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1、分子进化与系统树-分子钟与中性理论摘要：分子钟的发现与中性理论的提出,极大地推动了进化尤其是分子进化研究,填补了人们对分子进化即微观进化认识上的空白,推动进化论的研究进入分子水平,并建立了一套依赖于核酸、蛋白质序列信息的理论方法。分子钟的发现与中性理论的提出,极大地推动了进化尤其是分子进化研究,填补了人们对分子进化即微观进化认识上的空白,推动进化论的研究进入分子水平,并建立了一套依赖于核酸、蛋白质序列信息的理论方法.分子进化研究有助于进一步阐明物种进化的分子基础,探索基因起源机制,从基因进化的角度研究基因序列与功能的关系。一、分子钟与中性理论60年代早
2、期“分子进化钟”的发现与60年代末期“中性理论”的提出是本世纪进化学的重大事件,是古老的进化学与新生的分子生物学两者“杂交”的产物.它们的相继问世极大地推动了进化尤其是分子进化研究,填补了人们对分子进化即微观进化认识上的空白,并在生物医学等领域产生了广泛影响。随着不同生物来源的大量蛋白质序列的确定,Zucherkandl等发现：某一蛋白在不同物种间的取代数与所研究物种间的分歧时间接近正线性关系,进而将分子水平的这种恒速变异称为“分子钟”。支持分子钟存在的证据来自哺乳动物与其它脊椎动物诸如血清蛋白与转铁蛋白等的免疫学（如微量补体固定）定量比较.人们发现多
3、肽间的免疫距离（如抗原性）与其氨基酸取代百分数成良好的线性相关,如鸟溶菌酶、哺乳动物RNase、细胞色素C与白蛋白、大肠杆菌色氨酸合成酶等.虽然这种相关性的分子基础尚不清楚,但这种客观存在经过反复验证后是不容置疑的.免抗血清由此成为初步估算球形单体蛋白间序列差异的有效工具,但其适用范围0～30%的氨基酸差异。自从分子钟假设提出之后,存在许多反驳它的相反事实与异议.这些异议主要针对序列进化的恒速.分子钟的最明显的例外之一是分子序列证据与化石证据在人类起源时间上的差异.60年代中期,许多人类学家认为人类在3000万年前与我们最近的亲属——非洲猿分歧.根据分
4、子钟假设,分歧3000万年的物种氨基酸序列差异的应达4～5%、非重复序列DNA差异应约为8%,但实测值分别为0.8%与1.1%.对这种6倍左右的差别有两种解释.许多人类学家倾向于怀疑钟的存在,并认为在高等灵长类中分子进化速率下降.总之,虽然大部分分子进化学家同意序列进化与分歧时间密相关,但进化是以年限还是以代限为刻度则仍有分歧与争议；而且因为众多因素的影响,与分子钟相左的数据,无论是用氨基酸、核苷酸序列差异、免疫学距离,还是用DNA杂交复性等参数,均不断有所报道,其论争预计将继续下去。自从60年代初发现分子钟——“分子进化速率在不同种系中恒定”以来,人
5、们又陆续发现蛋白质中氨基酸的置换是随机而非模式性的；DNA在哺乳动物种系的总变异速率远远高于形态上的变异速率并远远超出人们的预期的大于0.5核苷酸/基因组/年；蛋白质电泳表明物种内存在大量的变异即广泛的种内多态性,且这些多态性并无可见的表型效应,与环境条件亦无明显相关.以上这些都是新达尔文主义与综合进化理论所难以解释的。面对上述问题,日本群体遗传学家木村资生（MotooKimura）提出：（1）进化过程中的核苷酸置换其绝大部分是中性或近似中性的突变随机固定的结果而不是正向达尔文选择的结果：（2）许多蛋白质多态性必须在选择上为中性或近中性,并在群体中由突
6、变引入与随机灭绝间两者的平衡维持。上述论著问世遭遇到经典进化学家的强烈批判.他们认为新的分子生物学数据完全可以用新达尔文主义的原理来解释.直至现在,选择论者与中性论者的议争仍在继续.这两大学派的本质区别可通过它们各自对突变基因如何在物种内置换老基因这一进化过程的不同解释来洞悉.每一置换刚出现时在群体内均为稀有的突变等位基因,随后扩散至个群体并被固定,即频率达100%.选择论者认为：一个突变的等位基因在物种内扩散,就必需具有某些选择上的优1势,如在选择上为中性,就必需与一选择上具优势的基因紧密连锁,通过“搭车”而达到较高频率.与此相反,中性论者认为：一些
7、突变在没有任何选择优势的情况下也能自身在群体中扩散.如果一突变体在选择上等同于已存在的等位基因,其命运将取决于机会-随机,其频率存在上下起伏,因为在每代每一雌、雄个体所生的大量配子中只有很少数配子最终被“采用”以形成合子以及相应的个体,并出现在下一代中.在这种随机漂变（randomdrift）中,绝大部分突变等位基因随机丢失,但有一少部分在群体中被固定下来.如果中性突变在分子水平上普遍存在,且随机漂变在很长时间（如百万年）一直延续,群体的遗传组成将发生显著性改变.群体中出现的任何中性突变其最终固定的概率都等于其原始频率,其固定的平均时间四倍于有效群体的
8、大小（它近似等于每一代参与繁殖的个体数,通常远小于物种的个体总数）.中性理论并非认为中性基因无
