分子水平的减速进化与绝对进化速率的计算方法

“分子进化钟假设”(Molecular evolutionary clock hypothesis)由Zuckerkandl与Pauling于1965年首次提出,并迅即成为Kimura建立的“分子进化中性理论(简称中性理论)的主要支柱,在进化学、考古学、分类学与分子生物学等领域已产生广泛影响.多年来,蛋白质进化速率的计算一直沿用Zuckerkandl与Pauling建立,并由Kimura改进的方法,其结果为蛋白质在两物种中进化速率的算术平均值(即相对进化速率).显然,当蛋白质在不同物种中进化速率存在较大差别时,相对进化速率不能反映其分子进化的真实情况,在此基础上所得的结论将难免有失偏颇.     

分子水平的非中性进化——cDNA编码区与非翻译区间的协调进化

蛋白质的cDNA分为编码区和非翻译区(Nontranslated region,简称NTR),NTR又分为5'NTR和3'NTR。根据分子进化的中性理论(Neutral theory of molecular evolution)。(1)NTR的进化速率应高于编码区;(2)编码区的进化变异中同义(Synonymous)变异应多于异义(Nonsynonymous)变异;(3)所有变异中转换(Transition)应多于颠换(Transversion)。鉴于我们近期发现的“造血细胞生成素的发育相关进化现象嘲”和“相互作用     

分子水平的达尔文选择——相互作用蛋白质间协同进化的规律

根据Kimuro于1968年提出的分子进化中性理论(Neutral theory of molecular evolution),“分子水平上的大部分进化变异不是由于达尔文选择所致,而是选择上中性或接近中性的突变随机漂移(random drift)的结果”。越来越多的证据表明,蛋白质间的相互作用(interacting)在其功能、调控中发挥重要作用。其中,配基-受体、酶-抑制剂、亚基-亚基等方式的蛋白质相互作用的功能已得到较深入     

从中性学说到非线性分子进化

盛极一时的分子进化的中性学说,在对分子水平遗传多态性的解释以及近缘物种的亲缘关系分析上,迄今仍不失其重要作用,但对远缘物种关系的分析上往往难以自圆其说.结构分子生物学的发展,证实三维构象比一维序列数据更具进化上的保守性并可揭示分子进化的非线性和复杂性.基于上述特性,一些学者分别提出了比较远缘物种(包含了近缘物种)亲缘关系的算法.本文对这些算法作一些扼要的介绍,并对非线性分子进化的美好前景作—展望.     

浅析基因组大小的进化机制

基因组记录着物种的全套核苷酸序列信息,其大小与物种进化地位之间的关系由于"C值悖论"的提出而引人关注.本文回顾了关于基因组大小研究的历史,简述了基因组大小和细胞性状及自身组成之间关系的研究进展及相关假设,并在不同分类尺度上分析了影响基因组大小进化的可能因素.我们认为随着进化地位的提高和相应的遗传信息量增加,基因组大小有增加的内在必然性;但是在真核生物中,随着基因组的增大,增加的DNA逐渐由基因序列转变为主要是内含子和基因间区等非编码DNA序列,而非编码序列的大量增加并不明显改变物种的进化地位,却在很大程度上掩盖了基因组大小与物种进化复杂度之间的相关性,从而导致了C值悖论.我们认为分子突变导致了基因组大小的变化,而自然选择对保留有益的变化起到了重要的作用.     

基因的分子进化：原理与方法

Dobzansky说:“不从进化的观点看问题,生物学的一切将不可理解”。分子进化研究不仅是一种特定的学科方法,而且是一种可以广泛应用的科学理论。人类基因组计划的实施为分子进化研究赋予了重要使命,也提供了新的机遇。本文综述了分子进化的基本原理、方法和最新发现,包括同源性分析、进化速率估计、系统发育树、分子种和基因及基因家族起源等方面,并提出了展望。     

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.     

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     

“基因驱动遗传元件”促进水稻物种形成

<正>物种形成一直是进化生物学领域中最核心、最引人注目的科学问题.达尔文在其巨著《物种起源》中将此问题称为“谜中之谜”(mystery of mysteries). 20世纪40年代,哈佛大学进化生物学家恩斯特·迈尔(Ernst Mayr)定义了物种的生物学概念(biological species concept),即物种是能够相互配育的自然类群,这些类群与其他类群存在着生殖隔离(reproductive isolation, RI)[1].随后,遗传进化生物学家杜布赞斯基(Dobzhansky)、穆勒(Muller)等指出,     

