分子進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育學(xué)課件

分子進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育學(xué)26、機(jī)遇對(duì)于有準(zhǔn)備的頭腦有特別的親和力。27、自信是人格的核心。28、目標(biāo)的堅(jiān)定是性格中最必要的力量泉源之一，也是成功的利器之一。沒(méi)有它，天才也會(huì)在矛盾無(wú)定的迷徑中，徒勞無(wú)功。--查士德斐爾爵士。29、困難就是機(jī)遇。--溫斯頓．丘吉爾。30、我奮斗，所以我快樂(lè)。--格林斯潘。分子進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育學(xué)分子進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育學(xué)26、機(jī)遇對(duì)于有準(zhǔn)備的頭腦有特別的親和力。27、自信是人格的核心。28、目標(biāo)的堅(jiān)定是性格中最必要的力量泉源之一，也是成功的利器之一。沒(méi)有它，天才也會(huì)在矛盾無(wú)定的迷徑中，徒勞無(wú)功。--查士德斐爾爵士。29、困難就是機(jī)遇。--溫斯頓．丘吉爾。30、我奮斗，所以我快樂(lè)。--格林斯潘。第六講分子進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育學(xué)Molecularevolutionandphylogenetics《老山發(fā)現(xiàn)大型西漢王陵墓》《北京晚報(bào)》2000年03月18日《老山漢墓考古發(fā)掘進(jìn)入核心部分》《人民日?qǐng)?bào)》

(2000年08月20日Beginwithastory…STORY1:墓主（西漢諸侯王后）尸骨，鑒定為女性，年齡約30歲，身高約1.60米分子進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育學(xué)26、機(jī)遇對(duì)于有準(zhǔn)備的頭腦有特別的親和力1分子進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育學(xué)課件2分子進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育學(xué)課件3分子進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育學(xué)課件4分子進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育學(xué)課件5

據(jù)周慧教授介紹，由于老山漢墓女主人的骨骼保存狀況欠佳，因此運(yùn)用分子生物學(xué)的方法對(duì)其線粒體進(jìn)行提取、擴(kuò)增、測(cè)序和分析是這項(xiàng)綜合性研究計(jì)劃中的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)課題。其人骨樣本中DNA降解嚴(yán)重、含量很少，提取工作很不順利。為此研究人員考慮了三套方案，即分別從其肢骨、牙齒和顱腔中偶然保存下來(lái)的一塊干燥腦組織中提取DNA。由于樣本的肢骨、牙齒的保存情況欠佳，未能提取出DNA。最后經(jīng)過(guò)課題組成員堅(jiān)韌不拔的努力和反復(fù)實(shí)驗(yàn)，終于分別從干燥腦組織的三個(gè)不同部位成功得到了古DNA模板，并擴(kuò)增測(cè)序。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，三個(gè)不同部位所得序列一致，同一抽提產(chǎn)物的平等測(cè)序結(jié)果相同，該序列真實(shí)地反映了老山漢墓女墓主的遺傳信息。據(jù)周慧教授介紹，由于老山漢墓女主人的骨骼保存6

古代DNA是指從田野考古發(fā)掘中出土的古代人類和動(dòng)物遺骸以及古生物化石中提取的古代生物分子。隨著現(xiàn)代生物技術(shù)、有機(jī)地球化學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)古代DNA的研究也不斷深入。

把古代DNA數(shù)據(jù)與現(xiàn)代基因庫(kù)中的數(shù)據(jù)資料相結(jié)合，便可以構(gòu)建出某一生物門類的系統(tǒng)發(fā)育樹，從而進(jìn)一步探討人類的演化與遷移等重大問(wèn)題。古代DNA是指從田野考古發(fā)掘中出土的古代人類7古分子系統(tǒng)學(xué)、分子系統(tǒng)學(xué)古生物遺體、化石保存的三種信息：1、形態(tài)學(xué)信息2、化學(xué)信息（生物的代謝產(chǎn)物和一般的生物化學(xué)分子）3、遺傳信息(保存的一級(jí)結(jié)構(gòu)生物大分子,即基因產(chǎn)物和基因片段)分子系統(tǒng)學(xué)（MolecularSystematics）：從生物大分子（氨基酸、核苷酸）的遺傳信息推斷生物進(jìn)化的歷史，并以系統(tǒng)樹（譜系）的形式表達(dá)出來(lái)。古分子系統(tǒng)學(xué)：利用古代DNA保留的遺傳信息進(jìn)行分子系統(tǒng)學(xué)研究分子進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育學(xué)課件8§6.1生物進(jìn)化的分子基礎(chǔ)分子進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育學(xué)課件9Darwin,Charles(1809-1882)

