核酸蛋白质序列进化分析.ppt

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1、第七章第七章 分子进化与系统发育树分子进化与系统发育树分子进化与系统发育树分子进化与系统发育树 主讲人：胡银岗主讲人：胡银岗西北农林科技大学农学院遗传教研组西北农林科技大学农学院遗传教研组分子系统学、古分子系统学分子系统学、古分子系统学分子系统学、古分子系统学分子系统学、古分子系统学古生物遗体、化石保存的三种信息：古生物遗体、化石保存的三种信息：形态学信息形态学信息化学信息化学信息（生物的代谢产物和一般的生物化学分子）（生物的代谢产物和一般的生物化学分子）遗传信息遗传信息(保存的一级结构生物大分子保存的一级结构生物大分子,即基因产物或基因片即基因产物或基因片段段)分子系统学分子系统学分子系统学

2、分子系统学（Molecular Systematics）：）：从生物大分子从生物大分子（氨基酸、核苷酸）的遗传信息推断生物进化的历史，（氨基酸、核苷酸）的遗传信息推断生物进化的历史，并以系统树（谱系）的形式表达出来。并以系统树（谱系）的形式表达出来。古分子系统学古分子系统学古分子系统学古分子系统学：利用古代：利用古代DNA保留的遗传信息进行分子保留的遗传信息进行分子系统学研究系统学研究Darwin,CharlesDarwin,Charles(1809-1882)(1809-1882)The Origin of SpeciesThe Origin of Species（18591859）7.1

3、生物进化的分子基础生物进化的分子基础经典的进化学方法经典的进化学方法化石证据化石证据化石证据化石证据 (Fossil)比较形态学证据比较形态学证据比较形态学证据比较形态学证据 (Comparative morphology)比较生理学证据比较生理学证据比较生理学证据比较生理学证据 (Comparative physiology)系统学系统学系统学系统学(SystematicsSystematics)分类学分类学分类学分类学(Taxonomy)(Taxonomy)进化学的分子方法进化学的分子方法 普适性普适性普适性普适性 由由4种种核酸组成核酸组成 分子水平的进化表现为：分子水平的进化表现为：D

4、NA序列和序列和氨基酸序列演化氨基酸序列演化 可比较性可比较性可比较性可比较性 比较不同物种的有关比较不同物种的有关DNA序列序列 建立建立DNA序列和氨基序列和氨基酸序列的演化模型（数学模型）酸序列的演化模型（数学模型）（形态、性状的演化（形态、性状的演化模型？）模型？）基因组编码信息的丰富基因组编码信息的丰富基因组编码信息的丰富基因组编码信息的丰富 与形态、性状包含的信息相比，基因组序列包含更与形态、性状包含的信息相比，基因组序列包含更多、更复杂的信息结构多、更复杂的信息结构分子系统发育学分子系统发育学分子系统发育学分子系统发育学Molecular Molecular Phylogenet

5、icsPhylogenetics分子系统学分子系统学分子系统学分子系统学Molecular Molecular SystematicsSystematicsWhat can we do for molecular evolution?What can we do for molecular evolution?序列比较序列比较序列比较序列比较：源于同一祖先：源于同一祖先DNA/氨基酸序列的两条氨基酸序列的两条DNA/氨氨基酸序列，考察二者的差异。基酸序列，考察二者的差异。序列差异序列差异序列差异序列差异：进化过程中分子突变的痕迹：进化过程中分子突变的痕迹分子进化分子进化分子进化分子进化：以累计

6、在：以累计在DNA/氨基酸分子上的历史信息为基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。础，研究分子水平的生物进化过程和机制。分子系统学为生物分类问题提供了许多崭新的见解。分子系统学为生物分类问题提供了许多崭新的见解。生物进化的分子机制生物进化的分子机制基因突变基因突变1、核苷酸替代、插入/缺失、重组2、基因转换固定在生物个体固定在生物个体以及物种内以及物种内遗传漂变遗传漂变自然选择自然选择传递给后代传递给后代产生新的形态、性状产生新的形态、性状分子系统学是研究进化机制的一个重要工具。分子系统学是研究进化机制的一个重要工具。DNADNA序列的突变序列的突变序列的突变序列的

