9九分子进化与分子改造
分子进化
9
2.3 核酸序列 二种：简单序列：结构基因的组成部分；
重复序列：包含调节基因的顺序。 序列变化：替换、插入、缺失 在不同生物中，核酸序列的差异能反映它们之间
亲缘关系的远近。 同源基因而言，亲缘关系越近，序列差异越小。 核酸序列变化的速率在同一基因中的不同区域是有
3
经历两个阶段： 60年代，蛋白质序列分析和电泳技术的引入，对不同生物
的蛋白质结构进行比较，分析它们之间的差别及差别性质。 发现特定蛋白质的氨基酸替换速度是基本恒定的。
分子钟；分子进化的中性学说 80年代，RFLP,PCR等，对不同生物的基因进行分析比较，
并对DNA序列进行比对，找出差异，以探究不同物种在进 化上的渊源与联系。基因的进化速度是稳定的。
19
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
20
4.3 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。
33
建立分子钟的步骤
⑴ 选择所要比较的生物大分子种类：根据具体的研究目的和 已掌握的资料，选择进化速率相对恒定、速率大小合适、 在要比较的所有物种中都存在的生物大分子。
⑵ 选择所要比较的物种，确定各个比较组合及其所代表的进 化事件。
⑶ 获得要比较的物种的生物大分子一级结构信息；从古生物 学和地质年代学资料中获得每一个比较组合所代表的进化 事件发生的地质时间的数据。
分子进化与基因组学综述
我看分子进化与基因组学综述自达尔文时代起，许多生物学家都有一个梦想，那便是重建地球上所有生命的进化历史并以系统树的形式描述这部历史（Haeckel 1866）。
理想的途径应该是利用化石证据，但是化石是如此的零散且不完整，致使大多数研究者转向比较形态学和比较生理学的方法。
通过后两条途径，经典进化学家已得出有机体进化历史的主要框架。
然而，形态和生理性状的进化如此复杂，以致不可能产生一幅进化历史的清晰图象。
不同学者重建的系统树在细节上几乎总是可争议的。
分子生物学的进展大大地改变了这种局面。
由于所有生物的蓝图都用DNA （在某些病毒中则用RNA）来书写，因而人们可以通过比较DNA来研究它们的进化关系。
分子途径较经典的形态学和生理学途径有如下优点。
首先，DNA仅由4种碱基组成，即：腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、胞核嘧啶（C）和鸟嘌呤（G）。
所有生物，不论是细菌、植物和动物中的DNA均由这四种碱基组成。
因而，可用它们比较所有有机体的进化关系。
这在经典进化研究方法中是不可能做到的。
其次，DNA的进化演变或多或少是有规律的，因而能用数学模型来描述其变化并可比较亲缘关系较远的生物间的DNA。
形态性状的进化演变，即使在一段较短的进化时间，也是极其复杂的。
因而，形态的系统发育研究必然会有各种各样的假设，但这些假设往往难以令人信服。
第三，所有生物的基因组都是由长长的核酸序列组成，比形态性状包含的系统发育信息要多得多。
鉴于上述原因，分子系统学有望澄清生命系统树中多处对于经典途径来说极为棘手的问题。
欲估计核苷酸替代数，必须应用核苷酸替代的数学模型。
为此，许多学者提出了不同的替代模型。
Jukes和Cantor方法一个最简单的核苷酸替代模型由Jukes和Cantor（1969）提出。
该模型假定任一位点的核苷酸替代都是以相同频率发生的，且每一位点的核苷酸每年（或以任何其他时间单位）以α概率演变为其它三种核苷酸中的一种（表3.2A）。
第四章 分子进化概述
七腮鳗（lamprey)
基因重复形成 、链
Pd
链 以灵长类为例： 人 vs 树鼩(tree shrew)：
naa = 146，daa = 26，pd = 26/146 = 0.178
Kaa = 0.196
链：（灵长类）
树鼩(tree shrew) 棕狐猴 (brown lemur) 蜘蛛猴 (spider monkey) 日本猴 (Japanese monkey)
• 功能的约束造成不同的基因突变速率不一样
• 功能重要的部分变化会影响其功能，大多数的变 化均受负选择的作用
• 功能不很重要的部分变化多，不影响功能，被随 机保留