《TheOriginofSpecies》（1859）Darwin,Charles《TheOriginof10分子進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育學(xué)課件11分子進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育學(xué)課件12化石證據(jù)

(Fossil)比較形態(tài)學(xué)證據(jù)

(Comparativemorphology)比較生理學(xué)證據(jù)

(Comparativephysiology)系統(tǒng)學(xué)(Systematics)分類學(xué)(Taxonomy)經(jīng)典的進(jìn)化研究方法化石證據(jù)系統(tǒng)學(xué)(Systematics)經(jīng)典的進(jìn)化研究方法13比較形態(tài)學(xué)證據(jù)

(Comparativemorphology)比較形態(tài)學(xué)證據(jù)14

普適性

由4種核酸組成分子水平的進(jìn)化表現(xiàn)為：DNA序列的演化、氨基酸序列演化、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的演化

可比較性

比較不同物種的有關(guān)DNA序列建立DNA序列的演化模型、氨基酸序列的演化模型（數(shù)學(xué)模型）蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的演化模型（形態(tài)、性狀的演化模型？）

基因組編碼信息的豐富

與形態(tài)、性狀包含的信息相比，基因組序列包含更多、更復(fù)雜的信息結(jié)構(gòu)進(jìn)化學(xué)的分子途徑進(jìn)化學(xué)的分子途徑15分子系統(tǒng)發(fā)育學(xué)MolecularPhylogenetics分子系統(tǒng)學(xué)MolecularSystematicsWhatcanwedoformolecularevolution?序列比較：源于同一祖先DNA/氨基酸序列的兩條DNA/氨基酸序列，考察二者的差異。序列差異：進(jìn)化過(guò)程中分子突變的痕跡分子進(jìn)化：以累計(jì)在DNA/氨基酸分子上的歷史信息為基礎(chǔ)，研究分子水平的生物進(jìn)化過(guò)程和機(jī)制。分子系統(tǒng)學(xué)為生物分類問(wèn)題提供了許多嶄新的見解。分子系統(tǒng)發(fā)育學(xué)Whatcanwedoformole16基因突變1、核苷酸替代、插入/缺失、重組2、基因轉(zhuǎn)換固定在生物個(gè)體以及物種內(nèi)遺傳漂變自然選擇傳遞給后代產(chǎn)生新的形態(tài)、性狀分子系統(tǒng)學(xué)是研究進(jìn)化機(jī)制的一個(gè)重要工具。生物進(jìn)化的分子機(jī)制基因突變1、核苷酸替代、插入/缺失、重組固定在生物個(gè)體遺傳漂17性狀改變DNA分子的改變核苷酸替代substitution核苷酸缺失deletion核苷酸插入insertion核苷酸倒位invertionDNA序列的突變性狀改變DNA分子的改變核苷酸替代substitution核18ThrTyrLeuLeuACCTATTTGCTGACCTCTTTGCTGThrSerLeuLeu替代ThrTyrLeuLeuACCTATTTGCTGACCTACTTTGCTGThrTyrPheAla插入ThrTyrLeuLeuACCTATTTGCTGACCTATTGCTG-ThrTyrCys-缺失ThrTyrLeuLeuACCTAT

TTGCTGACCTTT

ATGCTGThrPheMetLeu倒位ThrTyrLeuLeuACCTCT19核苷酸替代的幾種分類轉(zhuǎn)換

（transition）嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶顛換

（transvertion）嘌呤嘧啶嘧啶嘌呤ATCG胞嘧啶腺嘌呤胸腺嘧啶鳥嘌呤

在大多數(shù)DNA片段中，轉(zhuǎn)換出現(xiàn)的概率高于顛換出現(xiàn)的概率。核苷酸替代的幾種分類轉(zhuǎn)換顛換ATCG胞嘧啶腺嘌呤胸腺20DNA序列突變對(duì)氨基酸序列的影響

