只是伴随编码DNA复制并遗传。
•内含子起源：GT－AG真核中的内含子，细
菌中没有。晚起源与早起源学说
五 、分子种系发生遗传学 1、利用基因组间遗传差异构建分子种系发生树
◇ 分子钟（molecular clock）：分子进化过程中，特定的分子 （核苷酸或蛋白质）在所有谱系中的变化速率是恒定的。分子钟 是构建分子种系发生树的理论基础。 ◇ 分子种系发生树（molecular phylogenetic tree）：同源基因 或蛋白质之间的关系的图解。如人的血红蛋白基因的种系发生树。 ◇ 分子种系发生树的构建 利用遗传学数据构建种系发生树的方法很多，如Maximum Parsimony法、Maximum likelihood法和UPGMA法等，均有相关 软件。
抗性的生物学代价（biological costs）
◇ RR基因型的增加，DDT不能再控制蚊虫； 停止喷洒DDT，R等位基因频率迅速减少，1970 年，RR基因型几乎消失，可见RR基因型的适合度 低于SS基因型，即纯合抗性基因型对个体付出了 适合度代价（fitness costs） ◇ 大鼠群体在施用Warfarin时，三种基因型的 相对频率为：0.37（SS），1.0（SR），0.68 （RR）；没有施用Warfarin时，RR的适合度低于 SS。 ◇ 适合度代价是未用杀虫剂前抗性等位基因出 现的频率很低，甚至不能检测到的主要原因。