NOTE: 其观点后来略有改变
20世纪80年代，承认正选择，只不过认为其比例较小
六. 分子进化的主要研究内容
1. 经典进化与分子进化研究的比较： （1）经典进化主要以形态特征为主：
不可能！
2. 解释：
• 存在很多选择上中性的等位基因，它们的频率由突 变率和遗传漂移（genetic drift)而定。 1968年 Kimura 提出了“中性理论” （neutral mutation – random drift） 蛋白质的多态性是由选择上中性或接近中性的等位基因 被遗传漂变随机固定的。 固定(fixation): 种群中同一代的所有个体共享一种 突变的等位基因。 中性的等位基因被固定的概率为该基因的频率
naa：所比较序列的氨基酸数目
daa：所比较两个序列中差异的氨基酸数目
pd：两个序列氨基酸相差的程度(percentage of amino
acid difference, pd = daa / naa
T：两个同源序列分歧的时间
序列一：CHSACKSCACTYSIPAKCFCTDIND-FCYEPC 序列二：CHSACKSCACTFSIPAECFCGDIDDGFCYKPC
分子进化和分子系统学（转载）
分⼦进化和分⼦系统学（转载）分⼦进化和分⼦系统学12．1 概念 分⼦进化⼀词有两层含义。
从⽣命历史看，在前⽣命的化学进化阶段（细胞⽣命出现之前），进化主要表现在分⼦层次上，即表现在⽣物分⼦的起源和进化上。
换⾔之，从时序上说，分⼦进化是⽣物进化的初始阶段。
但从另⼀⾓度来看，在细胞⽣命出现之后，进化发⽣在⽣物分⼦、细胞、组织、器官、⽣物个体、种群等各个组织层次上，分⼦进化是⽣物分⼦层次上的进化。
换⾔之，从组织层次上说，分⼦进化是⽣物组织的基础层次的进化。
我们通常所说的分⼦进化就是指后者。
前者通常被称为前⽣命的化学（分⼦）进化。
⼀般⽽⾔，对⾃然现象的认识过程是从⼈类感官所及的层次开始，逐步向微观和宏观两个⽅向扩展。
向微观领域的探索往往出于寻找“深层原因”的动机。
对进化原因和进化机制的探索，最终必然深⼊到分⼦层次。
向宏观领域探索则是相反的过程，即⽤已知的低组织层次的知识去认识和解释⾼组织层次现象。
如今，科学家们发现，不同层次的现象遵循不同的规律和不同的法则。
低层次的规律并不完全适⽤于⾼层次，⽤⾼层次的规律解释低层次现象也往往⾏不通。
因此，本章讨论的分⼦进化规律和分⼦进化的理论基本上只适⽤于分⼦进化。
12．2 ⽣物⼤分⼦进化的特点 在⽣物⼤分⼦的层次上来观察进化改变时，我们看到的是⼀个很不同于表型进化的过程。
根据分⼦进化研究的权威之⼀⽊村（Kimura，1989）的总结，分⼦进化有两个显著特点，即进化速率相对恒定和进化的保守性。
1．⽣物⼤分⼦进化速率相对恒定 如果以核酸和蛋⽩质的⼀级结构的改变，即分⼦序列中的核苷酸或氨基酸的替换数作为进化改变量的测度，进化时间以年为单位，那么⽣物⼤分⼦随时间的改变（即分⼦进化速率）就像“物理学的振荡现象”⼀样，⼏乎是恒定的。
通过⽐较不同物种同类（同源的）⼤分⼦的⼀级结构，可以计算出该类分⼦的进化速率。
对于某类蛋⽩质分⼦或某个基因（或核酸序列）来说，其分⼦进化速率可表⽰为氨基酸或核苷酸的每个位点每年的替换数，即 上式中的K是分⼦进化速率（每个氨基酸位点每年的替换数）；d是氨基酸或核苷酸替换数⽬；N是⼤分⼦结构单元（氨基酸或核苷酸）总数； t是所⽐较的⼤分⼦发⽣分异的时间， 2t代表进化时间，进化经历的时间是分异时间的2倍。
分子进化和系统发育的研究及其应用
分子进化和系统发育的研究及其应用进化是生物学的核心概念之一，分子进化是现代进化生物学的重要组成部分，而分子系统发育则是分子进化研究的一项重要应用。
本文将从分子进化的基本原理出发，介绍分子系统发育的原理、方法与应用，并探讨其在不同领域中的意义。
一、分子进化的基本原理分子进化是基于DNA/RNA序列或蛋白质序列的进化研究分支。
基因等遗传物质包含了生物过去和现在的大部分信息，通过比较彼此的差异，就能推导出它们之间的进化关系。
分子进化的基本原理在于遗传突变的随机性和累积性。
在生物个体复制时，遗传物质会随机地产生突变，这些突变可以累积，最终就会形成差异。
这些差异可以代表生物的基因型和表型的演化历史。
