生物的进化与中性检验课件.pptx

1、生物的进化与中性检验生物的进化与中性检验进化的证据进化的证据一、古生物学的证据一、古生物学的证据不同地质年代所发现的不同化石不同地质年代所发现的不同化石直接论述直接论述生物进化的最可靠的证据生物进化的最可靠的证据过渡类型的生物化石过渡类型的生物化石为我们提供了一类生为我们提供了一类生物如何演变成另一类生物方面的有力证据物如何演变成另一类生物方面的有力证据 二、比较解剖学的证据二、比较解剖学的证据同源器官（同源器官（homologous organhomologous organ）同功器官（同功器官（analogous organanalogous organ）痕迹器官（痕迹器官（vestigi

2、al organvestigial organ）“生物发生律生物发生律”“重演论重演论”德国学者海克德国学者海克（Haeckel）三、胚胎学证据三、胚胎学证据胚胎学证据：脊椎动物的胚胎发育胚胎学证据：脊椎动物的胚胎发育Different Embryos,Same Structure四、生物化学和分子生物学的证据四、生物化学和分子生物学的证据1 1、组成化学元素相同、组成化学元素相同 2 2、2020种氨基酸相同种氨基酸相同3 3、遗传物质主要是、遗传物质主要是DNADNA4 4、普遍以普遍以ATPATP作为能量载体作为能量载体5 5、血清学实验、血清学实验6 6、分子生物学的方法证明生物亲缘关

3、系，如测定、分子生物学的方法证明生物亲缘关系，如测定蛋白质分子结构（使用最多的上是细胞色素蛋白质分子结构（使用最多的上是细胞色素C C与血与血红蛋白）红蛋白）血清学实验血清学实验第二节第二节 生物进化的理论生物进化的理论 一、一、拉马克学说拉马克学说 拉马克（拉马克（J.B.LamarckJ.B.Lamarck 1744174418291829）法国人被认为是科学进化论的法国人被认为是科学进化论的创使者。创使者。18091809年，他发表动物的哲学年，他发表动物的哲学一书，提出两个法则：一书，提出两个法则：“用进用进废退废退”和和“获得性遗传获得性遗传”。用进废退用进废退获得性遗传获得性遗传获

4、得什么？遗传什么？获得什么？遗传什么？达尔文（达尔文（Charles Darwin 1809Charles Darwin 180918821882），），英国人，原英国人，原在剑桥大学学习神学，相信在剑桥大学学习神学，相信“特创论特创论”二、二、达尔文的自然选择学说达尔文的自然选择学说 后来成为一名坚定的进后来成为一名坚定的进化论者。化论者。18591859年，达尔年，达尔文发表著名的物种起文发表著名的物种起源一书，提出了以源一书，提出了以“自然选择自然选择”为基础的为基础的进化学说，即进化学说，即“达尔文达尔文主义主义”。1 1、达尔文学说的主要内容：达尔文学说的主要内容：（1 1）一切生物

5、有发生变异的特性，许多变异）一切生物有发生变异的特性，许多变异 能遗传；能遗传；（2 2）一切生物均具有巨大的繁殖力；）一切生物均具有巨大的繁殖力；（3 3）生存斗争；）生存斗争；（4 4）自然选择或适者生存；）自然选择或适者生存；（5 5）长期、多代的自然选择，变异积累逐渐）长期、多代的自然选择，变异积累逐渐 形成新物种；形成新物种；（6 6）生物永远在发展进化之中，不会长期停）生物永远在发展进化之中，不会长期停 留在一个水平上。留在一个水平上。1 1遗传与变异遗传与变异人工选择人工选择 （commmoncommmon descent with modification descent wi

