普通遗传学-第53节
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rims）（TT=24）杂交，其F1 杂种的染色体成为ST，但这种异源二倍体是不育的。如果杂种经过染色体加倍，就可形成异源四倍体SSTT，这种人工四倍体烟草在形态特征方面类似目前栽培的普通烟草。据此推测，普通烟草是上述两个二倍体经过自然杂交、后经过自然加倍而形成的，它具有两个亲本种的共同特征，但在生殖上与亲本种是隔离的。因为其F1杂种为三倍体，雌雄配子都不育，表现出合子前隔离机制。
14。3 分子水平的进化
进化（evolution）是一种变异发生的过程，它是从地球上原已存在的生命形式产生新的动物、植物和微生物类型的过程。在分子水平上，这一过程涉及DNA分子中发生插入、缺失、核苷酸替换等变异。如果某一段DNA编码某种多肽，那么这类变异就可能使多肽链中氨基酸序列发生变化。在长期的历史进程中，这些变异就会被累积起来，形成与其祖先存在很大差异的分子。随着现代生物技术的发展和应用，我们现在能够确定DNA分子的核苷酸序列和各种多肽链的氨基酸序列。通过对各种相关序列进行比较，我们就能明确各种生物进化的分子基础，建立分子进化的系统树（phylogenetic tree）。本节主要讨论进化领域研究的某些进展，分析群体在分子水平上的遗传变
14。3。1 进化的分子钟
利用古生物学资料在研究现存各种生物的祖先发生进化分歧的时间时，就会发现这些生物在整个进化期间均以一种有规律的速率对某种蛋白质进行代换。当这种有规律的蛋白质代换发生时，源于某个共同祖先的两个物种之间在蛋白质的氨基酸序列上的差异就可以用作一种进化的分子钟（molecular clock），确定两个物种发生进化分歧的时间。因此，我们就可通过比较不同物种的同源蛋白质的氨基酸序列或其DNA序列，推测分子变异的代换速度，确定物种分歧的大致时间。
表14…4是假设的两个物种在某种同源蛋白质中存在的氨基酸序列的差异，这段多肽在第1、2、4位的氨基酸相同，第3、5位的氨基酸不同。有差异位点的比例为2：3（0。4）。根据前述中性突变理论，这两个物种中有一个在这些位点上发生了突变，并通过随机遗传漂变最后将突变固定下来。如果某两个物种亲缘关系很近，则所有位点上的氨基酸可能都相同；如果亲缘关系很远，则许多位点上的氨基酸都可能不同。
表14…4 两个物种的同源蛋白质的氨基酸差异
物 种 氨基酸位置
1 2 3 4 5
a
b 精氨酸 天冬氨酸 缬氨酸 谷氨酸 赖氨酸
精氨酸 天冬氨酸 精氨酸 谷氨酸 亮氨酸
进化的分子钟理论与前述中性突变理论是一致的。换言之，如果分子水平的代换是遗传漂变和突变速率相互作用的结果，则在进化的长时间内都会在分子水平的变异上发生相对有规律的代换。假定遗传漂变和突变是唯一的能改变分子变异频率的因素，如果产生某种新变异的速率为u，则在含有N个二倍体个体的群体中，每一世代就可产生2Nu个新突变体。由于新的中性突变体固定的概率等于其最初频率。假定突变与遗传漂变之间处于平衡状态，则每一世代等位基因代换的速率（K）就是每世代产生的突变数与其固定概率的乘积，即K=2Nu=u也就是说，等位基因代换的平均速率等于该座位上的突变速度。
假定每一基因的突变速率为10…6 每一蛋白质平均长100个氨基酸，则每一氨基酸发生突变的速率为10…8。当氨基酸序列中不存在任何选择限制时，上述测算就相当于氨基酸代换的速率。但必须明确，不同蛋白质分子中氨基酸代换的速度是不同的。如血纤肽（fibrinopeptied）、血红蛋白（hemoglobin）和细胞色素c（cytochrome c）的氨基酸代换速率分别为0。9×10…8、0。14×10…8和0。3×10…8。造成这种差异的原因可能是多肽链的三维结构的重要性有差别或者其活性部分中各种氨基酸的比例不同。
14。3。2 氨基酸序列与系统发充