二、分子系统发育的原理分子系统发育是根据生物体DNA/RNA序列或蛋白质序列的变化，推断生物之间的进化关系和亲缘关系的科学。
生物之间的相似性是由共同的祖先所造成的，相似性越大，共同祖先的距离就越近。
分子系统发育利用各个物种之间的序列差异，通过复杂的计算机分析推断各个物种之间的进化关系及其进化时间。
分子系统发育中通常用到的基本原理之一是“钟模型”，即基因变异率（即分子钟）是在所有物种中大致相同的。
换句话说，如果我们确定了一组基因序列的共同祖先时间，我们就可以根据不同物种间的分子差异推定这些物种的进化时间。
三、分子系统发育的方法分子系统发育研究通常使用序列比对、物种树构建、分支支持度评估和模型选择等方法。
下面简要介绍每种方法的基本原理：1. 序列比对序列比对是分子系统发育分析的基础之一，其目的是从一组相关序列中确定基因组中位点、简化不必要的信息，减小计算量。
序列比对中使用的最常用算法是 Needleman-Wunsch（NW）算法和Smith-Waterman（SW）算法。
这些算法旨在寻找两个（或多个）序列之间的最长公共子序列（LCS），并且可以计算序列间的“匹配”和“不匹配”得分。
2. 物种树构建分子系统发育分析的主要目的是构建物种树，物种树是表示生物之间进化关系的分枝图。
分子进化的概念、理论和方法
分子进化的证据
血 红蛋 白是“ 子进化” 分 中研究得 比较 深人 的一 种
分子。高等脊椎动物的血红蛋白是由两条。 链和两条 ６ １链聚合而成的四聚体，其中。链由 １１ ４ 个氨基酸构 成。已对许多脊推动物的ａ 链进行过比较〔’发现人 ‘， 。 与鳌鱼有７ 个氨基酸不同，人与鲤鱼有“ 个氨基酸 ４ 不同， 人与牛有 １ ７个氨基酸不同。从古生物学和比较 解剖学研究获知， 三者中人与鳌鱼的亲缘关系最远， 与 牛的亲缘关系最近。可见， 生物从同一祖先分歧进化
Ｅｖｏ ｕ ｉｎ ｌ ｔｏ 斗Ｉ
生 ，９ 密码子 变换 。 Ａ Ａ 与 Ａ Ｇ 都是 Ｌ ｓ的密 ４种 Ａ Ａ ｙ
中性突变
产生突 变的 Ｄ Ａ 变化 方式 有 ４ Ｎ 种， 即 核 营 酸 的替换 、 缺失 、 附加和倒位 ， 而最 常发 生的是 核昔酸 替
码子 ， 这种密码 子变 换并不 引起 氨基酸 替换 ， 称同义突
Ｕ Ａ ！＿ ／ ＵＡＡ －
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重 要作 用 ，并与 进化 速 率有关 。
分ห้องสมุดไป่ตู้进化的学说
达尔文的伟大功绩就是建立了生物进化的自然选 择学说。将达尔文的自然选择和孟德尔的遗传学综合 在一起， 就成了综合进化学说， 又称新达尔文主义（ 综 合进化论者有时又被称为群体遗传学派） 由于 Ｆ－ 。 ｉ
分子进化与分子改造课件
序列比较 源于同一祖先DNA/氨基酸序列的两
条DNA/氨基酸序列，考察二者的差异。
序列差异
分子进化 以累计在DNA/氨基酸分子上的历史
信息为基础研究分子水平的生物进化过程和机制。
进化过程中分子突变的痕迹。
分子系统发育学（Molecular Phylogenetics）
分子系统学（Molecular
生物大分子进化速率相对恒定
随时间的改变主要表现为核苷酸、蛋白质一级结构的改变
不同物种同源大分子的分子进化速率大体相同，例如人与马的血
红蛋白氨基酸序列差异0.8×10-9/AA.a，人与鲤鱼0.6×10-9/AA.a
分子进化速率远远比表型进化速率稳定
生物大分子进化保守
功能重要的大分子在进化速率上明显低于那些功能不重要的
的进化速率r(t)
6、由此可以推断未知进化事件的发生时间
分子进化与分子改造课件
关于分子钟的讨论和争议
1、对长期进化而言，不存在以恒定速率替换的生物大分
子一级结构（基因功能的改变、基因数目的增加）
2、不存在通用的分子钟
3、争议
分子钟的准确性
中性理论（分子钟成立的基础）
分子进化与分子改造课件
分子进化与分子改造课件
分子进化与分子改造课件
三、分子钟
根据分子系统学研究与古生物学资料相结合，建立推论生
物进化事件发生的时间表。
假定分子进化速率r恒定，则分子进化改变量（替代数目
或替代率）与进化时间成正比。以两条序列为例：
d=2rt
其中，t是进化时间，d是这两条序列每个位点的替代数目
第十章 分子进化和分子系统学