7、突变性状改变性状改变DNA分子的改变分子的改变核苷酸替代substitution核苷酸缺失deletion核苷酸插入insertion核苷酸倒位invertion Thr Tyr Leu LeuACC TAT TTG CTGACC TCT TTG CTG Thr Ser Leu Leu替代替代 Thr Tyr Leu LeuACC TAT TTG CTGACC TAC TTT GCT G Thr Tyr Phe Ala插入插入 Thr Tyr Leu LeuACC TAT TTG CTGACC TAT TGC TG-Thr Tyr Cys -缺失缺失 Thr Tyr Leu LeuACC TA

8、T TTG CTGACC TTT ATG CTG Thr Phe Met Leu倒位倒位核苷酸替代的几种分类核苷酸替代的几种分类核苷酸替代的几种分类核苷酸替代的几种分类转换转换转换转换 （transition）嘌呤嘌呤 嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶 嘧啶嘧啶颠换颠换颠换颠换 （transvertion）嘌呤嘌呤 嘧啶嘧啶嘧啶嘧啶 嘌呤嘌呤A AT TC CGG胞嘧啶胞嘧啶腺腺嘌呤嘌呤胸腺胸腺嘧啶嘧啶鸟鸟嘌呤嘌呤 在在大多数大多数DNA片段中，转换出现的概率高于颠换出现的概率。片段中，转换出现的概率高于颠换出现的概率。Why?DNADNA序列突变对氨基酸序列的影响序列突变对氨基酸序列的影响序列突变对氨基酸序

9、列的影响序列突变对氨基酸序列的影响 同义（沉默）替代同义（沉默）替代同义（沉默）替代同义（沉默）替代（synonymous/silent substitutionsynonymous/silent substitution）仍然为同义密码子的核苷酸替代仍然为同义密码子的核苷酸替代如：如：TAT TAC Tyr Tyr 非同义替代非同义替代非同义替代非同义替代（nonsynonymousnonsynonymous substitution substitution）导致产生非同义密码子的核苷酸替代导致产生非同义密码子的核苷酸替代如：如：TAT AAT Tyr Asn 无义突变无义突变无义突变无义

10、突变（nonsense mutationnonsense mutation）导致产生终止密码子的核苷酸突变导致产生终止密码子的核苷酸突变如：如：TAT TAA Tyr STP问题：假设所有密码子以同一概率出现，上述三种突变的比例？问题：假设所有密码子以同一概率出现，上述三种突变的比例？25%，71%，4%密码子使用频率密码子使用频率密码子使用频率密码子使用频率(codon usage)(codon usage)密码子使用频率的偏倚性密码子使用频率的偏倚性密码子使用频率的偏倚性密码子使用频率的偏倚性：编码同一个氨基酸的多个同义密码子具有不同的使用频率编码同一个氨基酸的多个同义密码子具有不同的使用

11、频率例例例例：E.coli的的RNA聚合酶聚合酶 缬氨酸缬氨酸Val GTT GTC GTA GTG 55 21 34 34 精氨酸精氨酸Arg CGU CGC CGA CGG 89 46 1 0为什么会出现密码子使用频率的偏倚性？为什么会出现密码子使用频率的偏倚性？与同功能与同功能tRNA的丰度有关？的丰度有关？突变压力与净化选择双重控制？突变压力与净化选择双重控制？Open problemabcdabcd拓扑结构：拓扑结构：有根树：有根树：反映时间顺序反映时间顺序无根树：无根树：反映距离反映距离 理论上，一个理论上，一个DNA序列在物种形成或基因复制时，分序列在物种形成或基因复制时，分裂成

12、两个子序列，因此系统发育树一般是二歧的。裂成两个子序列，因此系统发育树一般是二歧的。一般考虑二歧的树结构：二歧树一般考虑二歧的树结构：二歧树分支：分支：内部分支内部分支外部分支外部分支节点：节点：内部节点内部节点外部节点外部节点7.2 系统发育树（系统发育树（Phylogenetic tree）abcdabcdabcd adbcbacdcabddabcacbdbcadcbaddbacadbcbaaccdabdcab考虑考虑4个分类群时，共有个分类群时，共有15种可能的有根树种可能的有根树abcdacbdadbc考虑考虑4个分类群时，共有个分类群时，共有3种可能的无根树种可能的无根树系统发育树的

13、种类系统发育树的种类系统发育树的种类系统发育树的种类基因树、物种树基因树、物种树基因树、物种树基因树、物种树 物种树物种树物种树物种树：代表一个物种或代表一个物种或群体进化历史的系统群体进化历史的系统发育树发育树 两个物种分歧的两个物种分歧的时间：两个物种发生时间：两个物种发生生殖隔离的时间生殖隔离的时间 基因树基因树基因树基因树：由来自各个物种由来自各个物种的一个基因构建的系的一个基因构建的系统发育树（不完全等统发育树（不完全等同于物种树），表示同于物种树），表示基因分离的时间。基因分离的时间。ab cd ef基因分裂基因分裂基因分裂基因分裂基因分裂基因分裂物种分裂物种分裂系统发育树的种类系

