分子進(jìn)化與系統(tǒng)樹(shù)-分子鐘與中性理論

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1、分子進(jìn)化與系統(tǒng)樹(shù)-分子鐘與中性理論摘要：分子鐘的發(fā)現(xiàn)與中性理論的提出,極大地推動(dòng)了進(jìn)化尤其是分子進(jìn)化研究,填補(bǔ)了人們對(duì)分子進(jìn)化即微觀進(jìn)化認(rèn)識(shí)上的空白,推動(dòng)進(jìn)化論的研究進(jìn)入分子水平,并建立了一套依賴于核酸、蛋白質(zhì)序列信息的理論方法。分子鐘的發(fā)現(xiàn)與中性理論的提出,極大地推動(dòng)了進(jìn)化尤其是分子進(jìn)化研究,填補(bǔ)了人們對(duì)分子進(jìn)化即微觀進(jìn)化認(rèn)識(shí)上的空白,推動(dòng)進(jìn)化論的研究進(jìn)入分子水平,并建立了一套依賴于核酸、蛋白質(zhì)序列信息的理論方法.分子進(jìn)化研究有助于進(jìn)一步闡明物種進(jìn)化的分子基礎(chǔ),探索基因起源機(jī)制,從基因進(jìn)化的角度研究基因序列與功能的關(guān)系。一、分子鐘與中性理論60年代早

2、期“分子進(jìn)化鐘”的發(fā)現(xiàn)與60年代末期“中性理論”的提出是本世紀(jì)進(jìn)化學(xué)的重大事件,是古老的進(jìn)化學(xué)與新生的分子生物學(xué)兩者“雜交”的產(chǎn)物.它們的相繼問(wèn)世極大地推動(dòng)了進(jìn)化尤其是分子進(jìn)化研究,填補(bǔ)了人們對(duì)分子進(jìn)化即微觀進(jìn)化認(rèn)識(shí)上的空白,并在生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域產(chǎn)生了廣泛影響。隨著不同生物來(lái)源的大量蛋白質(zhì)序列的確定,Zucherkandl等發(fā)現(xiàn)：某一蛋白在不同物種間的取代數(shù)與所研究物種間的分歧時(shí)間接近正線性關(guān)系,進(jìn)而將分子水平的這種恒速變異稱為“分子鐘”。支持分子鐘存在的證據(jù)來(lái)自哺乳動(dòng)物與其它脊椎動(dòng)物諸如血清蛋白與轉(zhuǎn)鐵蛋白等的免疫學(xué)（如微量補(bǔ)體固定）定量比較.人們發(fā)現(xiàn)多

3、肽間的免疫距離（如抗原性）與其氨基酸取代百分?jǐn)?shù)成良好的線性相關(guān),如鳥(niǎo)溶菌酶、哺乳動(dòng)物RNase、細(xì)胞色素C與白蛋白、大腸桿菌色氨酸合成酶等.雖然這種相關(guān)性的分子基礎(chǔ)尚不清楚,但這種客觀存在經(jīng)過(guò)反復(fù)驗(yàn)證后是不容置疑的.免抗血清由此成為初步估算球形單體蛋白間序列差異的有效工具,但其適用范圍0～30%的氨基酸差異。自從分子鐘假設(shè)提出之后,存在許多反駁它的相反事實(shí)與異議.這些異議主要針對(duì)序列進(jìn)化的恒速.分子鐘的最明顯的例外之一是分子序列證據(jù)與化石證據(jù)在人類起源時(shí)間上的差異.60年代中期,許多人類學(xué)家認(rèn)為人類在3000萬(wàn)年前與我們最近的親屬——非洲猿分歧.根據(jù)分