同義（沉默）替代（synonymous/silentsubstitution）仍然為同義密碼子的核苷酸替代如：TATTAC

TyrTyr

非同義替代（nonsynonymoussubstitution）導(dǎo)致產(chǎn)生非同義密碼子的核苷酸替代如：TATAAT

TyrAsn

無(wú)義突變（nonsensemutation）導(dǎo)致產(chǎn)生終止密碼子的核苷酸突變?nèi)纾篢ATTAA

TyrSTP問(wèn)題：假設(shè)所有密碼子以同一概率出現(xiàn)，上述三種突變的比例25%，71%，4%DNA序列突變對(duì)氨基酸序列的影響同義（沉默）替代（syno21密碼子使用頻率(codonusage)密碼子使用頻率(codonusage)22密碼子使用頻率的偏倚性：編碼同一個(gè)氨基酸的多個(gè)同義密碼子具有不同的使用頻率例：E.coli的RNA聚合酶

纈氨酸ValGTTGTCGTAGTG55213434

精氨酸ArgCGUCGCCGACGG894610為什么會(huì)出現(xiàn)密碼子使用頻率的偏倚性？與同功能tRNA的豐度有關(guān)？突變壓力與進(jìn)化選擇雙重控制？Openproblem密碼子使用頻率的偏倚性：例：E.coli的RNA聚合酶為什23基因組進(jìn)化的分子基礎(chǔ):突變重組轉(zhuǎn)座基因組進(jìn)化的分子基礎(chǔ):24突變突變的機(jī)制

?自發(fā)性損傷(復(fù)制中的損傷、堿基的自發(fā)性化學(xué)改變、細(xì)胞的代謝產(chǎn)物對(duì)DNA的損傷)?物理因素引起的損傷(電離輻射、紫外線、熱誘變等)?化學(xué)因素引起的損傷（烷化劑、堿基類似物、嵌入試劑等）

突變25

突變的效應(yīng)?

突變對(duì)基因組的影響同義突變：沒(méi)有改變產(chǎn)物氨基酸序列的密碼子

錯(cuò)義突變：堿基序列的改變引起了氨基酸序列的改變（中性突變、滲漏突變）無(wú)義突變：堿基的改變使代表某種氨基酸的密碼子變?yōu)榈鞍缀铣傻慕K止密碼子

連讀突變：與終止突變正好相反，終止密碼子變成指令某一氨基酸的密碼子，使翻譯繼續(xù)進(jìn)行突變的效應(yīng)26重組同源重組位點(diǎn)專一性重組重組同源重組27轉(zhuǎn)座轉(zhuǎn)座:是基因進(jìn)化的一種重要方式,它不是重組,但利用了重組的過(guò)程,它是一段DNA或其拷貝從基因組的一個(gè)位置轉(zhuǎn)移到另一位置，并在插入位點(diǎn)兩測(cè)產(chǎn)生1對(duì)很短的正向重復(fù)序列根據(jù)轉(zhuǎn)座機(jī)制可分為2個(gè)大的范疇:DNA轉(zhuǎn)座子

以DNA區(qū)段作為轉(zhuǎn)座成分又可分為復(fù)制轉(zhuǎn)座和保守轉(zhuǎn)座逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子