14、统发育树的种类系统发育树的种类系统发育树的种类期望树、现实树和重建树期望树、现实树和重建树期望树、现实树和重建树期望树、现实树和重建树期望树期望树期望树期望树：一个用无限长的序列或每一一个用无限长的序列或每一分支的期望替代数构建的树分支的期望替代数构建的树理论上：理论上：理论上：理论上：假设所研究的序列无限假设所研究的序列无限长，从中随机抽样进行长，从中随机抽样进行统计分析。统计分析。实际情况：实际情况：实际情况：实际情况：所所研究的序列是短序列，研究的序列是短序列，统计得到的替代数目存统计得到的替代数目存在大量随机误差。在大量随机误差。现实树现实树现实树现实树：建立在实际替代数基础上的树建立

15、在实际替代数基础上的树重建树重建树重建树重建树构树构树方法方法系统发育树的构建系统发育树的构建系统发育树的构建系统发育树的构建构建系统发育树的数据构建系统发育树的数据构建系统发育树的数据构建系统发育树的数据1、特征数据特征数据(character data)：提供了基因、个体、群体或物种的信息提供了基因、个体、群体或物种的信息2、距离数据距离数据(distance data)或或相似性数据相似性数据(similarity data)：涉及的则是成对基因、个体、群体或物种的信息。涉及的则是成对基因、个体、群体或物种的信息。距离矩阵距离矩阵距离数据可以由特征数据计算得到。距离数据可以由特征数据计算

16、得到。反之反之?构造系统发育树的主要方法构造系统发育树的主要方法构造系统发育树的主要方法构造系统发育树的主要方法 距离法距离法距离法距离法 根据每对物种之间的距离直接计算得到。所生根据每对物种之间的距离直接计算得到。所生成的树的质量取决于距离尺度的质量成的树的质量取决于距离尺度的质量 简约法简约法简约法简约法 通过寻求物种间最小的变更数来完成的通过寻求物种间最小的变更数来完成的 似然法似然法似然法似然法 通过标准的统计推断建立系统发育的概率模型通过标准的统计推断建立系统发育的概率模型 其它方法其它方法其它方法其它方法：神经网络方法、神经网络方法、Hadamard结合法结合法构建系统发育树的主要

17、过程构建系统发育树的主要过程构建系统发育树的主要过程构建系统发育树的主要过程1、拓扑结构的判别、拓扑结构的判别（从大量的拓扑结构中搜寻、判别）（从大量的拓扑结构中搜寻、判别）2、一个既定拓扑结构的分支长度的估计、一个既定拓扑结构的分支长度的估计最优原则最优原则1、首先要获得所有分类群之间的进化距离。、首先要获得所有分类群之间的进化距离。2、系统发育树的构建是基于进化距离之间的关系。、系统发育树的构建是基于进化距离之间的关系。如何获得所有分类群之间的进化距离如何获得所有分类群之间的进化距离如何获得所有分类群之间的进化距离如何获得所有分类群之间的进化距离1、选定分类群共同的特征序列、选定分类群共同

18、的特征序列氨基酸序列、核苷酸氨基酸序列、核苷酸序列序列 如：人、马、牛、袋鼠、蝾螈、鲤鱼的血红蛋白如：人、马、牛、袋鼠、蝾螈、鲤鱼的血红蛋白 链的氨基酸序链的氨基酸序 列（列（140aa）；人、猕猴、黑猩猩的线粒体）；人、猕猴、黑猩猩的线粒体DNA中细胞色素中细胞色素b基因的核基因的核苷酸序列（苷酸序列（1,125bp）；）；2、比较两两序列之间的差异比较两两序列之间的差异p；7.3 系统发育树构建的距离法系统发育树构建的距离法3、根据不同的概率统计模型，由两条序列的差异根据不同的概率统计模型，由两条序列的差异p值构值构建它们的进化距离建它们的进化距离 氨基酸序列：氨基酸序列：PC（Poiss