表:血红蛋白不同部位氨基酸的替换率
区域 血红蛋白α链 血红蛋白β链
表面
1．35
2．73
血红素结合部 0.65
0．236
由以上的例子可以看出，不同的蛋
白质分子其进化速度不同，即使是同一
种蛋白质分子其不同的区域或不同的
氨基酸进化的速度也不同。进化特点是
越重要的分子、分子中越重要的部位或
第二个是组蛋白H4，它在核内和 DNA结合，对遗传信息的贮存具有十分 重要的作用，是一种特殊化的蛋白质， 在漫长的进化过程中几乎不允许它发生 变化，所以它是一个非常保守的蛋白质。
第三个是血红蛋白，它的分子结构已 经非常清楚，它有几个螺旋状的区域和非 螺旋状的区域，分子的内部是疏水氨基酸， 这些氨基酸非常保守，特别是和血红素结 合的氨基酸，它们对血红蛋白的功能具有 重要的作用，它的变化将使其功能发生变 化甚至丧失，所以它们保守。而血红蛋白 表面的氨基酸对血红蛋白机能的影响相对 较小，所以容易发生变化。
的两个物种的分歧年数和蛋白质氨基酸的
差异，就可以计算出该蛋白质的进化速率。 如人和鲨鱼的分歧年数为4．2X108年，血
红蛋白α链差异Kaa为0．76，Kaa=0．76 ／2 X 4．2X10-8 = 0．9X10-9。用同样的方
法对人和鲤鱼的血红蛋白α链进行比较计 算，进化速率为0．6X10-9。
通过以上分析结果，不难看出，蛋白质是
Mross G．A．(1967)通过对偶蹄类的血纤蛋白肽A 和B的氨基酸序列、氨基酸替换的频度进行了研 究，发现氨基酸的替换在分子内部的分布是不 均衡的，变化较快的氨基酸的分布比较集中， 变化较慢的氨基酸的分布比较分散。其中变化 最快的是血纤蛋白肽A的第12到19位，肽B的第18 到21位的氨基酸，这些部位和偶蹄类的适应进 化有着密切的关系。血凝酶是由血凝蛋白原切 除血纤蛋白肽后形成的，A链的切点在N端第一 个Arg处。第4位和第5位的Gly非常保守，不发生 变化或几乎不发生变化，第2位的Pro也非常保 守，而第12、13和14位变化就非常大。
第十章分子进化和分子系统学
所以，木村资生提出 为分子进化的标准速率， 所以，木村资生提出10-9为分子进化的标准速率，并 把每年每个氨基酸座位的1× 把每年每个氨基酸座位的 ×10-9进化速率定为分子进化 速率的单位， × 鲍林。 速率的单位，即1×10-9为1鲍林。 鲍林
（二）分子进化的保守性不同
1、对生物生存制约性大的生物大分子进化速度慢。 、对生物生存制约性大的生物大分子进化速度慢。 2、生物大分子内部功能区结构变化的速度较慢, 而且功能 、生物大分子内部功能区结构变化的速度较慢 越重要的区域变化速度越慢。 越重要的区域变化速度越慢。 3、蛋白质中越重要的氨基酸变化越慢。 、蛋白质中越重要的氨基酸变化越慢。 4、结构和化学性质相近的氨基酸之间的替换要比这两方 、 面不同的氨基酸之间的替换更容易发生。 面不同的氨基酸之间的替换更容易发生。
四、分子系统学和分子系统树 （一）什么是分子系统学 研究生物大分子进化历史的科学。 研究生物大分子进化历史的科学 。 主要研 究某一生物大分子在生物进化过程中突变的产 固定以及积累的过程。 生、固定以及积累的过程。 分子系统学的研究基础是以生物大分子进 化速率恒定为前提， 化速率恒定为前提 ， 其变化量与该分子经历的 时间呈正相关。 时间呈正相关。 公式k 公式 aa=Kaa/2T
（二）分子系统树的构建方法 1、获得生物大分子的差异数据 、
首先确定要分析的生物大分子。 首先确定要分析的生物大分子。原则是所有生物中均要存在该种同源生 物大分子。 物大分子。 建立亲缘关系比较远，分歧时间比较长的生物之间的分子系统树时， 建立亲缘关系比较远，分歧时间比较长的生物之间的分子系统树时，要 选择进化速率相对较慢的生物大分子（细胞色素c、 选择进化速率相对较慢的生物大分子（细胞色素 、16s RNA、丙糖磷酸异 、 构酶） 相反要选择进化较快的大分子（ 构酶），相反要选择进化较快的大分子（mtDNA）。 ） 生物大分子确定之后，对该种生物大分子进行一级结构的测定， 生物大分子确定之后，对该种生物大分子进行一级结构的测定，就可以 得到用于建立分子系统树的最基本的数据。 得到用于建立分子系统树的最基本的数据。
