遗传等距离现象:分子钟和中性理论的误读及其近半世纪后的重新解谜

1963年,Margoliash在比对不同物种细胞色素C序列后,发现了出乎意料的遗传等距离结果,这与几乎同时间Zuckerkandl和Pauling的血红蛋白发现是同一现实的不同反映.一个就事论事的分子钟假说因而被提出,并长期被某些学者认为是真实的自然现象,导致Kimura提出中性理论来解释分子钟.多年的研究发现了无数矛盾,分子钟仅有有限的局部存在.但被忽略的是,分子钟的瓦解自然使遗传等距离成为未解之谜.近年来,本实验室偶然重新发现了这一至今还几乎无人知晓、并未被充分重视的现象.通过整合现有理论的正确内容,并引入最大遗传变异极限这一原创概念,提出了一个更全面的遗传进化学说,重新解读了遗传等距离及其他主要进化现象.该假说将改写物种亲缘关系树及群体遗传学,并解决一些现有理论给不出线索的生物医学难题.     

分子钟假说的基本原理及在古生物等学科中的应用

研究各个生物类群的起源时间是生物学、古生物学、地质学的重要研究范畴,然而由于化石记录的不完整性,仅仅通过化石无法准确地提供生物各门类的起源时间,更无法真实地反映各门类直接的演化关系,长期以来科学家们都希望能够找到新的突破口。分子钟假说可以在缺乏化石证据的条件下通过分子数据和统计学方法推算各类群间的分歧时间。文中将对分子钟假说的发展历程、基本原理、研究方法及存在的主要问题进行介绍,并就近期利用分子钟的若干研究示例进行分析,以期能对整个分子钟有个更为全面的论述。     

分子绝对进化速率与物种分歧时间之间的定量关系

通过对美国国家生物技术信息中心数据库Gen Bank提供的一些蛋白质和核苷酸序列进行比对和分析,发现生物分子绝对进化速率k与进化时间或物种分歧时间t之间存在下列定量关系:lnk=-Ea/Rt+lnK0,式中Ea为位点突变活化能,k0为分子极限绝对进化速率,R为常数,并对其生物学意义进行了初步的探讨;数据分析还揭示出物种的分子极限绝对进化速率与进化时间或物种分歧时间之间也服从相似的定量公式,也就是说生物分子进化过程可能同时受到序列位点突变和控制物种分子极限绝对进化速率进化的两个"分子钟"作用,即存在"双重分子钟"现象。     

DNA水平上的植物系统学研究进展

分子钟假说为在分子水平上研究生物进化提供了理论基础,分子系统学已成为当前生物学领域中的热门课题,并取得了许多引人注目的进展。本方要以高等植物为对象,从核ＤＮＡ,叶绿体ＤＮＡ和线粒体ＤＮＡ三方面对植物分子系统学进行了综述。     

蕨类植物psaA基因的分子进化研究

采用“放松分子钟”模型、氨基酸位点正选择模型和分子内共进化网络估算方法,对蕨类植物光合系统Ⅰ核心蛋白PSAA编码基因psaA的进化趋势进行了研究。结果显示,叶绿体基因psaA编码区全序列具备成为蕨类植物系统发育关系重建位点的潜力,与rbcL基因联合后能构建高后验概率的系统发育树;蕨类植物的PSAA蛋白中存在一些曾经历正选择的氨基酸位点,其中29个位点聚合成为16个共进化组,通过共进化网络的方式协同影响光合系统Ⅰ的内部调整,提升其在被子植物兴起后光合环境下的适应能力。本文对蕨类植物进化潜能与分子机理的研究结果为揭示蕨类植物适应新生境提供了科学依据,也为植物系统分类学研究提供了分子依据。     

rRNA同源性分析与细菌系统分类

目前,在系统分类学研究中最有用和最常用的分子钟是rRNAs。rRNA分子具有功能上的高度保守性,在所有细胞生物中都存在,其进化具有良好的时钟性质,其序列中不同的位置上变化的速度不同。上述性质使其可以用来测定几乎全部生物间的系统发育关系。对于形态简单,化石资料匮乏的原核生物来说,它     