19、on校正）距离、校正）距离、距离距离 核苷酸序列：核苷酸序列：Jukes-Cantor模型、模型、Kimura模型、模型、HKY模型等模型等4、如何根据不同的概率统计模型，由两条序列的差异、如何根据不同的概率统计模型，由两条序列的差异p值构建它们的进化距离值构建它们的进化距离方法方法方法方法1 1：UPGMAUPGMA法法法法（Unweighted Pair-Group Method using an arithmetic Average）谱系聚类，使用算术平均的非加权成组谱系聚类，使用算术平均的非加权成组配对方法配对方法方法方法方法方法2 2：邻接法（：邻接法（：邻接法（：邻接法（Neigh

20、bor Joining MethodNeighbor Joining Method）1 1、UPGMAUPGMA法法法法UPGMA：（Unweighted Pair-Group Method using an arithmetic Average,使使用算术平均的非加权成组配对方法用算术平均的非加权成组配对方法）Sokal&Michener(1958)Sneath&Sokal(1973)方法原理：谱系聚类方法原理：谱系聚类谱系聚类法的基本步骤谱系聚类法的基本步骤谱系聚类法的基本步骤谱系聚类法的基本步骤首先将首先将t个样本各自视为一类：得到初始的分类个样本各自视为一类：得到初始的分类G(1)（含

21、有含有t类），计算类），计算t个样本两两之间的距离，它们等价于初始的类个样本两两之间的距离，它们等价于初始的类间距离，得到初始的距离矩阵间距离，得到初始的距离矩阵D(1)；将距离最近的两类合并为一新类，得到新的分类将距离最近的两类合并为一新类，得到新的分类G(2)（含有含有t-1类），并计算新类与其它类的类间距离，得到新类），并计算新类与其它类的类间距离，得到新的类间距离矩阵的类间距离矩阵D(2)，再按照最小距离准则并类，得到再按照最小距离准则并类，得到G(3)（含有含有t-2类）、类）、D(3),。直到所有样本都并成一类直到所有样本都并成一类；画出谱系聚类图，决定分类的个数及各类的成员。画出

22、谱系聚类图，决定分类的个数及各类的成员。讨讨讨讨 论论论论在基因替代速率恒定假设成立时，在基因替代速率恒定假设成立时，UPGMA方法比较适用；方法比较适用；UPGMA方法适用于具有较小变异系数的距离测度；方法适用于具有较小变异系数的距离测度；UPGMA是一种既构建拓扑结构又计算分支长度的方法；是一种既构建拓扑结构又计算分支长度的方法；UPGMA方法既可以得到有根树，也可以得到无根树。方法既可以得到有根树，也可以得到无根树。2 2、邻接法（、邻接法（、邻接法（、邻接法（Neighbor Joining MethodNeighbor Joining Method）最小进化（最小进化（ME）思想：在

23、所有可能的拓扑结构中，选择分思想：在所有可能的拓扑结构中，选择分支长度和支长度和S最小作为最优树。（全局优化思想）最小作为最优树。（全局优化思想）(Edwards&Cavalli-Sforza,1963)Saitou&Nei(1987)：在每一阶段应用最小进化原理，是在每一阶段应用最小进化原理，是ME方法的简化。方法的简化。A AC CD DB B1 12 23 34 45 56 6(1)(1)(2)(2)(3)(3)(4)(4)(1)(1)(2)(2)(2)(2)(6)(6)(7)(7)S：所有分支长度总和所有分支长度总和其中其中X为连接类群为连接类群i,j的节点，的节点，LiX为类群为类群

24、i到到X的分支长度。的分支长度。已知距离矩阵已知距离矩阵已知距离矩阵已知距离矩阵：6个分类群的距离矩阵个分类群的距离矩阵dijdij1234561091215201620710151130510640117508603 3X X1 12 26 64 45 5S=32.41 12 23 36 64 45 5XYS=29.51 12 23 36 64 45 5YA AX(2)(2)(7)(7)S=28.31 12 23 36 64 45 5YA AXB B(2)(2)(7)(7)(2)(2)(6)(6)S=28.01 12 23 36 64 45 5A AB B(2)(2)(7)(7)(2)(2)

25、6)(6)C C(4)(4)(1)(1)S=28.01 12 23 36 64 45 5A AB B(2)(2)(7)(7)(2)(2)(6)(6)C C(4)(4)(1)(1)D D(1)(1)(2)(2)(3)(3)S=28.0ENDEND讨讨讨讨 论论论论NJ法本质上是一种寻找最优拓扑结构的谱系聚类算法。同法本质上是一种寻找最优拓扑结构的谱系聚类算法。同时给出系统发育树的拓扑结构以及分支的长度。时给出系统发育树的拓扑结构以及分支的长度。优点：优点：可以较快地构建系统树；可以较快地构建系统树；适用于分析较大的数据集；适用于分析较大的数据集；能够较方便地进行自展（能够较方便地进行自展（Bo