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（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。
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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。
（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。
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分子进化中性理论的意义：
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。
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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。
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（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。
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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)、King & 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。
分子进化简介
人工合成生命体的进化研究
人工合成生命体的多样性
通过基因工程技术，人工合成生命体具有更加丰富的基因组合和更 高的遗传多样性。
人工合成生命体的适应性
人工合成生命体能够更好地适应不同的环境条件，表现出更强的生 存能力。
人工合成生命体的应用前景
通过应用工程学方法，可以设计和优化生物系统，从而更 好地解决实际问题，如提高农作物的产量、降低环境污染 等。
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分子进化案例研究
HIV病毒的分子进化研究
病毒株的多样性
HIV病毒在传播过程中， 由于存在大量的变异和重 组，导致病毒株具有极高 的多样性。
病毒的适应性
通过不断适应宿主免疫系 统和抗病毒药物的攻击， HIV病毒能够逃避免疫系 统和药物的杀伤作用。
分子进化的速度通常以每个世代 的突变率来表示，一般较低，约 为10^-8-10^-10个突变/每个基
因/每个世代。
分子进化的方向通常是指由随机 突变和基因重组引起的随机变化 ，以及由自然选择和人工选择引
起的适应性变化。
分子进化的速度和方向可以通过 遗传学和生物信息学的方法进行
研究和检测。
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CATALOGUE
分子进化简介
目 录
• 分子进化概述 • 分子进化的核心概念 • 分子进化实验技术 • 分子进化在生物医药领域的应用 • 分子进化的未来展望 • 分子进化案例研究
01
CATALOGUE
分子进化概述
定义与特点
定义
分子进化是指生物在分子水平上由于 遗传变异和自然选择等因素而发生的 适应性变化。
特点
分子进化通常涉及DNA、RNA和蛋白 质等生物分子的结构和功能的改变， 这些变化可以是细微的突变，也可以 是较大的基因重排或基因复制事件。
人类基因组的分子进化过程
人类基因组的分子进化过程人类基因组是所有人类细胞中的遗传信息总和，它是由数十亿个碱基对组成的。
基因组的分子进化过程是由基因测序技术和分析方法的发展所揭示的。
进化是一种长期而不断的过程，影响每个生物的基因组。
在进化中，生物的基因组会经历许多变化，包括变异、插入、缺失、扩增、转位等。
这些变化构成了生物基因组在物种演化上的动态（例如人类与黑猩猩基因组的比较）。
这篇文章将探讨人类基因组的分子进化过程，特别是在进化中与其他成员的基因组发生的变化，为我们更好地理解人类起源和演化提供参考。