分子进化生物学中序列分析方法的新进展

简要介绍了分子进化生物学中序列分析方法的最新进展,特别强调了似然比检验和贝叶斯推论在分子进化和系统发育假说检验中的重要性,并介绍了新方法的一些成功应用,同时还给出了一些重要的信息资源。     

基于DNA分子的现代人起源研究35年回顾与展望

1983年,有学者首次发表现代人线粒体DNA进化树,认为现代人可能起源自亚洲。1987年,又有学者按照分子钟假说得到线粒体在10-20万年前出自非洲的推论。随后,以分子钟为前提的Y染色体和常染色体DNA研究也支持了出非洲的结论,该结论逐渐成为分子进化领域的主流理论。2010年,对尼安德特人常染色体基因组的研究指出其对现代人有遗传贡献,这颠覆了人们先前关于现代人只来源自非洲,其他大洲的当地古人被完全取代的认知。目前,单地区起源说已经被修正为同化说。尽管学界对非洲人遗传多样性最高这一现象有共识,但是对该现象的不同解读却可以得出两种迥然不同的结果,现代人出亚洲说和出非洲说。大量研究证实基因组的大部分序列是有功能的,并处在遗传变异水平的饱和态,这质疑了中性理论以及由它推导的现代人出非洲说的合理性,而中性理论的提出恰恰是用来解释并非普遍存在的分子钟的。近年来已经有研究者从新理论的角度解读遗传多样性的饱和态和线性态,人们对现代人起源的认识将会进一步加深完善。     

谱系年代研究进展

谱系年代学是结合化石记录和分子钟方法计算"生命树"(Tree of Life)上各分歧点时间的一个新兴交叉学术领域.由于化石记录的不完整性,各类生物的起源年代和支系分化时间的确定可借助于部分化石记录和通过计算现生生物类群之间的遗传距离转换得出的相对分歧时间相结合的办法进行讨论.化石记录可代表部分生物类群起源时间的保守估计值,而分子钟方法可为那些不易保存为化石的生物类群与其姊妹群的分化时间提供依据.如果使用得当的话,两者可进行相互验证.在分子谱系年代分析中,正确使用化石校准方案是获得准确分歧时间的关键,这需要:1)正确确定化石物种在谱系树上的位置;2)正确解释化石记录所代表的时间含义(最小值、确定值、最大值及其标准差).分子钟估算分歧时间的技术在不断改进,目前常用的分子分歧时间估算法(宽松分子钟法,如贝叶斯法、补偿性似然法等)包容分子演化速率在谱系间和随时间的变化.随着谱系年代研究的不断深入,长期困扰人们的化石记录时间与分子钟计算结果悬殊的问题正在逐渐趋于和谐并得到正确诠释.文中还讨论了有关动物起源与早期分化时间以及早期陆生节肢动物的谱系年代学研究进展.我们强调,化石记录和分子钟分析可以优势互补,两者的整合无疑将提高生物演化历史时间格架的准确度和精度,以利更好地将生命演化事件置于地球系统科学及地球环境演化史之中.     

分子进化生物学中序列分析方法的新进展

简要介绍了分子进化生物学中序列分析方法的最新进展,特别强调了似然比检验和贝叶斯推论在分子进化和系统发育假说检验中的重要性,并介绍了新方法的一些成功应用,同时还给出了一些重要的信息资源。     

40种蕨类植物matK基因的系统分类及分子进化研究

采用“放松分子钟”模型、氨基酸位点正选择模型和分子内共进化网络估算方法,对蕨类植物Ⅱ型内含子成熟酶蛋白K(Maturase K,MATK)编码基因matK的进化趋势进行研究。结果显示:matK基因在蕨类植物系统学研究中具有一定的应用价值,与rbcL基因和psaA基因联合后能显著提升系统发育树的可信度;蕨类植物MATK蛋白中存在少数曾经历正选择的位点;MATK蛋白内部有多对氨基酸位点共同构成共进化网络。在被子植物兴起环境改变后,MATK蛋白部分位点发生适应性进化,通过位点间共进化网络协同作用方式提升蕨类植物对新光合环境的适应能力。     