26、otstrap）检验。检验。MPMP算法基本思想算法基本思想算法基本思想算法基本思想（Fitch,1971;Hartigan,1973）考虑）考虑m个核个核苷酸（或氨基酸）序列（苷酸（或氨基酸）序列（m 4），），假定假定4种核苷酸（或种核苷酸（或20种种氨基酸）可突变为与自身不同的任何一种。氨基酸）可突变为与自身不同的任何一种。对于任一给定的拓扑结构，可以推断每个位点的祖先状态；对于任一给定的拓扑结构，可以推断每个位点的祖先状态；对于该拓扑结构，可以计算出用来解释整个进化过程所需的核苷酸对于该拓扑结构，可以计算出用来解释整个进化过程所需的核苷酸（或氨基酸）的最小替代数目；（或氨基酸）的最小替

27、代数目；对所有可能正确的拓扑结构计算它们的最小替代数目，选择其中最对所有可能正确的拓扑结构计算它们的最小替代数目，选择其中最小的作为最优拓扑结构。小的作为最优拓扑结构。7.4 7.4 系统发育树构建的最大简约法系统发育树构建的最大简约法系统发育树构建的最大简约法系统发育树构建的最大简约法 (Maximum Parsimony Method)(Maximum Parsimony Method)MPMP法决定系统树的拓扑结构法决定系统树的拓扑结构法决定系统树的拓扑结构法决定系统树的拓扑结构特定结构树的最小替代数目估计特定结构树的最小替代数目估计1 12 23 34 45 56 6AAAGGTAGG

28、G1 12 23 34 45 56 6AAAGGTAAAT祖先节点的核苷酸不能完全唯一确定。祖先节点的核苷酸不能完全唯一确定。计算所有结构树并选取最短树长计算所有结构树并选取最短树长对于任一给定的拓扑结构，计算它的树长（即所有位点对于任一给定的拓扑结构，计算它的树长（即所有位点的最小替代数目之和）的最小替代数目之和）L；选取具有最短树长的拓扑结构为最大简约树。选取具有最短树长的拓扑结构为最大简约树。信息位点、趋同进化信息位点、趋同进化不变位点：不变位点：不变位点：不变位点：在所有分类群中相同核苷酸或氨基酸的位点。在所有分类群中相同核苷酸或氨基酸的位点。不变位点不提供任何信息。不变位点不提供任何

29、信息。简约信息位点简约信息位点简约信息位点简约信息位点：位点上至少有两种不同的核苷酸或氨基酸，：位点上至少有两种不同的核苷酸或氨基酸，且每种至少出现两次。且每种至少出现两次。MP法构建系统树的位点：法构建系统树的位点：只利用简约信息位点；只利用简约信息位点；既利用简约信息位点，也利用单一位点。既利用简约信息位点，也利用单一位点。单一位点单一位点单一位点单一位点：位点上只有一个分类群具有一种不同的核苷酸或氨基酸。：位点上只有一个分类群具有一种不同的核苷酸或氨基酸。对所有的拓扑结构都只能用相同的替代数目表示。对所有的拓扑结构都只能用相同的替代数目表示。单一位点也不提供任何单一位点也不提供任何MP信

30、息。信息。MPMP法决定系统树的分支长度法决定系统树的分支长度法决定系统树的分支长度法决定系统树的分支长度进化通径进化通径进化通径进化通径：考虑任意两个密码子之间变换的可能路径：考虑任意两个密码子之间变换的可能路径分支长度估计分支长度估计通过考虑每个非不变位点的所有进化通径，并计算每个内通过考虑每个非不变位点的所有进化通径，并计算每个内部分支或外部分支的平均替代数来估计部分支或外部分支的平均替代数来估计MP树的分支长度。树的分支长度。（具体算法略）（具体算法略）MPMP法评述法评述法评述法评述MP法适用的问题法适用的问题位点不存在回复突变、平行突变；位点不存在回复突变、平行突变；被分析的序列较

