定向进化:驾驭进化的力量

<正>在生命数十亿年的发展历程中,进化起到了至关重要的作用。进化是一种伟大的自然力量,因此科学家希望在实验室里模仿生命的进化方法,实现生物大分子(主要是蛋白质)的快速进化。这种掌控生物分子进化的方法,被称为"定向进化"。美国科学家弗朗西丝·阿诺德、乔治·史     

分子进化研究上的争论及分子进化的意义

分子生物学的蓬勃发展,推动了生物学其他分支深化到分子水平,进化历史和进化机制的研究亦不例外,这就是分子进化这一新颖领域在进化生物学的涌现。迄今为止,分子进化研究取得的成就已大大推进了进化生物学的前进,如在分子钟假说基础上以分子数据构建的系统树,极大地改善了昔日主要依靠难以猎取的零星化石资料批论的系统树,而且可以构建基因系统树(这是传统的进化生物学无法做到的);更有意义的是,对进化机制的探讨,进入到一个新的水平。随着进化生物学研究的深入,对一些基本问题如生物进化主要动力的争论,愈来愈激烈也愈来愈深刻了。     

走近诺贝尔奖(十八) 试管里的定向进化

正在生命数十亿年的漫长发展历程中,进化起到了至关重要的作用。能否在实验室里加快进化的速度?答案是肯定的。相关科学发现获得了2018年诺贝尔化学奖。进化是一种伟大的自然力量,科学家则希望在实验室里模仿生命的进化方法,实现生物大分子(主要是蛋白质)的快速进化。这种掌控生物分子进化的方法,被称为"定向进化",也有科学家戏称     

分子进化的速率问题

生物在其漫长的进化过程中,不仅从低级向高级进化,而且伴随着分子进化。生物界虽然千姿百态,但其基本构成都是蛋白质和核酸。经过研究,发现亲缘关系越近的生物,氨基酸差异数越小,反之则越大。这种蛋白质分子差异为揭示生物进化提供了有力的佐证。《分子进化的速率问题》一文或许对此感兴趣的读者有所裨益。     

血细胞生成素的分子进化与造血细胞发育的相关性研究

发育与进化是生物界两个基本的生命活动。早在19世纪70年代,Haeckel发现了著名的生物发生律,即在形态上个体发育重现种系发生。一个多世纪以后,人们对进化与发育的分子机制有了较深入的认识,但从分子水平上认识发育与进化的相互关系仍知之甚少。 在组织、器官中,造血系统的发育调控机制在分子水平上了解较为详细。本文试图通过分析6种血细胞生成素(hematopoietin)的分子进化,并与各自调控的细胞发育阶段作平行比较,探讨发育与进化在分子水平上的相互关系。     

蛋白质超家族分子进化研究的一种新方法

选取丝氨酸蛋白酶超家族作为研究对象,采用ＳＳＡＰ算法从结构比较的层次上进行蛋白质超家庭分子进行化的研究,分子相同或相似物中酶和功能的演化,鼠类胰鼠白酶突变体结构的聚类关系以及不同抑制对牛β－胰蛋白酶天然结构的影响,探索了结构比较对于蛋白质工程中定点突变改造蛋白质结构与细胞以及蛋白质抑制剂设计等方面的指导作用,基于结构比较的方法是蛋白分子进化的一种新方法。     

相当于姓氏的基因

进化就是基因中DNA的变化。因此,从理论上说,通过阅读基因密码,可以推断出生物演变的来龙去脉。但实际上这很难办到,因为有性繁殖已将父亲和母亲的基因搅混在一起。人类的姓氏启发了研究进化的科学家,他们所需要的就是一种相当于姓氏的分子。     