人类基因组的进化原理生物体存在遗传变异现象，是由于DNA的变异所导致的。
DNA是由四种碱基（腺嘌呤、鸟嘌呤、胸腺嘧啶和鸟嘧啶）的序列组成。
在人类进化中，这些碱基可能发生变异，导致了基因组的演化。
基因组变异可以分为两种主要形式：单核苷酸多态性（SNP）和插入/删除/重复（InDel）。
SNP描述的是基因组中的一个碱基序列更换成另一个碱基序列，这种替换通常是由DNA的复制/修复过程中的错误引起的。
此外，还有一个常见的变异是插入/删除/重复，即碱基序列的增加或减少，或者重复插入到基因组中其他地方。
这种变异可以通过许多不同的机制进行，例如转位、重组和基因家族扩张，这些机制可以使基因组变得更加复杂。
进化过程中的变异：起因和后果基因组的进化始于遗传变异，该遗传变异最初可能是由随机突变所引起的。
随机突变是指由于环境或其他因素而引起的变异，例如化学及放射性物质，或噬菌体病毒和其他来源的基因重组。
这些变异有时可以导致功能改变，例如改变基因表达、功能缺失或其他负面效应。
随着时间的推移，许多人类基因组基本上不变。
这是因为突变在基因组中的频率非常低，因此在几代中不容易积累足够的突变。
但是，一旦突变达到一定频率，就会成为新的“正常”状态，并随后传递到下一代。
这些突变可以通过自然选择加速演化进程，也可以慢慢逐渐地在漫长的时间尺度下积累。
这些变异在对个体的适应和生存优劣进行筛选时可发挥重要作用。
第9章生物大分子进化
体外挑选方法寻找核酸适配体
步骤 1. 合成寡聚核苷酸 2. 建立适体库 3. 固定蛋白将能与之结合的核酸适配体收集 4. 测序得到需要的核酸适配体
湖南大学化学生物传感与计量学国家重点实验室
以纳米和分子水平上的生化分析、化学 与生物传感技术、生命科学中的新分析技 术、化学计量学等 为主错PCR
采用DNA聚合酶进行目的基因扩增时，通过 调整反应条件，来改变扩增过程中的突变频率， 从而以一定的频率向目的基因中随机引入突变， 获得蛋白质分子的随机突变体。
条件 高盐和添加剂存在的条件下，聚合酶的PCR
的反应错误率可达0.7%。
9.4.4 DNA改组
DNA Shuffling
是运用随机突变技术，对某种感兴趣的蛋 门质或核酸进行快速的改造，并定向选择所需 性质的生物分子。
原理
1. 单个基因或一组相关基因经酶切产生一系列随 机大小的DNA片段。
2. 无引物PCR，具有互补3’末端的片段互为引物， 各为模板，通过不断的PCR循环在不同模板上 随机互补结合并进一步延伸。
9.8.2 新功能分子进化
(1) 生长激素的重塑 腺垂体细胞分泌的蛋白质，促进细胞生长
和分化的重要因子。
受体与激素结合，传递信号
激素
生物大分子进化重塑生长激素和受体的相互作用
受体的Ser
Ala
进化
具体方法
突变方法构建分子库
导入噬菌体
富 集含目标的噬菌体
噬菌体展示放大
体外挑选
结果 得到5个氨基酸突变的生长激素，受体和激素
9.7 挑选和筛选
分类：体内 In vivo 、体外 In vitro筛选：对的每一个分子都进行尝试，找 出目标。
挑选：不需对的每一个分子都进行尝 试，只需要设定一个条件，符合条件 的分子将被挑选出。
生物进化中的分子进化
生物进化中的分子进化生物进化是一种自然选择的过程，这个过程主要是通过基因的传递和变异来实现的。
在生物进化中，分子进化扮演着非常重要的角色。
分子进化是指基因组在漫长的进化过程中的变化和累积，通过这种进化，生物得以适应和适应环境的变化，最终形成了丰富多样的生物世界。
分子进化的主要机制是基因的突变和基因的重组。
基因突变是指基因序列的点突变、插入或缺失，这些突变会导致基因的信息发生变化。
在进化过程中，个体遗传信息的小变化积累起来，最终得以传递给后代。
基因重组则是指基因序列间的重新组合，通过基因重组，个体之间的基因差异得以进一步增加。
在分子进化的过程中，一种非常重要的机制是自然选择。
自然选择是指个体适应环境的能力和生育力决定了其在繁殖中的成功机会。
适应环境的基因变体会使个体在竞争中处于优势地位，从而更可能将自己的基因传递给下一代。
这种竞争和选择的过程，推动了优势基因的累积和适应性特征的进化。
分子进化还有一种非常重要的机制是基因漂移。
基因漂移指的是因为随机事件（如种群数量的减少）导致的基因频率的随机变化。