6、th modification）2.2.自然选择自然选择马尔萨斯的人口论马尔萨斯的人口论 （natural selectionnatural selection）达尔文自然选择理论的形成达尔文自然选择理论的形成 三、动物进化规律三、动物进化规律适应辐射律适应辐射律趋同律趋同律平行律平行律不可逆律不可逆律停滞进化停滞进化 四、现代综合进化论四、现代综合进化论新拉马克主义新拉马克主义新达尔文主义的进化学说新达尔文主义的进化学说综合进化论综合进化论分子进化的中性学说分子进化的中性学说间断平衡论间断平衡论群体遗传水平的“进化综合理论”分子遗传水平的“中性学说”生物进化研究的现代发展生物进化研究的现代发

7、展进化综合理论进化综合理论v进化综合理论的形成进化综合理论的形成费希尔费希尔(Fisher)Fisher)、赖特赖特(Wright)Wright)、霍尔丹霍尔丹(Haldane)Haldane)、穆勒穆勒(Muller)Muller)、杜比宁杜比宁(DubininDubinin)、杜布赞斯基杜布赞斯基(DobzankyDobzanky)等分别就不同因素建立数学模型，研究等分别就不同因素建立数学模型，研究各种因素对群体遗传平衡的定量影响。各种因素对群体遗传平衡的定量影响。杜布赞斯基杜布赞斯基19371937年出版了遗传学和物种起源标年出版了遗传学和物种起源标志着进化综合理论创立，被称为现代达尔文

8、主义。志着进化综合理论创立，被称为现代达尔文主义。19701970年杜布赞斯基出版了进化过程的遗传学一年杜布赞斯基出版了进化过程的遗传学一书，进一步完善和发展了群体遗传学。书，进一步完善和发展了群体遗传学。v 进化综合理论的主要观点进化综合理论的主要观点群体是生物进化的基本单位，进化就是群体遗传结构的群体是生物进化的基本单位，进化就是群体遗传结构的改变；改变；基因突变是偶然的、与环境无必然联系；基因突变是偶然的、与环境无必然联系；突变、基因重组、选择和隔离是生物进化和物种形成的突变、基因重组、选择和隔离是生物进化和物种形成的基本环节基本环节；自然选择是连接物种基因库和环境的纽带，自动地调节自然

9、选择是连接物种基因库和环境的纽带，自动地调节突变与环境的相互关系，把突变偶然性纳入进化必然性突变与环境的相互关系，把突变偶然性纳入进化必然性的轨道，产生适应与进化。的轨道，产生适应与进化。指出指出自然选择存在多种机制和模式，并从群体水平与分自然选择存在多种机制和模式，并从群体水平与分子水平进行了阐述子水平进行了阐述。从分子水平研究生物进化的优点从分子水平研究生物进化的优点 传统的生物进化研究的主要依据是传统的生物进化研究的主要依据是生物个体、细胞水平生物个体、细胞水平研研究所提供的信息。究所提供的信息。分子水平研究发现，在生物大分子中蕴藏了丰富的生物进分子水平研究发现，在生物大分子中蕴藏了丰富

10、的生物进化遗传信息；从分子水平研究生物进化具有以下优点：化遗传信息；从分子水平研究生物进化具有以下优点：根据生物所具有的核酸和蛋白质结构上的差异程度，可以根据生物所具有的核酸和蛋白质结构上的差异程度，可以估测生物种类的进化时期和速度。估测生物种类的进化时期和速度。对于结构简单的微生物的进化，只能采用这种方法。对于结构简单的微生物的进化，只能采用这种方法。它可以比较亲缘关系极远类型之间的进化信息。它可以比较亲缘关系极远类型之间的进化信息。分子水平的进化信息研究研究表明研究表明：在不同物种中，相应核酸和蛋白质序列组成存在广泛在不同物种中，相应核酸和蛋白质序列组成存在广泛差异，并且这些差异在长期生物