以RNA為中介轉(zhuǎn)座轉(zhuǎn)座:是基因進(jìn)化的一種重要方式,它不是重組,但利28§6.2系統(tǒng)發(fā)育樹（Phylogenetictree）分子進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育學(xué)課件29TsarNicholasIIEstablishingtheidentityofAnnaAndersonManahanAnnaAndersonAnastasia?《真假公主》——1917年俄國(guó)末代王朝被推翻，貴族與侍衛(wèi)全部逃走，而沙皇可憐的兒子老少一個(gè)都沒(méi)走脫，并于1918年被全部處決。但民間卻流傳著沙皇的小女兒死里逃生，遠(yuǎn)走他鄉(xiāng)的故事。為了得到俄國(guó)沙皇的一千萬(wàn)遺產(chǎn)，許多人絞盡腦汁尋找安娜公主，終無(wú)所獲。俄國(guó)貴族后裔布丁將軍終于找到一位外貌氣質(zhì)酷似安娜公主的女子，于是訓(xùn)練她皇室的各種禮儀及相關(guān)的人和事，安娜公主過(guò)關(guān)斬將。順利和皇太后相認(rèn)，就在太后要宣布安娜公主為遺產(chǎn)繼承人并與保羅定婚時(shí)，安娜公主與布丁悄然消失，結(jié)局出人意料……STORY2:TsarNicholasIIAnnaAndersonA30STORY3:極端厭氧的產(chǎn)甲烷菌高溫下生活的嗜熱菌美國(guó)黃石公園內(nèi)有許多溫泉，水溫從20℃到100℃，其中生活著一些喜歡熱的微生物，用顯微鏡觀察，這些微生物呈桿狀。1964年生物學(xué)家托馬斯·布羅克在黃石公園的溫泉源頭發(fā)現(xiàn)了微生物，第二年夏天又發(fā)現(xiàn)了在60攝氏度的水中生活的水藻，還有在82攝氏度的水溫下生存的微生物。STORY3:極端厭氧的產(chǎn)甲烷菌高溫下生活的嗜熱菌美國(guó)31基于16S/18S核糖體RNA序列比對(duì)得到的古細(xì)菌系統(tǒng)發(fā)育樹（Ettema等，2005）生命三界：細(xì)菌（Eubacteria）古細(xì)菌（Archaebacteria）真核（Eukaryotes）（WoeseandFox,1977）基于16S/18S核糖體RNA序列比對(duì)得到的古細(xì)菌系統(tǒng)發(fā)育樹32/1May2003/Page7/10.1126/science.1085952STORY4:電子顯微鏡下的SARS冠狀病毒100nm/STORY4:電子顯33abcdabcd拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：有根樹：反映時(shí)間順序無(wú)根樹：反映距離

理論上，一個(gè)DNA序列在物種形成或基因復(fù)制時(shí)，分裂成兩個(gè)子序列，因此系統(tǒng)發(fā)育樹一般是二歧的。一般考慮二歧的樹結(jié)構(gòu)：二歧樹分支：內(nèi)部分支外部分支節(jié)點(diǎn)：內(nèi)部節(jié)點(diǎn)外部節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)發(fā)育樹的種類——有根樹、無(wú)根樹abcdabcd拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：理論上，一個(gè)DNA34abcdabcdabcdadbcbacdcabddabcacbdbcadcbaddbacadbcbaaccdabdcab考慮4個(gè)分類群時(shí)，共有15種可能的有根樹abcdabcdabcdadbcbacdcabddabcac35abcdacbdadbc考慮4個(gè)分類群時(shí)，共有3種可能的無(wú)根樹abcdacbdadbc考慮4個(gè)分類群時(shí)，共有3種可能的無(wú)根36考察類群數(shù)為m(m

3)的系統(tǒng)樹，其可能的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)數(shù)目為：有根樹無(wú)根樹m=10:34,459,425種m=10:2,027,025種當(dāng)m較大時(shí)，選出真實(shí)樹的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)十分困難?？疾祛惾簲?shù)為m(m3)的系統(tǒng)樹，其可能的拓?fù)浣Y(jié)37分支數(shù)目：有根樹無(wú)根樹內(nèi)部分支數(shù)目：有根樹無(wú)根樹內(nèi)部節(jié)點(diǎn)數(shù)目：有根樹無(wú)根樹分支數(shù)目：有根樹無(wú)根樹內(nèi)部分支數(shù)目：有根樹無(wú)根樹內(nèi)部節(jié)點(diǎn)數(shù)目38

物種樹：

代表一個(gè)物種或群體進(jìn)化歷史的系統(tǒng)發(fā)育樹兩個(gè)物種分歧的時(shí)間：兩個(gè)物種發(fā)生生殖隔離的時(shí)間