基因漂移可以使一些原本较低频率的基因在群体中逐渐消失，也可以使一些较高频率的基因在群体中逐渐增加。
基因漂移对于形成新的物种和推动物种多样性的增加起着重要作用。
分子进化不仅发生在基因组水平，也发生在基因组上的各种非编码区域。
基因组中的非编码区域包括启动子、增强子等调控元件，它们对基因的表达起着重要的调控作用。
在进化的过程中，这些调控元件的序列也会发生变异和漂移，从而改变了基因表达的模式和水平，最终对生物体的形态和功能产生影响。
分子进化的研究方法主要包括基因组测序和比较基因组学。
基因组测序技术的发展使得我们能够更加准确地获取物种的基因组信息，从而揭示了物种间的基因差异和进化关系。
比较基因组学则是通过比较不同物种基因组中的同源基因，来推测它们的进化历史和亲缘关系。
分子进化的研究不仅可以帮助我们理解生物的进化历程，还可以为医学和农业等领域提供重要的参考。
遗传学研究中的分子进化模型
遗传学研究中的分子进化模型随着基因组学技术的不断发展，遗传学研究在分子水平上越来越发达，分子进化模型是其中的重要研究内容之一。
分子进化模型是一种模拟基因或蛋白质序列在演化过程中的变化，从而了解生物种群演化的规律。
本文将介绍分子进化模型的定义、分类、应用、以及其发展的趋势和前景。
一、分子进化模型的定义和分类分子进化模型是指在分子水平上对基因或蛋白质序列的演化过程进行模拟和推断，从而了解生物种群演化的规律。
分子进化模型的核心思想是基于分子序列的不断演化和变异，因此对基因或蛋白质序列的演化规律有深刻的理解，对分子进化研究也有着重要的意义。
分子进化模型可以分为两大类，一类是基于基因组DNA序列的模型，另一类是基于蛋白质序列的模型。
基于基因组DNA序列的模型一般包含三种进化模型，分别是JC69模型、K80模型和GTR模型。
JC69模型假设每个碱基在进化过程中发生变异的概率所存在的均等性，属于最简化的模型，适用于分类与系统进化的初步研究。
K80模型是在JC69模型的基础上增加了转换与移换的概念，使模型更加复杂。
GTR模型是基于不同碱基类型的不同变异率，是最为复杂的进化模型，适用于系统分类学、生态学和生物地理学等多种研究方向。
另一类是基于蛋白质序列的模型，包括Dayhoff模型、JTT模型、WAG模型、LG模型、和MtMam模型等。
Dayhoff模型是最早发现的蛋白质进化模型，主要应用于基本的系统分类学研究。
JTT模型是在Dayhoff模型基础上进行修正，主要用于比较不同种类间蛋白质的结构与功能的演化及进化速率的研究。
WAG模型和LG模型都是在JTT模型基础上进行修正的，可以更好地适应各种不同物种的蛋白质序列的演化。
而MtMam模型则专门用于线粒体DNA的研究，其特点是考虑了线粒体DNA内在的随机漂移和突变，对于分子系统学和群体遗传学等方向具有重要意义。
二、分子进化模型的应用分子进化模型在生命科学领域的应用广泛，下面列举几个重要的应用方向。
分子进化的基本原理与方法
分子进化的基本原理与方法从微观角度来看，生命的起源和进化都是由分子水平上的物理、化学反应所驱动的。
生物分子可以通过基因突变和重组等途径来产生遗传变异，这些遗传变异会对漫长的进化过程产生影响。
分子进化学则研究生物分子的遗传变异及其在进化中的演化规律，旨在揭示生命进化的基本原理，是现代生命科学和生物技术的重要组成部分。
一、基本概念分子进化学是以生物分子为对象研究物种演化的学科，主要研究的是分子遗传学、进化生物学、生物信息学等内容。
分子遗传学是研究基因及其在进化中的演化规律，是分子进化学中的重要内容。
分子遗传学通过研究DNA，RNA及蛋白质等生物分子的遗传变异，来分析物种进化历程、种群变异和亲缘关系等问题。
在分子遗传学领域，核酸序列比较、分子进化分析以及系统发育分析都是常用的方法。
二、基本原理分子进化学的基本原理是：物种的进化是由基因水平及其在群体间的传递和演化所驱动的，基因的分子结构在漫长的进化过程中会发生变异、改变和重组，这些变异将对物种的形态和功能产生影响。
基本遗传单元是基因，基因由DNA序列编码。
其中，基因的序列比较是分子进化研究中的基础，也是识别遗传关系和物种进化的重要依据。
不同的物种可能存在共同祖先，或者由于自然或人工选择等原因，在基因序列上有趋同演化的现象，如人类和黑猩猩在某些基因上共享相同的DNA序列。