11、进化过程中产生，具有差异，并且这些差异在长期生物进化过程中产生，具有相对稳定的遗传特性。相对稳定的遗传特性。根据这类信息可以根据这类信息可以估测物种间的亲缘关系估测物种间的亲缘关系：物种间的：物种间的核苷酸或氨基酸序列相似程度越高，其亲缘关系越近，核苷酸或氨基酸序列相似程度越高，其亲缘关系越近，反之亲缘关系越远。反之亲缘关系越远。从分子水平研究获得的生物进化信息与地质研究估计从分子水平研究获得的生物进化信息与地质研究估计数据十分接近。数据十分接近。分子水平的进化信息研究v 氨基酸序列与系统发育v 核苷酸序列与系统发育v 基因组的进化 蛋白质蛋白质 直接或间接影响生物进化。直接或间接影响生物进化

12、。DNA核苷酸序列核苷酸序列氨基酸序列氨基酸序列蛋白质主体结构和理化性蛋白质主体结构和理化性质。质。比较生物之间同一蛋白质的组成比较生物之间同一蛋白质的组成估计其亲缘关系和进化估计其亲缘关系和进化程度程度发现生物进化中遗传物质变化情况。发现生物进化中遗传物质变化情况。有些蛋白质在各类生物进化中执行同一任务，例如细胞色有些蛋白质在各类生物进化中执行同一任务，例如细胞色素素C是一种呼吸色素、在氧化代谢中担任转移电子的作用。是一种呼吸色素、在氧化代谢中担任转移电子的作用。根据蛋白质中氨基酸变化数目和各类生物相互分歧的时间根据蛋白质中氨基酸变化数目和各类生物相互分歧的时间对比，可计算进化时蛋白质变化速

13、率。对比，可计算进化时蛋白质变化速率。v 氨基酸序列与系统发育分析比较不同物种同功蛋白的组成，可以估测它们之间的亲缘程度和进化速度。蛋白质进化中研究得最多的是血红蛋白和细胞色素c的氨基酸序列差异。黑猩猩细胞色素黑猩猩细胞色素C中的氨基酸和人完全一样；中的氨基酸和人完全一样；恒河猴和人的细胞色素恒河猴和人的细胞色素C也只有一个氨基酸也只有一个氨基酸不同。不同。恒河猴和黑猩猩与人的亲缘关系较近。恒河猴和黑猩猩与人的亲缘关系较近。人人陆生动物的亲缘关系较近陆生动物的亲缘关系较近 细胞色细胞色素素C氨基酸差异无或很小；氨基酸差异无或很小；人人微生物的差异最多。微生物的差异最多。根据不同生物细胞色素C的

14、氨基酸差异 估测各类生物相互分化的大致时间。细胞色素细胞色素C的进化速率是的进化速率是0.310-9，可计，可计算人类与其它物种的分歧时间：算人类与其它物种的分歧时间：人恒河猴：约为人恒河猴：约为0.16亿年；亿年；人兔子、猪、狗、马和企鹅等哺乳动物：人兔子、猪、狗、马和企鹅等哺乳动物：约在约在23亿年；亿年；人蛾等昆虫：约在人蛾等昆虫：约在7亿年前；亿年前；人酵母曲等真菌：约人酵母曲等真菌：约13亿年前。亿年前。根据氨基酸序列差异根据氨基酸序列差异估算物种进化的分歧时间估算物种进化的分歧时间(年年)采用物种之间的最小突变距离采用物种之间的最小突变距离构建进化树构建进化树(evolutiont

15、ree)例如上述方法估测到原核生物和真核生物的分化比动物例如上述方法估测到原核生物和真核生物的分化比动物和植物的分化大约早和植物的分化大约早1.52.0倍时间，其中：倍时间，其中：动物和植物的分化约在动物和植物的分化约在12亿年前；亿年前；原核生物和真核生物的分化大约在原核生物和真核生物的分化大约在20亿年以前。亿年以前。这些同化石记录的分析十分相似。这些同化石记录的分析十分相似。利用分子水平估算方法测定的鲤鱼与人、马、牛的相对进利用分子水平估算方法测定的鲤鱼与人、马、牛的相对进化时间相差约化时间相差约4.8倍。倍。而从地质历史上估算，鱼类起源于而从地质历史上估算，鱼类起源于3.54.0亿年之