基因樹：

由來(lái)自各個(gè)物種的一個(gè)基因構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)育樹（不完全等同于物種樹），表示基因分離的時(shí)間。abcdef基因分裂基因分裂基因分裂物種分裂系統(tǒng)發(fā)育樹的種類——基因樹、物種樹物種樹：abcdef基因分裂基因分裂基因分裂物種分裂系39期望樹：

一個(gè)用無(wú)限長(zhǎng)的序列或每一分支的期望替代數(shù)構(gòu)建的樹理論上：假設(shè)所研究的序列無(wú)限長(zhǎng)，從中隨機(jī)抽樣進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。實(shí)際情況：所研究的序列是短序列，統(tǒng)計(jì)得到的替代數(shù)目存在大量隨機(jī)誤差?，F(xiàn)實(shí)樹：

建立在實(shí)際替代數(shù)基礎(chǔ)上的樹重建樹構(gòu)樹方法系統(tǒng)發(fā)育樹的種類——期望樹、現(xiàn)實(shí)樹和重建樹期望樹：理論上：實(shí)際情況：現(xiàn)實(shí)樹：重建樹構(gòu)樹方法系統(tǒng)發(fā)育樹的40構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹的數(shù)據(jù)1、特征數(shù)據(jù)(characterdata)：提供了基因、個(gè)體、群體或物種的信息2、距離數(shù)據(jù)(distancedata)或相似性數(shù)據(jù)(similaritydata)：涉及的則是成對(duì)基因、個(gè)體、群體或物種的信息。

距離矩陣距離數(shù)據(jù)可以由特征數(shù)據(jù)計(jì)算得到。反之?系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹的數(shù)據(jù)距離數(shù)據(jù)可以由特征數(shù)據(jù)計(jì)算得到。系統(tǒng)發(fā)育41構(gòu)造系統(tǒng)發(fā)育樹的主要方法距離法

根據(jù)每對(duì)物種之間的距離直接計(jì)算得到。所生成的樹的質(zhì)量取決于距離尺度的質(zhì)量簡(jiǎn)約法

通過(guò)尋求物種間最小的變更數(shù)來(lái)完成的似然法

通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)計(jì)推斷建立系統(tǒng)發(fā)育的概率模型其它方法：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、Hadamard結(jié)合法……構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹的主要過(guò)程1、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的判別（從大量的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中搜尋、判別）2、一個(gè)既定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分支長(zhǎng)度的估計(jì)最優(yōu)原則構(gòu)造系統(tǒng)發(fā)育樹的主要方法構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹的主要過(guò)程最優(yōu)原則42§6.3生物進(jìn)化理論與分子進(jìn)化的討論分子進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育學(xué)課件431、進(jìn)化理論概述“一個(gè)半世紀(jì)以前，CharlesDarwin可能沒(méi)有意識(shí)到他所給予科學(xué)的是一件從未有過(guò)的強(qiáng)大武器，即他的進(jìn)化理論?？茖W(xué)家用這把堅(jiān)利之劍斬?cái)嗔藷o(wú)知、迷信和傲慢，這些束縛人類對(duì)億萬(wàn)年來(lái)的生命的了解的鐐銬。”——《美國(guó)自然博物館成立125周年紀(jì)念?？非把訡harlesDarwin(1809-1882)1、進(jìn)化理論概述CharlesDarwin44Darwinian進(jìn)化理論告訴了什么？1、遺傳和變異

一切生物都能發(fā)生變異，至少有一部分變異能夠遺傳給后代2、自然選擇

繁殖過(guò)剩：任何生物產(chǎn)生的生殖細(xì)胞或后代數(shù)目要遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于可能存活的個(gè)體數(shù)目；而在所產(chǎn)生的后代中，那些最具有適應(yīng)環(huán)境條件的有利變異的個(gè)體有較大的生存機(jī)會(huì)，并繁殖后代，從而使有利變異可以世代積累，不利變異被淘汰?！斑x擇”不是超自然的上帝的作用。3、性狀分歧；種的形成、絕滅；系統(tǒng)樹