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。     

关于分子进化理论

本文阐述了现代分子生物学的成就对综合进化论的发展。生物分子顺序的分析,可以重建物种之间的亲缘关系。遗传密码的发现,证实了所有物种基本的生命机制的统一性。所有物种和个体的遗传和形态发生,都可归诸于基因组的信息。基因组的信息也是自然选择得以作用的唯一信息。核酸遗传信息向蛋白质传递的顺序的不可逆性,证明了“获得性状”是不可能的。分子生物学表明,生命体具有一种结构和机制以保证一模一样地复制自身结构以及复制在这个结构中发生的突变类型。由此可见,生命的特权是保守,进化不是生物的一个规律。有三类与选择进化论格格不入的理论:一是认为物理规律不能说明生命的存在和进化的活力论;二是认为进化不仅是生物的规律,而且是整个宇宙向上渐进的规律的泛灵论;三是以某些热力学家为代表的、主张地球上生命的出现和进化的必然性的泛灵论。如果接受选择的进化论,必须认为生命在地球上的出现,任何物种以及人类、社会的存在,都是在整个宇宙中只发生一次的事件,是完全不可预言的。     

基因是如何进化的?

日本国立遗传研究所遗传部长木村资生在1968年提出了发生于基因内部的进化机制的“中性突变漂变说”,认为基因的互换,是由于在自然淘汰中处于中性或接近中性的突变,在群体内偶然地固定引起的。这个与达尔文“自然淘汰”学说相对立的见解,引起了国际间遗传学界的剧烈争论。1976年5月木村应法国法兰西学院之邀,作了题为How Genes Evolve:APopulation Geneticist's View的报告,进一步就“中性说”作了阐述。     

青杨的DNA多态性及遗传分化——Ⅰ.青杨的DNA多态性

杨属(Populus)5个派中,青杨派(sect.Tacamahaca)种类最多,且绝大部分都分布于我国西北、西南、华北及东北地区.青杨派中的青杨(Populus cathayana Rehd.)为我国特有,分布范围仅次于小叶杨,位居青杨派中的第二位.青杨整个分布区内种内遗传变异性很大,但对此开展的研究并不多,除王建园、杨自湘对苗期种源差异,以及杨自湘对不同产地的叶片进行较详细的研究以外,青杨的其他表型性状及同工酶、DNA水平的研究都未见报道.物种或群体的遗传多样性大小是长期进化的产物,是其生存(适应)和发展(进化)的前提.一个群体或种内的遗传多样性越高或遗传变异越丰富,对环境变化的适应能力就越强,越容易扩散其分布范围和开拓新的环境,无性繁殖为主的种也不例外.理论推导和大量实验证据表明,群体的遗传变异的大小与其进化速率成正比,因此对遗传多样性的研究,可以揭示物种和群体的进化历史(起源的时间、地点和方式),也能为进一步分析其进化潜力和未来的命运提供重要的资料.本文用RAPD技术对广泛分布区内的青杨进行分析,揭示青杨种内具有丰富的遗传变异性,并探讨群体发生遗传分化的机制.     

大肠杆菌依赖链霉素突变对λN和λQ基因表达的影响

核糖体是一切生物蛋白质合成的唯一场所,所以核糖体对生命活动十分重要。目前,核糖体各组分(包括3种rRNA和50多种核糖体蛋白质)的结构已经研究清楚,但对各组分的确切功能却“仍然几乎一无所知”。本实验室多年来分离了大肠杆菌和枯草杆菌大量的核糖体蛋白质突变体,研究了这些突变对其它基因表达的影响,证明不同的核糖体蛋白质突变对同一基因表达的影响不同;同一核糖体蛋白质突变对不同基因表达的影响也不同。     

用叶绿体和核糖体DNA序列探讨中国特有植物斑子麻黄的系统位置

测定了我国特有植物斑子麻黄的叶绿体matK和rbcL基因以及核糖体18S基因和ITS区的序列, 选取麻黄属15个物种的16个类群(含旧大陆8种和新大陆7种)进行分子系统发育分析, 探讨斑子麻黄的系统位置. 基于最大简约法(MP)、邻接法(NJ)、最小进化法(ME)和最大似然法(ML)的独立与联合分析均表明斑子麻黄与木贼麻黄关系最近. 根据相对速率检验结果, 结合前人所建立的麻黄属rbcL基因进化速率估计斑子麻黄与木贼麻黄的分歧时间约为10.85±2.44 Ma.     