植物种群分子进化中对生境的适应——对荒漠植物遗传多样性研究结果的初步分析

长期以来,自然选择理论与中性理论对生物分子进化中的环境适应机理存在着激烈争论。目前,在植物种群分子进化中对生境适应的研究中正面临着一些难题：中性突变是分子水平进化的唯一原因,自然选择发挥主要作用的适应性进化是否存在于分子水平,选择与中性两种学说两种机制完全不同,如何才能将两者联系和统一起来,部分学者利用建立各种模型来描述自然选择对分子标记位点以及连锁序列的直接作用,如生态位宽度变异假设等。本研究小组以新疆阜康荒漠植物为研究对象,通过对两种重要荒漠植物遗传多样性的研究,分析两种植物各亚种群不同生境的生态因子与其遗传变异的关系,讨论生态位宽度变异假设,揭示遗传变异的产生与维持。中性论者与选择论者都试图解释生物环境适应与分子变异之间的关系。中性论和选择论是反映进化的两个侧面,它们不是绝对的,可以相互转化。     

主流分子钟定年方法的原理、误差来源和使用建议

近年来, 分子钟定年方法(molecular dating methods)得以广泛运用, 为宏观进化研究尤其是生物多样性及其格局形成历史的相关研究提供了不可或缺且十分详尽的进化时间框架。贝叶斯方法(Bayesian methods)和马尔可夫链蒙特卡罗方法 (Markov chain Monte Carlo)可容纳多维度、多类型的数据和参数设置, 因此以BEAST、PAML-MCMCTree等软件为代表的贝叶斯节点标记法(Bayesian node-dating methods)逐渐成为分子钟定年方法中最为广泛使用的类型。贝叶斯框架的优势之一在于其可以利用复杂模型考虑各种不确定性因素, 但是该类方法中各类模型和参数的设置都可能引入误差, 从而影响进化分化时间估算的可靠性。本文介绍了贝叶斯分子钟定年方法的原理和主要类型, 并以贝叶斯节点标记法为例, 重点讨论了分子钟模型、化石标记的选择与放置、采样频率及化石标记点年龄先验分布等因素对节点定年的影响; 提供了贝叶斯时间树构建软件的使用建议、节点年龄的讨论原则和不同模型下时间树的比较方法, 针对常见的引起节点年龄潜在高估和低估风险的情况作了分析并给出了合理化建议。我们认为, 合理整合多种贝叶斯方法和模型得出的结果并从中择优, 能够提高定年结果的可靠性; 研究人员应对时间树构建结果与其参数设置的关系开展讨论, 从而为其他学者提供参考; 化石记录的更新与分子钟定年方法的改进应同步不断跟进。     

裸子植物psbA基因分子进化式样的研究

为阐明裸子植物对陆生生境生态响应的分子机制,以新近的裸子植物分类系统为指导,基于psb A基因编码全序列对4亚纲53种代表植物进行分子进化分析。首先,依据"放松分子钟"模型重建裸子植物在时间尺度下系统发育关系;其次,采用6个模型(MEC/JTT、MEC/cp REV、M5、M7、M8、M8a)估测氨基酸位点ω值,并对各模型结果进行统计检测;随后,利用Bootstrap方法检PSBA蛋白内部氨基酸位点的共进化动态。结果表明,系统树提示的物种分化历程支持前期分类结果;光合系统反应中心核心PSBA蛋白有3个氨基酸位点(13、19和243)曾经受正选择压力;PSBA蛋白内部有多对氨基酸位点间构成了共进化网络。因此,psb A基因编码序列具有作为描绘裸子植物系统发育关系标记的潜力,PSBA蛋白部分位点经历了适应性进化,通过位点间共进化网络协同作用方式辅助裸子植物响应陆生生境。     