性狀分歧原理——在同一個(gè)種內(nèi)，個(gè)體之間在結(jié)構(gòu)、習(xí)性上越是歧異，則在適應(yīng)不同環(huán)境方面愈是有利，因而將會(huì)繁育更多的個(gè)體，分布到更廣的范圍。由此一個(gè)種會(huì)逐漸演變?yōu)槿舾勺兎N、亞種乃至新種。新種的形成、種間的競(jìng)爭(zhēng)、種的絕滅、外界環(huán)境的作用系統(tǒng)樹——由于性狀分歧和中間類型的絕滅，新種不斷產(chǎn)生、舊種不斷絕滅，種間差異不斷擴(kuò)大，形成時(shí)間、空間上的物種系統(tǒng)樹。Darwinian進(jìn)化理論告訴了什么？45Darwinian進(jìn)化理論的三次修正第一次：“新Darwinian主義”

1900s，Weismann等，消除Lamarck的“獲得性遺傳”學(xué)說(shuō)、Buffon的“環(huán)境直接作用”學(xué)說(shuō)，強(qiáng)調(diào)“自然選擇”為進(jìn)化的主要因素；第二次：“現(xiàn)代綜合論(Modernsynthesis)”1930-40s，遺傳學(xué)、生物系統(tǒng)學(xué)、古生物學(xué)的重大貢獻(xiàn)：對(duì)“自然選擇”、“物種變異”等概念的新認(rèn)識(shí)。適應(yīng)：繁殖的相對(duì)優(yōu)勢(shì)適應(yīng)度：個(gè)體或基因型對(duì)后代或后代基因庫(kù)的相對(duì)貢獻(xiàn)適應(yīng)和選擇：繁殖或基因傳遞的相對(duì)差異

……

達(dá)爾文主義的科學(xué)基礎(chǔ)分子進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育學(xué)課件46第三次：NOW…

原因：現(xiàn)代分子生物學(xué)、古生物學(xué)的發(fā)展。宏觀（對(duì)生物進(jìn)化實(shí)際過(guò)程的了解）：古生物學(xué)揭示生命進(jìn)化的規(guī)律、進(jìn)化速度、進(jìn)化趨勢(shì)、物種的形成和絕滅微觀：現(xiàn)代分子生物學(xué)揭示生物大分子的進(jìn)化規(guī)律和攜帶遺傳信息的物質(zhì)基礎(chǔ)及其復(fù)雜結(jié)構(gòu)新的認(rèn)識(shí)：1、生物進(jìn)化過(guò)程并非“勻速”、“漸變”的，而是“快速進(jìn)化”與“進(jìn)化停滯”相間；2、生物進(jìn)化與分子進(jìn)化都顯示出相當(dāng)大的隨機(jī)性，自然選擇并非總是進(jìn)化的主要因素；3、遺傳系統(tǒng)本身具有某種進(jìn)化功能，進(jìn)化過(guò)程中可能存在內(nèi)因的“驅(qū)動(dòng)”和“導(dǎo)向”。

Continuing…第三次：NOW…47進(jìn)化理論圍繞的三個(gè)主題1、進(jìn)化的動(dòng)力是什么？2、進(jìn)化是否有一定的方向？3、進(jìn)化的速度是否恒定？是漸近的還是跳躍的？分子進(jìn)化理論同樣必須回答上述三個(gè)問(wèn)題。分子進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育學(xué)課件482、分子進(jìn)化的兩個(gè)特點(diǎn)生物大分子進(jìn)化速率的相對(duì)恒定分子進(jìn)化速率

生物大分子隨時(shí)間的改變主要表現(xiàn)為核苷酸、蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)的改變，即分子序列中核苷酸、氨基酸的替換不同物種同源大分子的分子進(jìn)化速率大體相同

例子：比較不同物種血紅蛋白氨基酸序列差異人、馬——0.8

10-9/AA.a

人、鯉魚——0.6

10-9/AA.a分子進(jìn)化速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)比表型進(jìn)化速率穩(wěn)定原因？

序列的核苷酸或氨基酸替換是否隨機(jī)過(guò)程？…2、分子進(jìn)化的兩個(gè)特點(diǎn)生物大分子進(jìn)化速率的相對(duì)恒定49生物大分子進(jìn)化的保守性保守性