稻属AA型物种叶绿体基因组的适应性进化

稻属AA型物种包含栽培稻和与其最近缘的野生稻物种,是稻属植物中一个重要的类群.为了探究稻属AA型物种叶绿体基因组的适应性进化,以AA型稻属物种中已经公布的6个叶绿体基因组为对象,利用PAML和Selecton对叶绿体基因进行适应性进化的分析.研究发现,4个基因(matK,ccsA,psbB和rpoC2)经历了正选择作用,并对基因的正选择位点进行了定位,初步分析了正选择位点的变异特点,探讨了正选择位点与蛋白质结构保守性的关系.本研究为深入了解稻属的叶绿体基因及其适应性进化提供了重要参考.     

盘点12种“活化石”动物

为了适应环境的变化,地球上的许多物种的身体结构均不同程度地发生了变化,那些无法适应环境变化的物种已经灭绝。不过,仍有一些物种数亿年来它们的身体结构几乎未出现什么变化,始终处于进化的起跑线上。它们被称为“活化石”物种。,最近,美国《连线》杂志列举了全球12种具有代表性的“活化石”物种,其中一些是濒临灭绝的稀有物种。     

中国金丝猴物种瘦素基因(Leptin)分子进化研究

灵长目疣猴亚科金丝猴属(Rhinopithecus)包括4个种, 即滇金丝猴(R. bieti)、黔金丝猴(R. brelichi)、川金丝猴(R. roxellana)和越南金丝猴(R. avunculus). 除越南金丝猴外, 其他3个种都分布于中国地区6大主要山脉的高海拔地区(>2000 m), 是目前已知栖息地海拔分布最高的非人类灵长类动物. 与其他疣猴亚科相比, 中国金丝猴物种有更好的适应于高海拔地区低温缺氧环境的能力, 是研究动物对极端环境适应性进化机制的绝佳模型. 然而, 迄今为止, 从分子水平上对它们或者其他非人类灵长类的高海拔适应研究却非常缺乏. 瘦蛋白(Leptin)是一类由脂肪细胞分泌的细胞因子类激素. 它可以通过增加能量的释放、基础代谢率和非颤拌性产热来增强动物适应寒冷环境的耐受能力, 在适应高海拔低温缺氧环境中的能量平衡方面起重要作用. 本研究测定并比较了滇金丝猴、川金丝猴和低海拔物种越南金丝猴以及其他疣猴亚科物种的Leptin基因序列, 探讨了Leptin基因在非人类灵长类高海拔适应性进化中的作用. 结果显示, 在7个所研究的疣猴亚科物种中, 序列之间没有发现氨基酸替换, 表明高海拔金丝猴和其他疣猴亚科物种相比, 在Leptin基因进化模式上一致. 与以前在高原鼠兔中发现Leptin基因存在适应性进化模式的结果不同, 本研究表明Leptin基因在同样高海拔生存的中国金丝猴物种中并没有起到同样重要的作用. 因此, 在鼠兔Leptin基因中所表现出来的适应性进化模式并不普遍存在于所有高海拔动物中, 至少在中国金丝猴物种中. 研究提示, 通过研究与能量代谢相关的其他核基因可能会为进一步揭示中国金丝猴属如何适应高海拔寒冷缺氧的极端环境分子机制提供重要信息.     

水平基因转移及其发生机制

水平基因转移被认为是原核生物进化的主要动力,同时也广泛存在于真核生物各主要类群之中.通过引进新的遗传变异,水平基因转移可以减少由点突变积累产生的破坏作用,同时也加速进化过程中产生的成功性状在不同物种个体之间的扩散.在原核生物中,水平基因转移的主要发生机制包括转化、接合和转导.在真核生物中,不同物种个体之间的物理接触常可以促进水平基因转移的发生,但具体机制仍不完全清楚.     

SPG3A基因的一个新突变导致重症遗传性痉挛性截瘫

在一个重症、病情进展迅速的西藏遗传性痉挛性截瘫(HSP)家系的SPG3A基因中发现了一个以前未报道的致病性新突变, c.1228G > A (p.G410R). 这一突变发生在进化上高度保守的碱基上, 且在家系中与疾病表型共传递; 但在对照组中阙如. 蛋白质结构预测表明, 该p.G410R的改变发生在atlastin分子中鸟苷酸蛋白结合域与跨膜螺旋区的联结部位, 并且位于一个α 螺旋的起始点. 这一突变很可能破坏了这一跨膜螺旋结构, 并引起该分子内跨膜区整体结构的改变. 研究结果表明, SPG3A基因的突变可引起重症HSP, atlastin分子中鸟苷酸蛋白结合域与跨膜螺旋区间的联结部位可能在决定疾病的严重性上起重要作用. 本研究为SPG3A引起的HSP在表型严重性与atlastin分子结构改变程度之间可能存在的关系提供了证据.