第四章 分子进化

a2
a4 a4’
a2 ’
a2, a3, a4, a5 与
新物种产生 a2’, a4’, a5’ 互为并系同源 a5 a5’
物种 4
物种 5
3.
分子的演化速率
（1）蛋白质（氨基酸）水平的演化速率
假设： 不同位点上的氨基酸替代速率(substitution rate)相同， 或即使不相同，平均替代速率也很小
• • 颜色 高矮
•
• •
长短
大小 等等
（2）分子进化的特征： DNA、RNA、蛋白质分子 • 长短（核苷酸和氨基酸的数目）
• 分子量
• 序列（核苷酸和氨基酸的排列顺序） 每个位点就是一个特征 DNA核苷酸数目 DNA序列 ATGGAGAGGCCATGGAAGTGCTGCGACAACATCGAG 42 M E R P W K C C D N I K 12
氨基酸序列
氨基酸数目
2.
分子进化的一些术语：
一致性（identity）
指两个或两个以上的序列中组成完全相同的部分
相似性（Similarity）
特征相像，来源不确定（用在分子生物学上主要是
指理化性质相似的氨基酸） 同源性（Homology）：来源于一个共同祖先
DNA序列的比对
63％一致性
100%一致性
3.
中性理论中s的定义及计算：
Neutral：s = 0 s
基本的公式：p2+2pq+q2 = 1
s 0, select against
0, selected for;
Nearly neutral:
|s|
1/（2 Ne），或 |s| ≤1/Ne
Ne ：有效种群的大小
—— 种群中真正参与生殖的个体数
RNA上的三联码
相应的氨基酸
同一物种的某个基因位点（locus）上含有一个以上的等
位基因（allele)
AAT2 AAT3
A
B
C
D
由等位基因编码的酶称作等位酶（allozyme） 注：与同工酶（isozyme）的区别
AAT2与AAT3： 同工酶？等位酶？
三.
1.
中性理论的提出
假设：
Motoo Kimura （1924 – 1994）
因此，当s等于或趋于零，即中性选择时， k =（2Nv)(1/2N）= v，与 Population 大小无关 当 |s| 不 是 等 于 或 趋 于 零 时 ， k = 4 Nesv ， 与 有 效 Population 大小有关
NOTE： 影响Ne的因素：
• 性别的比率 性别种类少的个体对下一代的基因频率贡献大 在性别比例失调的情况下 Ne= 4NmNf /（Nm+Nf）
Pd
ß链 链
链的进化： 七鳃鳗的血红蛋白为单体
七腮鳗（lamprey)
在七鳃鳗物种分化后，约 在5.2-4.5亿年前，编码血 红蛋白基因重复 (duplicated)一次，形成 、 链
约在4.5亿年前，鲨鱼分化 出，4亿年前鲤鱼分化出， 3.5亿年前蝾螈分化出，然 后分别为鸡，针鼹，袋鼠， 狗，人 总的来说，分化时间越短， 积累的氨基酸的差异就越小
Information-content
氨基酸的比对
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 8 10 CHSACKSCACTYSIPAKCFCTDIND-FCYEPC CHSACKSCACTFSIPAECFCGDIDD-FCYKPC CHSACKSCICTLSIPAQCVCDDIDD-FCYEPC CHSACSSCVCTFSIPAQCVCVDMKD-FCYAPC CHSACKSCICALSEPAQCFCVDTTD-FCYKSC CHSACKSCICALSYPAQCFCVDITD-FCYEPC CHSACKSCLCTLSIPPQCHCYDITD-FCYPSC CHSACKTCLCTKSIPPQCHCADITN-FCYPKC CHSACKSCLCTRSIPPQCRCTDITN-FCYPKC CPAACNKCVCTRSIPPQCRCTDRTQGRCPLT CHSACKSCLCTRSIPPQCHCADITN-FCYPKC CPAACNKCVCTRSIPPQCRCTDRTQGRCPLT 红色：一致性 粉色和绿色：相似性
每代的进化速率（从被固定的突变体的角度）： k = 2Nvu v：每代、每个配子的突变速率 N: population 中的个体数
每代 Population 中新的突变 = 2Nv
u：单个突变在 Population 中被固定的概率
每代被固定在 Population 中的中性突变的概率= 1/2N
二.