分子减速进化的普遍性研究

分子水平“中性突变”的发现与“中性学说”的提出丰富了人们对生物进化尤其是分子进化的认识,同时对达尔文主义提出了严峻挑战.中性论者认为:分子水平的绝大部分突变对生物体既非“有利”,亦非“有害”,而是中性.它们主要是通过在群体中的遗传漂变被随机固定或消除,因而具有恒定的,与生物世代长短无关的突变速率.60年代中期Zuckerkandl等提出的“分子进化钟”假设(即分子进化速率在整个物种演化中恒定)是中性理论的主要支柱.但此假设自问世以来就一直存有争议,只是由于双方均采用相对分子进化速率(为两物种分子进化速率均值),双方的证据均不能让对方信服.为解决此论争,我们建立了绝对分子进化速率(指单一物种分子进化速率)计算方程,揭示多系-集落刺激因子(multi-CSF)与GM(粒单系)-CSF在哺乳动物进化中不遵守“分子进化钟”,其进化速率随物种进化程度提高而降低,即呈现“减速进化(slow-down evolution)”.为判断此现象的普遍性,本文系统分析了4种不同蛋白质从单细胞原核生物到单细胞真核生物、植物、节肢动物,直至灵长类中人的绝对分子进化速率的变化情况,证明“减速进化”在不同蛋白质/酶中,在不同物种进化中均普遍存在,因而推测为一种普遍的规律.此外,本文还尝试了用此规律来分析、估计相近物种(     

蠕虫线粒体基因组研究及其应用进展

蠕虫主要包括扁形动物和线虫,其种类繁多,生活方式多样,可寄生于动物和植物体内,引起蠕虫病,其中血吸虫病、棘球蚴病、旋毛虫病等是重要的人兽共患寄生虫病,在世界各地普遍流行,危害严重.蠕虫线粒体基因组的碱基组成、基因结构、基因变异等方面有其特点,这为蠕虫线粒体功能基因组学研究、比较基因组学研究、分子分类学研究、虫种(株)鉴定与分类、生态学研究、分子系统发育和进化分析等提供了重要依据,为蠕虫病的诊断、分子流行病学与生态学调查等分子检测方法的建立奠定了基础.近20年来蠕虫线粒体基因组研究得到了极大发展,迄今为止,已完成蠕虫93个种(虫株)线粒体基因组全序列测定和分析.本文将对蠕虫线粒体基因组序列分析方面的研究进展、应用和今后发展方向作一简要评述.     

聚合酶链反应在动物系统进化研究中的应用

动物系统进化研究是生命科学中的基础理论研究。以前的研究都是以经典学科为基础而进行的。随着分子生物学技术的发展和完善,特别是聚合酶链反应技术的出现,使系统进化的研究深入到分子水平且结论更可靠,迄今已得到广泛应用,为动物系统进化研究开辟了一个新途径。     

猪胰凝乳蛋白酶与胰蛋白酶的若干种复合物的晶体生长和初步的晶体学研究

胰凝乳蛋白酶和胰蛋白酶的晶体结构是研究得较早、较清楚的蛋白质结晶学成果之一。1970年Stroud等人解出了分辨率为2.7的牛胰蛋白酶的三维结构。1972年Birktoft等人发表了2分辨率的牛胰凝乳蛋白酶的结构数据。1974年Janin等人报道了猪胰蛋白酶的研究成果。这些成果对确定这两种酶的活性中心,探索它们的高效高选择性的催化机理以及关于蛋白质分子的进化等方面的研究起了巨大的推动作用。使人们从分子水平上了解了丝氨酸蛋白酶,为研究酶学理论及分子的进化提供了宝贵的资料。     

从RNA走向DNA——细胞基因组的发生与形成

基因和基因组的发现为研究物种的进化提供了物质基础,物种进化的本质是细胞基冈组的进化,以此可完美地阐明达尔文的进化论,但细胞基因组本身是如何发生与形成的.目前尚未阐明,甚至有的科学家还认为生命最初是一堆有机分子偶然聚集在一起形成的.     