31、长，核苷酸或氨基酸数目很大；被分析的序列较长，核苷酸或氨基酸数目很大；序列的相似度较高；序列的相似度较高；核苷酸或氨基酸替代速率较稳定。核苷酸或氨基酸替代速率较稳定。MLML算法基本思想算法基本思想算法基本思想算法基本思想（Felsenstein,1981;Kishino,1990）以一个特定的替代模型分析一组给定的核苷酸（或氨基酸）以一个特定的替代模型分析一组给定的核苷酸（或氨基酸）序列数据，使获得的每一个拓扑结构的似然率均为最大，挑序列数据，使获得的每一个拓扑结构的似然率均为最大，挑选其中最大似然率最大的拓扑结构，选为最终系统树。选其中最大似然率最大的拓扑结构，选为最终系统树。ML法考察的

32、既可以是拓扑结构，也可以是既定拓扑结构的法考察的既可以是拓扑结构，也可以是既定拓扑结构的分支长度。分支长度。ML法采用了标准的统计方法，以建立进化的概率模型。法采用了标准的统计方法，以建立进化的概率模型。计算量非常大。计算量非常大。7.5 7.5 系统发育树构建的最大似然法系统发育树构建的最大似然法系统发育树构建的最大似然法系统发育树构建的最大似然法(Maximum Likelihood Method)(Maximum Likelihood Method)软件名称网址说明PHYLIPhttp:/evolution.gs.washington.edu/phylip.htmlIt includes

33、 programs to carry out parsimony,distance matrix methods,maximum likelihood,and other methods on a variety of types of data,including DNA and RNA sequences,protein sequences,restriction sites,0/1 discrete characters data,gene frequencies,continuous characters and distance matrices.PAUPhttp:/paup.csi

34、t.fsu.edu/It includes parsimony,distance matrix,invariants,and maximum likelihood methods and many indices and statistical tests.Tree of Lifehttp:/phylogeny.arizona.edu/tree/program/program.htmlArizona大学开发的软件7.6 分子进化与系统发育分析常用的软件分子进化与系统发育分析常用的软件软件名称网址说明MEGAhttp:/美国宾州州立大学Masatoshi Nei开发(It carries out

35、 parsimony,distance matrix and likelihood methods for molecular data.)MOLPHYhttp:/www.ism.ac.jp/software/ismlib/softother.e.html#molphy日本国立统计数理研究所开发。(Carrying out maximum likelihood inference of phylogenies for either nucleotide sequences or protein sequences.)PAMLhttp:/abacus.gene.ucl.ac.uk/softwar

36、e/paml.html英国伦敦学院Z.H.YANG开发。(A package of programs for the ML analysis of nucleotide or protein sequences.)PUZZLEftp:/fx.zi.biologie.uni-muenchen.de/pub/puzzle应用Quarter puzzling方法（一种最大简约法）构建系统发育树TreeViewhttp:/taxonomy.zoology.gla.ac.uk/rod/treeview.htmlA program for displaying trees on Apple Macs an

37、d Windows PCs.It can draw rooted and unrooted trees,display bootstrap values,and supports the native font and graphics file formats of both Macs and PCs.phylogenyhttp:/www.ebi.ac.uk/biocat/phylogeny.htmlEBI的系统发育树分析软件1 1、进化理论概述进化理论概述进化理论概述进化理论概述“一个半世纪以前，一个半世纪以前，Charles Darwin可能没有意识到他所给予可能没有意识到他所给予科学的

38、是一件从未有过的强大武科学的是一件从未有过的强大武器，即他的进化理论。科学家用器，即他的进化理论。科学家用这把坚利之剑斩断了无知、迷信这把坚利之剑斩断了无知、迷信和傲慢，这些束缚人类对亿万年和傲慢，这些束缚人类对亿万年来的生命的了解的镣铐。来的生命的了解的镣铐。”美国自然博物馆成立美国自然博物馆成立125周年纪周年纪念专刊念专刊前言前言Charles Darwin(1809-1882)7.6 生物进化理论与分子进化生物进化理论与分子进化DarwinianDarwinian进化理论告诉了什么？进化理论告诉了什么？进化理论告诉了什么？进化理论告诉了什么？1、遗传和变异遗传和变异遗传和变异遗传和变异