4、子鐘假設(shè),分歧3000萬(wàn)年的物種氨基酸序列差異的應(yīng)達(dá)4～5%、非重復(fù)序列DNA差異應(yīng)約為8%,但實(shí)測(cè)值分別為0.8%與1.1%.對(duì)這種6倍左右的差別有兩種解釋.許多人類學(xué)家傾向于懷疑鐘的存在,并認(rèn)為在高等靈長(zhǎng)類中分子進(jìn)化速率下降.總之,雖然大部分分子進(jìn)化學(xué)家同意序列進(jìn)化與分歧時(shí)間密相關(guān),但進(jìn)化是以年限還是以代限為刻度則仍有分歧與爭(zhēng)議；而且因?yàn)楸姸嘁蛩氐挠绊?與分子鐘相左的數(shù)據(jù),無(wú)論是用氨基酸、核苷酸序列差異、免疫學(xué)距離,還是用DNA雜交復(fù)性等參數(shù),均不斷有所報(bào)道,其論爭(zhēng)預(yù)計(jì)將繼續(xù)下去。自從60年代初發(fā)現(xiàn)分子鐘——“分子進(jìn)化速率在不同種系中恒定”以來(lái),人

5、們又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)中氨基酸的置換是隨機(jī)而非模式性的；DNA在哺乳動(dòng)物種系的總變異速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于形態(tài)上的變異速率并遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人們的預(yù)期的大于0.5核苷酸/基因組/年；蛋白質(zhì)電泳表明物種內(nèi)存在大量的變異即廣泛的種內(nèi)多態(tài)性,且這些多態(tài)性并無(wú)可見(jiàn)的表型效應(yīng),與環(huán)境條件亦無(wú)明顯相關(guān).以上這些都是新達(dá)爾文主義與綜合進(jìn)化理論所難以解釋的。面對(duì)上述問(wèn)題,日本群體遺傳學(xué)家木村資生（MotooKimura）提出：（1）進(jìn)化過(guò)程中的核苷酸置換其絕大部分是中性或近似中性的突變隨機(jī)固定的結(jié)果而不是正向達(dá)爾文選擇的結(jié)果：（2）許多蛋白質(zhì)多態(tài)性必須在選擇上為中性或近中性,并在群體中由突

6、變引入與隨機(jī)滅絕間兩者的平衡維持。上述論著問(wèn)世遭遇到經(jīng)典進(jìn)化學(xué)家的強(qiáng)烈批判.他們認(rèn)為新的分子生物學(xué)數(shù)據(jù)完全可以用新達(dá)爾文主義的原理來(lái)解釋.直至現(xiàn)在,選擇論者與中性論者的議爭(zhēng)仍在繼續(xù).這兩大學(xué)派的本質(zhì)區(qū)別可通過(guò)它們各自對(duì)突變基因如何在物種內(nèi)置換老基因這一進(jìn)化過(guò)程的不同解釋來(lái)洞悉.每一置換剛出現(xiàn)時(shí)在群體內(nèi)均為稀有的突變等位基因,隨后擴(kuò)散至個(gè)群體并被固定,即頻率達(dá)100%.選擇論者認(rèn)為：一個(gè)突變的等位基因在物種內(nèi)擴(kuò)散,就必需具有某些選擇上的優(yōu)1勢(shì),如在選擇上為中性,就必需與一選擇上具優(yōu)勢(shì)的基因緊密連鎖,通過(guò)“搭車(chē)”而達(dá)到較高頻率.與此相反,中性論者認(rèn)為：一些

7、突變?cè)跊](méi)有任何選擇優(yōu)勢(shì)的情況下也能自身在群體中擴(kuò)散.如果一突變體在選擇上等同于已存在的等位基因,其命運(yùn)將取決于機(jī)會(huì)-隨機(jī),其頻率存在上下起伏,因?yàn)樵诿看恳淮啤⑿蹅€(gè)體所生的大量配子中只有很少數(shù)配子最終被“采用”以形成合子以及相應(yīng)的個(gè)體,并出現(xiàn)在下一代中.在這種隨機(jī)漂變（randomdrift）中,絕大部分突變等位基因隨機(jī)丟失,但有一少部分在群體中被固定下來(lái).如果中性突變?cè)诜肿铀缴掀毡榇嬖?且隨機(jī)漂變?cè)诤荛L(zhǎng)時(shí)間（如百萬(wàn)年）一直延續(xù),群體的遺傳組成將發(fā)生顯著性改變.群體中出現(xiàn)的任何中性突變其最終固定的概率都等于其原始頻率,其固定的平均時(shí)間四倍于有效群體的

8、大?。ㄋ频扔诿恳淮鷧⑴c繁殖的個(gè)體數(shù),通常遠(yuǎn)小于物種的個(gè)體總數(shù)）.中性理論并非認(rèn)為中性基因無(wú)