16、间，亿年之间，哺乳动物起源于哺乳动物起源于0.750.8亿年之前，即鱼类对哺乳动物的亿年之前，即鱼类对哺乳动物的相对进化时间约为相对进化时间约为5倍。倍。分子水平估算与地质估算数据十分接近。分子水平估算与地质估算数据十分接近。根据根据20种不同生物细胞色素种不同生物细胞色素C氨基酸碱基序列差异氨基酸碱基序列差异计算计算平均最小突变距离平均最小突变距离构建物种进化树列构建物种进化树列.v核苷酸序列与系统发育核酸的分子结构中包含了丰富的进化信息。同功蛋白基因、非蛋白表达基因序列两两比较或多重比较，可以推断序列间同源性，并进行差异性分析构建分子水平系统进化树(evolution tree);在结构基

17、因组研究的基础上进行序列比较研究可能为物种比较提供更为全面的信息，甚至全基因组序列比较。利用序列信息还可以估算分子进化速率，从而用分子进化钟来估算物种进化的分歧时间。DNA量的变化：一般生物由简单到复杂一般生物由简单到复杂 DNA含量由少到多。含量由少到多。分子遗传学表明：分子遗传学表明：复杂生物种类需要更多的基因来传递和表达较为复杂生物种类需要更多的基因来传递和表达较为复杂的遗传信息。复杂的遗传信息。例如例如噬菌体有噬菌体有9个基因、个基因、SV40病毒有病毒有610个基因，个基因，而而“人类基因组计划人类基因组计划”研究表明人研究表明人46条染色体上条染色体上约有约有34万个基因。万个基因

18、。有许多基因如血红蛋白基因、免疫球蛋白基因等有许多基因如血红蛋白基因、免疫球蛋白基因等只存在于比较高等的生物。只存在于比较高等的生物。.DNA差异用于估算分子的进化速率：用分子进化速率可以推断分子进化钟用分子进化速率可以推断分子进化钟（molecular evolutionary clockmolecular evolutionary clock），简称分子钟。），简称分子钟。分子进化速率的计算方法（以氨基酸为例）：分子进化速率的计算方法（以氨基酸为例）：-In(1-d/n)K=2T 其中：其中：k是每年各位点上氨基酸的置换率，是每年各位点上氨基酸的置换率，ln是自然对数，是自然对数，d是氨基

19、酸置换数（最小突变距离），是氨基酸置换数（最小突变距离），n 是所比较的氨基是所比较的氨基酸总数酸总数。众多物种的氨基酸分子进化速率计算结果表明，众多物种的氨基酸分子进化速率计算结果表明，k值一般值一般都在都在10-9。日本木村资生日本木村资生(KimuraM.)建议将建议将10-9定为生物分子进化定为生物分子进化钟的速率钟的速率 估算不同物种进化分歧的时间：T=-In(1-d/n)2K表25-17 哺乳动物基因的DNA序列中不同部分的相对进化速率序列进化速率（10-9）有功能的基因232 5 折叠区232 前导区174 同义编码序列465 非同义编码序列088 内含子370 拖尾序列188

20、3 折叠区446假基因485Peter J.Russell：GENETICS3d ed.1992,Table 23-14 表 25-18 不同的哺乳动物基因的 DNA 序列中相对进化速率基因非同义突变进化速率（10-9）同义突变进化速率（10-9）组蛋白 H40004143胰岛素016541催乳素129559珠蛋白056394珠蛋白087296白蛋白092672甲胎蛋白121490Li,W.et al.：1958,Mol.Bio.Evol.2:150174 基因蔟分离 (哺乳动物和鸟类)1 2 1 2 基因蔟的扩增 基因的分离 和基因连锁 (非洲爪蟾)重复和歧化 单个珠蛋白基因 (七鳃鳗和粘盲