39、 一切生物都能发生变异，至少有一部分变异能够遗传给后代一切生物都能发生变异，至少有一部分变异能够遗传给后代2、自然选择自然选择自然选择自然选择 繁殖过剩：任何生物产生的生殖细胞或后代数目要远远多于可能存活繁殖过剩：任何生物产生的生殖细胞或后代数目要远远多于可能存活的个体数目；而在所产生的后代中，那些最具有适应环境条件的有利变异的个体数目；而在所产生的后代中，那些最具有适应环境条件的有利变异的个体有较大的生存机会，并繁殖后代，从而使有利变异可以世代积累，的个体有较大的生存机会，并繁殖后代，从而使有利变异可以世代积累，不利变异被淘汰。不利变异被淘汰。“选择选择”不是超自然的上帝的作用。不是超自然的

40、上帝的作用。3、性状分歧；种的形成、绝灭；系统树性状分歧；种的形成、绝灭；系统树性状分歧；种的形成、绝灭；系统树性状分歧；种的形成、绝灭；系统树 性状分歧原理性状分歧原理在同一个种内，个体之间在结构、习性上越是歧异，在同一个种内，个体之间在结构、习性上越是歧异，则在适应不同环境方面愈是有利，因而将会繁育更多的个体，分布道更广则在适应不同环境方面愈是有利，因而将会繁育更多的个体，分布道更广的范围。由此一个种会逐渐演变为若干变种、亚种乃至新种。的范围。由此一个种会逐渐演变为若干变种、亚种乃至新种。新种的形成、种间的竞争、种的绝灭、外界环境的作用新种的形成、种间的竞争、种的绝灭、外界环境的作用 系统

41、树系统树由于性状分歧和中间类型的绝灭，新种不断产生、旧种不由于性状分歧和中间类型的绝灭，新种不断产生、旧种不断绝灭，种间差异不断扩大，形成时间、空间上的物种系统树。断绝灭，种间差异不断扩大，形成时间、空间上的物种系统树。DarwinianDarwinian进化理论的三次修正进化理论的三次修正进化理论的三次修正进化理论的三次修正第一次：第一次：“新新新新DarwinianDarwinian主义主义主义主义”1900s，Weismann等，消除等，消除Lamarck的的“获得性遗传获得性遗传”学说、学说、Buffon的的“环境直接作用环境直接作用”学说，强调学说，强调“自然选择自然选择”为进化的主

42、要因素；为进化的主要因素；第二次：第二次：“现代综合论现代综合论现代综合论现代综合论(Modern synthesis)”(Modern synthesis)”1930-40s，遗传学、生物系统学、古生物学的重大贡献：对遗传学、生物系统学、古生物学的重大贡献：对“自然选自然选择择”、“物种变异物种变异”等概念的新认识。等概念的新认识。适应：繁殖的相对优势适应：繁殖的相对优势 适应度：个体或基因型对后代或后代基因库的相对贡献适应度：个体或基因型对后代或后代基因库的相对贡献 适应和选择：繁殖或基因传递的相对差异适应和选择：繁殖或基因传递的相对差异 第三次：第三次：NOW 原因：现代分子生物学、古生

43、物学的发展。原因：现代分子生物学、古生物学的发展。宏观（对生物进化实际过程的了解）：古生物学揭示生命进化的规宏观（对生物进化实际过程的了解）：古生物学揭示生命进化的规律、进化速度、进化趋势、物种的形成和绝灭律、进化速度、进化趋势、物种的形成和绝灭 微观：现代分子生物学揭示生物大分子的进化规律和携带遗传信息微观：现代分子生物学揭示生物大分子的进化规律和携带遗传信息的物质基础及其复杂结构的物质基础及其复杂结构 新的认识：新的认识：1.生物进化过程并非生物进化过程并非“匀速匀速”、“渐变渐变”的，而是的，而是“快速进化快速进化”与与“进化停滞进化停滞”相间；相间；2.生物进化与分子进化都显示出相当大

44、的随机性，自然选择并非总是生物进化与分子进化都显示出相当大的随机性，自然选择并非总是进化的主要因素；进化的主要因素；3.遗传系统本身具有某种进化功能，进化过程中可能存在内因的遗传系统本身具有某种进化功能，进化过程中可能存在内因的“驱驱动动”和和“导向导向”。Continuing进化论围绕的三个主题进化论围绕的三个主题进化论围绕的三个主题进化论围绕的三个主题1、进化的动力是什么？、进化的动力是什么？2、进化是否有一定的方向？、进化是否有一定的方向？3、进化的速度是否恒定？是渐、进化的速度是否恒定？是渐近的还是跳跃的？近的还是跳跃的？分子进化理论同样必须回答上述分子进化理论同样必须回答上述三个问题