后生动物起源时间的分子钟研究

后生动物是起源于“寒武纪大爆发”还是经历了一个相对较长的前寒武时期一直是动物进化史上的不同解之谜。综述近年来出现的很多利分子数据推测后生动物起源时间的分子钟研究,并就研究中存在的无脊椎动物与脊劝物之的进化速率的校正、进化速率恒定基因的判断等问题进行讨论。     

鳄类起源进化研究有新突破

中国科学院发育生物学研究所莫鑫泉采用DNA复性动力学方法和DNA分子钟技术在扬子鳄起源和鳄类分子进化研究中,从分子水平上证实扬子鳄与密西鳄之间确曾有亲缘关系。他们从两者基因组结构的比较研究中,发现两者虽然在DNA序列种类复杂性的拷贝数上有较大差异,但总复杂性还是相似的。他们采用自己建立的DNA分子钟技术,测定了各物种从一个共同的祖先那里分枝以后的时间跨度,证明扬子鳄在3500万年前与泰国鳄有一个共同的祖先,在4500万年前与湾     

形态性状、分子性状与同源性

“同源性（homology）”是生物学中最基本的概念之一。近年来,随着分子生物学、生物信息学、发育生物学以及进化发育遗传学等学科的快速发展,同源性一词在形态性状的比较、核苷酸和氨基酸序列的分析以及探讨形态性状进化的分子机制等方面都有广泛应用。然而,由于不同的研究者对同源性概念的理解有所不同,在实际应用中难免会出现不恰当使用“同源性”一词并得出错误结论的情况。本文从不同的角度介绍了如何对同源性进行判断以及影响同源性判断的因素。并指出正确理解同源性这一概念的含义,以及通过综合各方面的证据对同源性进行推断对于揭示基因型和表型的进化以及二者之间的关系非常重要。     

形态性状、分子性状与同源性

“同源性(homology)”是生物学中最基本的概念之一。近年来, 随着分子生物学、生物信息学、发育生物学以及进化发育遗传学等学科的快速发展, 同源性一词在形态性状的比较、核苷酸和氨基酸序列的分析以及探讨形态性状进化的分子机制等方面都有广泛应用。然而, 由于不同的研究者对同源性概念的理解有所不同, 在实际应用中难免会出现不恰当使用“同源性”一词并得出错误结论的情况。本文从不同的角度介绍了如何对同源性进行判断以及影响同源性判断的因素。并指出正确理解同源性这一概念的含义, 以及通过综合各方面的证据对同源性进行推断对于揭示基因型和表型的进化以及二者之间的关系非常重要。     

ITS假基因对栎属系统学研究的影响及其对分子系统学研究的启示

核糖体rDNA ITS是被子植物系统发育研究中应用最广泛的分子标记之一。以前人们认为同一物种中的ITS序列因致同进化而使不同拷贝高度一致,在分子系统学研究中常以ITS1-5.8S-ITS2序列作为构建系统进化树的基础。近年来,在对一些被子植物的研究中发现这段序列在同一物种中具有多态性,有些拷贝中的5．8S区不具编码功能,人们把含有不具编码功能5．8S区的ITS1-5．8S-ITS2序列定义为ITS假基因序列,它对同源基因致同进化的假设形成了新的挑战。在诸多应用ITS序列重建系统进化关系的研究中,栎属系统学研究因ITS假基因的发现而倍受关注。本文以栎属为例回顾了ITS假基因的发现过程,分析了其对该属系统学研究的影响,为分子生物学在植物系统进化研究中的应用提供一些新的参考。     

DNA分子进化的研究基础和策略

从研究方法和技术手段等方面讨论了分子进化研究上的一些重大问题．阐述了基因的基本结构及DNA分子的进化方式：净化选择、中性进化和分化选择。探讨了利用DNA分子进化数据构建系统树的原理,评价了NJ、UPGMAM、MP和ML4种算法在构建进化树时的合理性与不足,以及进化树可靠性检验的方法,并对未来分子进化生物学的发展加以展望。