21、鳗)原始的珠蛋白 外显子融合 内含子的插入 (肌红蛋白)豆血红蛋白 700 600 500 400 300 200 100 百万年 图 25-12 所有珠蛋白的基因通过一系列的重复，转座和突变而发生进化 二二.多基因家族多基因家族（multigene family)的进化的进化 三线粒体三线粒体DNADNA的进化的进化 动物动物mtDNAmtDNA中的核苷酸顺序的进化速率要比核基因中的核苷酸顺序的进化速率要比核基因的编码顺序快得多的编码顺序快得多(快快510510倍倍)。(1)(1)可能和可能和mtDNAmtDNA顺序的高突变率有关。顺序的高突变率有关。(2)(2)因为其缺乏修复机制因为其缺乏

22、修复机制 (3)(3)mtDNAmtDNA的的DNADNA聚合酶存在较多倾向误差。聚合酶存在较多倾向误差。(4)(4)可能是选择压力在核基因中淘汰了很多突变，而可能是选择压力在核基因中淘汰了很多突变，而在线粒体中这种压力松驰了在线粒体中这种压力松驰了 (5)(5)再者由再者由mtDNAmtDNA编码的蛋白质编码的蛋白质,tRNAstRNAs和和rRNAsrRNAs的改的改变对个体适应性的损伤更少一些。变对个体适应性的损伤更少一些。v基因组的进化基因组的进化海胆、两栖类、鸟类和哺乳类在自由生活的生物中，细胞内基因组在自由生活的生物中，细胞内基因组DNADNA的含量与进化过程的含量与进化过程存在密

23、切关系，不同生物按细胞内存在密切关系，不同生物按细胞内DNADNA含量不同，可分为含量不同，可分为四大重叠类群：四大重叠类群：细菌细菌DNADNA含量最低，变动于含量最低，变动于0.0030.0030.010.01pgpg；真菌真菌每个细胞每个细胞DNADNA含量不足含量不足0.10.1pgpg；大多数大多数动物动物和某些植物和某些植物每个细胞每个细胞DNADNA含量变动于含量变动于0.10.11010pgpg；蝾螈、某些鱼和许多植物蝾螈、某些鱼和许多植物每个细胞每个细胞DNADNA含量大于含量大于1010pgpg。注意：一般情况下，高等生物遗传信息比低等生物复杂，因此基因组内DNA含量较高；

24、而低等生物的基因组DNA含量相对较低。基因组DNA含量与生物的进化也有矛盾之处，尤其在真核生物中。因为真核生物基因组DNA中存在大量高度重复且无功能的区段自私DNA，导致了DNA含量与其进化水平的矛盾。15.4.3 15.4.3 中性学说中性学说v中性基因 分子水平研究发现生物基因组中存在中性基因突变：不同等位基因间碱基序列存在差异，但无表型选择作用。中性基因频率改变不是选择压引起，而主要是由遗传漂变引起。基因中性突变可能有以下几种情况：氨基酸序列改变性状变异，但无选择意义(中性性状)；氨基酸序列改变，但蛋白质功能不发生改变(中性突变)；氨基酸序列不改变(同义突变)。v自然选择学说在分子水平的

25、矛盾自然选择学说认为：生物进化是微小变异长期选择而产生的群体遗传定向改变的过程。据此可以推测：具有适应性意义的基因，在定向选择作用下进化速率应该比中性基因快；存在于物种间分子水平上的差异也更大。但现有分子水平的研究表明：中性基因往往比那些功能上重要的基因在物种间差异要大得多。也就是说：中性基因的进化速率比具有重要功能的基因快。中性突变：不影响分子结构和功能的突变 DNA水平 基因组非编码区的同义替换和错义替换中的保守性替换中性突变1968年木村资生提出了分子进化的“中性学说”，全称是“中性突变-随机漂变假说”。他认为：中性基因在种内的积累不是由于自然选择，而是由于遗传漂变导致的偶然固定；决定分

26、子进化的主导因素是那些对生物生存既无利、又无害的“中性”基因；生物物种间(中性基因)在分子水平上的进化速率是一致的。v中性学说 What do we mean when we say“This gene is evolving neutrally”?The sample of genes resides in a population at drift-mutation equilibrium.Drift and mutation are the ONLY forces acting within your sampled populations Mating is at random Off