基因突变的基础
1953年：Watson & Crick DNA双螺旋结构 （double helix）找到了突变的“根” 50-60年代初：等位酶（allozyme）技术的发明， 在动植物的种群中发现大量的等位酶
AAT 2
AAT 3
豌豆天冬氨酸氨基转移酶（AAT）的多态性
标准遗传密码（三联码）
123456789................ ..... 31
• 必须有两个或两个以上的同源序列，氨基酸替代 速率是相对的 • 每个氨基酸就是一个位点，空位不算 • 上述序列有31个位点
序列中的氨基酸数：n 序列1：6 个氨基酸 序列2：6 个氨基酸 n＝6 差异的氨基酸数目 pd ＝ 3/6 ＝ 0.5 物种A
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
第四部分
中性演化论
―达尔文的演化理论错了吗？
一. 自然界中的基因突变
自然选择的基础： 遗传变异 不断变化的环境
遗传变异的类型： 染色体重组 染色体突变 基因（碱基）突变
在自然界中基因会不会突变？其程度如何？ Dobzhansky 的果蝇实验 从野外捉一批表型正常的果蝇 不断进行近亲交配 33%的染色体上有致死、或半致死的隐性基因 93%的染色体上有导致发育迟缓等不利的隐性基因 如何产生的？
Nm: 雄性个体数,
Nf: 雌性个体数
•
种群大小的波动
应考虑所研究的物种的历史
麋鹿（将圈养在英国的麋鹿重新引回国）
朱缳（由仅存的少数几只重新扩大种群）
• 实际上参加生育儿女的个体数
瓶颈效应
蜜蜂的例子
麋鹿 （Elaphurus davidianus ） —— ―四不象”
原产亚洲东部，1898年仅剩18只，且在 英国乌邦寺庄园；1900年从中国绝迹 1985年20只回北京；1986年39只回国， 现已>2000多只，其中大部分在中国 (N=819/ Ne =50) 种群恢复很快，2003年从国际“红皮书” 中“除名”: 从“濒危”级降为“珍稀”
水稻基因GC含量60-70%
Natural selection ？
五. 木村中性理论的主要内容：
中性突变，随机选择（固定）
• • 承认负选择（negative selection) 反对正选择（positive selection）
•
强调功能约束（functional constrain）
• 功能的约束造成不同的基因突变速率不一样
一 个 哺 乳 动 物 有 20 个 独 立 分 离 的 loci ， 2 alleles/locus； 隐性基因纯合子的选择系数（ s ）为 -0.01 ，不利的纯 合子将在成年前被淘汰（选择系数s: 不同于经典定义）； 若要维持原来Population的大小，每个个体需生出 22000个 babies！ 结论：
daa＝6－3＝3
T(年) 物种 A1 物种 A2
Kaa：两个同源序列中每个位点氨基酸的 平均替代数 (substitute number):
Kaa = - ln (1 - pd )
每个位点的氨基酸平均替代率 (substitute rate)：
k aa = Kaa / (2T)
例子:血红蛋白、链，在鲨鱼和高等脊椎动物中为异源 四聚体 链 人 vs 鲨鱼（shark)： naa = 139， daa = 74, Pd? pd = 74/139 = 0.532 Kaa = - ln（1 - pd）= 0.760 人 vs 鲤鱼（carp): naa = 140，daa = 68，pd = 74/139 = 0.488 Kaa = - ln（1 - pd）= 0.666
日本猴 (Japanese monkey)
长臂猿 (gibbon) 大猩猩 (gorilla) 人 (Homo sapiens)
daa
树鼩 现存生物中最接近灵长类动物祖先的 物种 食虫目到灵长目的过渡类型 —— 攀兽目
daa
―From the point of view of hemoglobin structure, it appears that gorilla is just an abnormal human, or man an abnormal gorilla, and the two species form actually one continuous population‖
• 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：
第三部分的总结
1. • • 2. • • • • 3. • • • 达尔文的演化理论经历了两次修订 Weismann－Neo-Darwinism Synthetic Evolution theory (综合进化论） 达尔文演化理论的遗传基础 基因的多态性 Population中基因频率的变化 Hardy-Weinberg平衡 影响Hardy-Weinberg平衡的一些因素 自然选择及其结果：适应 自然选择的类型 适应是相对的 如何研究适应现象
多 序 列 比 对
一对 序列 比对
NOTE:
若两个基因 或蛋白质的序列一致性或相似性很高 DNA的一致性为60％以上 氨基酸的一致性为30％以上 • 它们具有相同或相似的生物学功能
• 它们是同源的
对氨基酸序列而言，每个位点可以是20种选择，若2个 序列中有10个氨基酸的序列完全相同，随机的概率为1/2010， 即约等于10-13。 知识 分子钟 南山
同源性有两种：
直系同源orthology：随着新物种产生而产生的同源基因（纵向）
并系同源 paralogy：由基因的重复而产生的同源基因（横向） 物种1 物种 2&3 a2 a2 a2 a1 a3 直系同源基因： 新物种产生 基因重复 基因分化 a2, a3, a4, a5 a2’, a4’, a5’
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)
朱缳 (Nipponia nippon）化石广布于亚洲多国，1964年后 野外已无踪影
1981年在陕西洋县重新发现朱缳种群 （7只）
现已恢复到约几百只
ຫໍສະໝຸດ Baidu
四.
与木村同时代的中性理论进化学家
1969年，King & Jukes:
Non-Darwinian Evolution
当时对codon的预言：
第三位变化更快 （King，Jukes） 兼并性 —— Neutral selection 偏爱性 ——
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