45、三个问题。2 2、分子进化的两个特点、分子进化的两个特点、分子进化的两个特点、分子进化的两个特点生物大分子进化速率的相对恒定生物大分子进化速率的相对恒定生物大分子进化速率的相对恒定生物大分子进化速率的相对恒定分子进化速率分子进化速率 生物大分子随时间的改变主要表现为核苷酸、蛋白质的生物大分子随时间的改变主要表现为核苷酸、蛋白质的一级结构的改变，即分子序列中核苷酸、氨基酸的替换一级结构的改变，即分子序列中核苷酸、氨基酸的替换不同物种同源大分子的分子进化速率大体相同不同物种同源大分子的分子进化速率大体相同 例子：比较不同物种血红蛋白氨基酸序列差异例子：比较不同物种血红蛋白氨基酸序列差异 人、马人

46、马0.8 10-9/AA.a 人、鲤鱼人、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分子进化速率远远比表型进化速率稳定原因？原因？序列的核苷酸或氨基酸替换是否随机过程？序列的核苷酸或氨基酸替换是否随机过程？生物大分子进化的保守性生物大分子进化的保守性生物大分子进化的保守性生物大分子进化的保守性保守性保守性功能上重要的大分子或大分子的局部在进化速率上明显低于那些在功功能上重要的大分子或大分子的局部在进化速率上明显低于那些在功能上不重要的大分子或者大分子局部。能上不重要的大分子或者大分子局部。引起表型发生显著改变的突变发生的频率要低于无明显表型发生显著引起表型发生显著改变的

47、突变发生的频率要低于无明显表型发生显著改变得突变发生的频率。改变得突变发生的频率。n 氨基酸氨基酸 例子：血红蛋白分子的外区的功能要次于内区的功能，外区的进化例子：血红蛋白分子的外区的功能要次于内区的功能，外区的进化速率是内区进化速率的速率是内区进化速率的10倍。倍。n 核苷酸核苷酸 例子：例子：DNA密码子的同义替代频率高于非同义替代频率；内含子密码子的同义替代频率高于非同义替代频率；内含子上的核苷酸替代频率较高。上的核苷酸替代频率较高。生物大分子进化并非完全随机生物大分子进化并非完全随机 存在某种制约因素，存在某种机制存在某种制约因素，存在某种机制?3 3、分子进化中性论、分子进化中性论、

48、分子进化中性论、分子进化中性论Neutral theory of molecular evolution(Kimura&Ohta,1968,1971)(King&Jukes,1969)提出分子层次上的提出分子层次上的“non-Darwinian evolution”“生物分子层次上的进化不是由对有利突变的自然选择作生物分子层次上的进化不是由对有利突变的自然选择作用引起的，而是在连续突变压下选择中性或非常接近中性用引起的，而是在连续突变压下选择中性或非常接近中性的突变的随机固定造成的。中性突变是指对当前适应度无的突变的随机固定造成的。中性突变是指对当前适应度无影响的突变。影响的突变。”中性突变中

49、性突变中性突变中性突变、连续突变压连续突变压连续突变压连续突变压、随机固定随机固定随机固定随机固定否认自然选择在分子进化中的作用，认为生物大分子的进否认自然选择在分子进化中的作用，认为生物大分子的进化主要因素是化主要因素是机会机会机会机会和和突变压力突变压力突变压力突变压力。分子进化中性论的若干依据分子进化中性论的若干依据分子进化中性论的若干依据分子进化中性论的若干依据分子层次上的大多数变异是选择中性的分子层次上的大多数变异是选择中性的 蛋白质和核苷酸分子的进化速率高且相对恒定蛋白质和核苷酸分子的进化速率高且相对恒定 突变压在分子进化中的作用得到研究证实突变压在分子进化中的作用得到研究证实按照

50、群体遗传学的数学模型，自然选择的代价太高。按照群体遗传学的数学模型，自然选择的代价太高。分子进化中性论的讨论分子进化中性论的讨论分子进化中性论的讨论分子进化中性论的讨论1、中性论解释分子层次的进化现象、中性论解释分子层次的进化现象 自然选择只作用于表型，并不直接作用于分子。自然选择只作用于表型，并不直接作用于分子。衡量尺度的区别：分子的显著性改变并不意味着表型的显著性衡量尺度的区别：分子的显著性改变并不意味着表型的显著性改变。改变。中性论只涉及生物大分子一级结构单元的替换，并不包含和解中性论只涉及生物大分子一级结构单元的替换，并不包含和解释分子层次的全部改变（如蛋白质三级结构、功能的改变）释分