27、spring are produced following a Poisson distribution with intensity 1.An outgroup diverged T 4Ne generations ago with no subsequent gene flow or demographic fluctuationsNeutralityTime scale of neutralityPhylogenies Pairs of speciesWithin a speciesNeutral theory of molecular evolutionPopulation genet

28、icsPhylogeneticsTimeLong agoRecent Protein Isozymes*DNA RAPDs RFLPs AFLPs*SSRs*DNA sequences*SNP genotypes*Types of DataRaw data from commonly used technologies The site-frequency spectrum(sfs)Unfolded sfsFolded sfsThe fundamental population genetic parameter 4NeuDiversity within populations is cont

29、rolled by the parameter:which is the product of the effective population size(Ne)and the per generation mutation rate(u).It is the effective number of new mutants per generation.It is a population-level parameter.If u varies among loci,the genome-wide estimate of can be approximated by using the geo

30、metric average of across loci where:E()A simple model of the mutational processImagine that your DNA sequences are part of an infinite“string of pearls”.Mutations change a pearl from white to black.Because the string is infinite,mutations only“hit”any given pearl once.Therefore,all DNA sequence poly

31、morphisms have only two alleles.This is the infinite sites mutation model.Sample-based estimators of using the sfs n21i n iii1n1 ee1 Hn21i2ii1n1 L1n 1iii1n1EstimatorSensitivitySourcelowWatterson(1975)intermediateTajima(1989)singletonFu and Li(1993)highFay and Wu(2000)highZeng et al.(2006)W11ii1n1ii1

32、n1Sensitivity=the frequency of observed polymorphisms that makes estimates using a given estimator large relative to the others.Statistical performance of estimatorsDivergenceThere are many measures of divergence,here I will use those of Nei(1987):Dxyxiyjdijj1ii1n Da Dxy(xy)/2 Da 2uTAverage pairwise

33、 divergenceNet divergenceNet divergence as a function of u and T Three major types of tests:Those based on summaries of the sfs Those based directly on the sfs Those based on polymorphism and divergence HKA MKATesting for neutralityEckert,Neutrality Testing,5-Aug-2008 16 The basic idea:Compare two e

34、stimators of diversity().Under neutrality,different estimators have the same expectation,E()=.Although each estimator is unbiased,they are sensitive to changes in different parts of the site-frequency spectrum.Neutrality testing:Summary statistics Tajimas D Fu and Lis F*Fu and Lis D*Summary statisti

35、c based tests from the folded sfs D Wvar(W)D*sWvar(sW)F*svar(s)WSi1i1n1 n21diji j snn 1sEstimators of:Tajimas D D Wvar(W)The math:The mechanics:When W ,D is negative.W occurs when many rare polymorphisms are observed.When W ,D is positive.W ,H is negative.L occurs when many high frequency polymorphi

36、sms are observed.When L ,H is positive.L occurs when many equally frequent polymorphisms are observed relative to high frequency variants.Under neutrality,E(L)=E(),so that H=0.The biology:A selective sweep may have occurred when too many high frequency polymorphisms occur in a sample and Fay and Wus

37、 H is negative.Either you have sampled gene sequences during a selective sweep OR long-term balancing selection has occurred when too many polymorphisms are present at intermediate frequencies within a sample and Fay and Wus H is positive.HnormLvar(L)Normalized H vs.H Hnorm Hvar(L)1SummaryStatisticC

38、omparison(frequency of variants)Tajimas Dintermediate to lowFay and Wus Hhigh to intermediateZeng et al.s Ehigh to lowTests of allele frequency distributionNeutralPositive SelectionBalancing SelectionTajimas D Fu and Lis D*Fay and Wus HD=0D 0D*=0D*0H=0H 0 NAHSSW Excess of Low Frequency AllelesExcess of Intermediate Frequency Alleles