核糖体5S RNA结构中的进化位点

最早从分子水平研究进化和系统发育的是一些蛋白质分子,如血红蛋白和细胞色素C 等.近年来则广泛利用小分子核酸进行分子进化研究.5S rRNA 存在于所有生物中,是基因表达的直接产物,在功能上几乎没有物种的差别;随着核酸顺序分析方法的革命性突破,又由于     

非线性分子进化与蛋白质晶体构象

非线性分子进化与蛋白质晶体构象上海市肿瘤研究所研究员吕宝忠传统的进化研究着手于比较不同物种的形态异同以及参考稀少难觅的化石资料，这显然是力度不大的。分子进化研究以往主要是以蛋白质和ＤＮＡ（可能还有ＲＮＡ）的一级结构为依据进行的，分子钟（ｍｏｌｅｃｕｌ...     

细胞因子与受体的协同进化及其推论的验证

细胞因子均通过结合并激活各自的胞膜受体而发挥其多重生物学作用。目前,人们对细胞因子-受体作用后的信号传导机制以及因子-受体相互作用所产生的生物学效应均有不少了解,但对进化过程中两者关系的认识仍处空白。分子进化学以往主要集中于对单—蛋白质的种间分子进化分析,而缺少对相关蛋白质分子进化的比较研究。贺福初和吴祖泽曾运用Dayhoff计算法比较分析细胞因子中多种造     

药物分子与其受体的快速对接方法研究

分子的快速对接方法是理性药物筛选的研究热点之一,ＡＥＤｏｃｋ是在ＡｕｔｏＤｏｃｋ２．４基础上开发了分子对接软件,为改善构象搜索功能,而采用退火进化算法代替ＡｕｔｏＤｏｃｋ２．４软件中的模拟退火算法（ｓｉｍｕｌａｔｅｄａｎｎｅａｌｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍ,ＳＡ）因为退火进化算法（ａｎｎｅａｌｉｎｇｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍ,ＡＥＡ）综合了模拟退火算法和遗传算法（ｇｅｎｅｔｉｃａｌｇｏｒｉｔ     

进化需要宽容--生物进化的新中性学说

适应性进化是一种非本质的进化.生物在本质意义上的进化必须以不受选择为前提,这一点正好与达尔文的主张相反,所以是反达尔文主义的.不选择与木村的观点相近,而且造成进化的机制也是随机固定,但木村针对的是分子水平上的中性突变,这里针对的则是生命过程的一次飞跃,所以,这不是中性学说的简单推广,而是一种新的中性学说.     

第二种进化理论的创立者——木村资生

木村资生是本世纪生物学界较有影响的人物之一。他创立的分子进化的中性学说,不仅引起了生物学家的关注,也引起了哲学家的极大兴趣。《第二种进化理论的创立者——木村资生》一文,可使我国学术界对木村资生其人有所了解。     

蛋白质二硫键异构酶既是酶又是分子伴侣

蛋白质和新生钛折叠的概念近十年来发生了重大的转变。新生肽成熟为功能蛋白需要分子伴侣和折叠酶的寿命才能完成。蛋白质二硫键异构酶是一种折叠酶,同时也有分子伴侣活性,该假说得到越来越多体内外实验的支持。分子伴侣活力可能是酶分子在进化过程中获得的新的性质,以提高酶催化效率,并在与蛋白质折叠有关的生命活动中发挥新的功能。     

高通量测序解析哺乳动物飞行进化的分子机制

蝙蝠(bats)是唯一能够自主飞行的哺乳动物,其前肢进化为翼手,手臂和手指显著延长,手指之间具有宽阔的指间膜.蝙蝠翼手发育与进化的分子机制,虽然已有十几年的研究历史,但仍然不明确.近期,利用先进的高通量测序技术,包括全基因组测序、转录组测序(RNA-Seq)和染色质免疫沉淀测序(Ch IP-Seq),研究者们发现大量调控蝙蝠翼手发育的差异表达基因和调控元件,证明蝙蝠翼手形成的主要原因是多基因表达模式的改变和表达调控元件的适应性分子进化.未来研究哺乳动物飞行进化的分子机制问题,应关注关键基因和重要调控元件的功能以及基因间的相互作用.