分子进化学中最基本的假设是：物种的进化是围绕着基因的演化而展开的。
基因带来的变异有时会影响生物体的形态和功能，这种影响可能是优势性的、劣势性的，也可能是中性的，但这些变异始终是随机的，是自然选择和遗传漂变的结果。
三、研究方法1.分子演化分析分子演化分析是分子进化研究的核心方法。
分子演化分析让我们可以比较基因序列、RNA序列或蛋白质序列等。
通过对不同物种的基因序列进行比较，可以分析出它们之间的遗传关系，了解它们之间的亲缘关系，进而推断它们之间的进化历史。
常见的分子演化分析包括：物种分化时的系统发生关系、进化速率的推断、化石密码学（将化石和分子演化信息相结合来推断物种历史）等。
生物进化的分子机制和演化过程
生物进化的分子机制和演化过程生物进化是生命的基本规律之一，它描述了物种在时间和空间上的变化。
生物进化涵盖了遗传、生态、行为和地质等多个领域的知识，是现代生物学的重要分支之一。
本文将分别从分子机制和演化过程两个方面，来探讨生物进化的内在机制和外在表现。
一. 分子机制生物进化是由遗传变异的积累和选择的作用造成的。
其中，遗传变异可以分为突变和重组两类。
突变是基因在DNA分子水平上的变化，包括点突变、插入突变和缺失突变等，它们可以导致基因拼写错误或改变基因的结构和功能。
重组是基因在DNA分子水平上的重组，它可以导致同一个物种中不同个体基因组合的变化。
选择是由生物与环境之间的相互作用形成的。
环境的压力如食物、气候等会对生物产生影响，在生存和繁殖中产生选择作用，从而影响基因的分布和生物种群的演化。
在分子机制方面，近些年来，DNA测序技术的发展使得研究生物进化的分子遗传学越来越深入和准确。
比如研究人和类猿之间的分子进化关系，发现两者的DNA序列上的差异很小，只有0.1%左右。
同时也有许多DNA序列高度相似的物种，却在外部形态、生物学习性等方面存在明显的差异。
进化基因学的另一个领域是母系遗传，即通过母亲传递遗传物质（mtDNA）来研究物种之间的关系。
比如分析不同大陆狗的mtDNA，可以了解到它们的起源和进化过程。
二. 演化过程演化过程是物种的遗传性状和环境的相互作用导致的生物进化表现。
一方面，演化过程通过选择作用，使得适应环境的基因逐渐变得优先；另一方面，随机变异和遗传漂变则使得基因变异的难以预测。
物种演化的过程中，一个重要的概念是进化速率。
进化速率是指生物在单位时间内经历的遗传变化和形态进化的速度。
一个物种的演化速率受到多种因素的影响，如环境的压力、交配系统、基因突变效应等。
在演化过程中，有几个值得我们留意的观点。
首先，在一些环境中，生物的形态和行为可能会出现类似的适应性进化。
比如，会飞的昆虫的翅膀形态和鸟类的羽毛等结构表明相似的适应性进化。
生物药品的定向进化与分子改造技术考核试卷
B.蛋白质折叠
C.蛋白质运输
D.活性位点结构
13.下列哪个软件常用于蛋白质工程中的分子对接模拟？（）
A. AutoDock
B. PyMOL
C. GROMACS
D. CLUSTAL
14.在蛋白质工程中，以下哪个策略不是增加蛋白质稳定性的常用方法？（）
A.引入离子键
B.增加疏水性氨基酸
C.减少蛋白质表面电荷
A.提高蛋白质稳定性
B.减少蛋白质免疫原性
C.提高蛋白质表达能力
D.增加蛋白质合成速度
18.在蛋白质工程中，以下哪个方法用于评估蛋白质的溶解度？（）
A.透射电子显微镜
B.圆二色光谱
C.等温滴定量热
D.荧光光谱
19.以下哪种技术常用于蛋白质工程中的高通量筛选？（）
A.噬菌体展示
B.高效液相色谱
C.质谱分析
1. ABD
2. ABCD
3. ABC
4. ABCD
5. ABCD
6. ABCD
7. ABC
8. ABC
9. AB
10. ABC
11. ABCD
12. ABCD
13. ABC
14. ABC
15. ABC
16. ABCD
17. ABC
18. AD
19. ABC
20. ABCD
三、填空题
1.氨基酸序列
2.突变
（）
2.在蛋白质工程中，______是一种常用的方法来提高蛋白质的热稳定性。
（）
3.分子改造技术中，______是一种常用于评估蛋白质结构和稳定性的技术。
（）
4.定向进化技术中，______是一种通过引入随机突变来创建突变库的方法。