功能上重要的大分子或大分子的局部在進(jìn)化速率上明顯低于那些在功能上不重要的大分子或者大分子局部。（引起表型發(fā)生顯著改變的突變發(fā)生的頻率要低于無(wú)明顯表型發(fā)生顯著改變得突變發(fā)生的頻率。）氨基酸

例：血紅蛋白分子的外區(qū)的功能要次于內(nèi)區(qū)的功能，外區(qū)的進(jìn)化速率是內(nèi)區(qū)進(jìn)化速率的10倍。核苷酸

例：DNA密碼子的同義替代頻率高于非同義替代頻率；內(nèi)含子上的核苷酸替代頻率較高。生物大分子進(jìn)化并非完全隨機(jī)

存在某種制約因素，存在某種機(jī)制……?生物大分子進(jìn)化的保守性503、分子進(jìn)化中性論Neutraltheoryofmolecularevolution(Kimura&Ohta,1968,1971)(King&Jukes,1969)提出分子層次上的“non-Darwinianevolution”“在生物分子層次上的進(jìn)化改變不是由自然選擇作用于有利突變而引起的，而是在連續(xù)的突變壓之下由選擇中性或非常接近中性的突變的隨機(jī)固定造成的。中性突變是指對(duì)當(dāng)前適應(yīng)度無(wú)影響的突變?！敝行酝蛔儭⑦B續(xù)突變壓、隨機(jī)固定否認(rèn)自然選擇在分子進(jìn)化中的作用，認(rèn)為生物大分子的進(jìn)化主要因素是機(jī)會(huì)和突變壓力。3、分子進(jìn)化中性論51分子進(jìn)化中性論的若干依據(jù)分子層次上的大多數(shù)變異是選擇中性的

蛋白質(zhì)和核苷酸分子的進(jìn)化速率高且相對(duì)恒定

突變壓在分子進(jìn)化中的作用得到研究證實(shí)按照群體遺傳學(xué)的數(shù)學(xué)模型，自然選擇的代價(jià)太高

分子進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育學(xué)課件52分子進(jìn)化中性論的討論1、中性論是解釋分子層次的進(jìn)化現(xiàn)象

自然選擇只作用于表型，并不直接作用于分子。衡量尺度的區(qū)別：分子的顯著性改變并不意味著表型的顯著性改變。中性論只涉及生物大分子一級(jí)結(jié)構(gòu)單元的替換，并不包含和解釋分子層次的全部改變（如蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)、功能的改變）2、分子進(jìn)化的保守性表明選擇仍然起作用

可能之一——負(fù)選擇的存在：任何發(fā)生在重要功能的大分子或大分子保守區(qū)的突變，由于造成適應(yīng)度的下降而被選擇淘汰。（隨機(jī)作用）可能之二——存在某種機(jī)制阻止功能重要的大分子或大分子保守區(qū)的突變產(chǎn)生。（非隨機(jī)作用）分子進(jìn)化中性論的討論533、選擇中性突變的復(fù)雜調(diào)控系統(tǒng)

中性突變的可能原因：復(fù)雜的調(diào)控機(jī)制?；虮磉_(dá)受到內(nèi)外因素的制約。決定中性突變的調(diào)控系統(tǒng)受到自然選擇的影響。

4、選擇在分子的適應(yīng)進(jìn)化中起作用

在分子層次上可能存在兩種進(jìn)化形式：中性進(jìn)化（導(dǎo)致分子多樣性）適應(yīng)進(jìn)化（通過(guò)選擇實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致分子適應(yīng)）能否打倒的Darwinian進(jìn)化論?3、選擇中性突變的復(fù)雜調(diào)控系統(tǒng)能否打倒的Darwinian進(jìn)544、分子鐘（MolecularClock）分子鐘

根據(jù)分子系統(tǒng)學(xué)研究與古生物學(xué)資料相結(jié)合，建立推論生物進(jìn)化事件發(fā)生的時(shí)間表。

假定分子進(jìn)化速率r恒定，則分子進(jìn)化改變量（替代數(shù)