通过比较各种生物都共有的蛋白质的氨基酸序列也可以测量不同生物间的进化关系或进货分歧。细胞色素c是研究得较多的一种蛋白质，它是真核细胞中线粒体内一种与呼吸有关的色素。有许多脊椎动物中，细胞色素c由104个氨基酸组成，在其他大多数生物中，其氨基酸数目略高一些。在进化过程中，细胞色素c变化很慢，在人与黑猩猩之间，其序列相同，在人与猕猴之间仅有一个氨基酸的差别，但是人和猴在2000万年以前在进化上就有了分歧。
以人的细胞色素c为标准，比较与各种生物之间氨基酸差别数的差异，可以发现即使人与酵母的进化分歧相距很远，但细胞色素c也只有38个氨基酸的差别。与其他各种生物比较，细胞色素c也至少有15％的序列保持不变。
如果将氨基酸的差异转换成遗传密码的差异，就可以估算从一个氨基酸密码改变成另一个氨基酸密码需要改变的核苷酸的最低数。在两个生物体之间需要改变一个以上的核苷酸才能使多肽链中产生一个氨基酸变异。例如，使甲硫氨酸密码子AUG改变成谷氨酰胺密码子CAA或CAG至少需要替换两个核苷酸对。因此，在进行期间必须发生两个以上独立的突变才能产生可见的变异。两个种之间决定所有氨基酸差异的所代换的核苷酸总数称为最小突变距离（minimal mutational distance），所以最小突变距离值大于相应的氨基酸数。表14…5是对20种生物的细胞色素c基因的分析结果。
最小突变距离除了用来估算不同生物间进化的分歧以外，还可用来推算不同物种起源于共同祖先的顺序。因此，根据不同生物的同一种氨基酸序列要析结果，就可绘制出系统树。通过测定各种物种之间最小突变距离和利用计算机程序就可确定不同物种之间的亲缘关系，而且还可以确定各种亲缘关系中某种现已灭绝的祖先序列在进化分歧点上的年代。根据14…5资料绘制的系统树如图14…6，每一条线上的数字代表任何两点之间的最小突变距离。
生物 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
1。人 — 1 13 17 16 13 12 12 17 16 18 18 19 20 31 33 36 63 56 66
2。猴 — 12 16 15 12 11 13 16 15 17 17 18 21 32 32 35 63 57 65
3。狗 — 10 8 4 6 7 12 12 14 14 13 30 29 24 28 64 61 66
4。马 — 1 5 11 11 16 16 16 17 16 32 27 24 33 64 60 68
5。驴 — 4 10 12 15 15 15 15 15 31 26 25 32 64 59 67
6。猪 — 6 7 13 13 13 14 13 30 25 26 31 64 59 67
7。龟 — 7 10 8 11 11 11 25 26 23 29 62 59 67
8。大袋鼠 — 14 14 15 13 14 30 27 26 31 66 58 68
9。鸭 — 3 3 3 7 24 26 25 29 61 62 66
10。鸽 — 4 4 8 24 27 26 30 59 62 66
11。鸡 — 2 8 28 26 26 31 61 62 66
12。企鹅 — 8 28 27 28 30 62 61 65
13。海龟 — 30 27 30 33 65 64 67
14。响尾蛇 — 38 40 41 61 61 69
15金枪鱼。 — 34 41 72 66 69
16采采蝇。 — 16 58 63 65
17蛾。 — 59 60 61
18。脉孢菌 — 57 61
19。酵母 — 41
20。念珠菌 —
表14…5 在20种生物中编码细胞色素c的基因的最低核苷酸差别数（以人为标准）
以最小突变距离绘制的系统树与依据方法如形态学和古生物学证据建立的系统树基本一致。当然也有不一致的地方，如其中鸡和企鹅的关系比它与鸭和鸽子的关系密切一些，人与其他哺乳动物的分歧发生的有袋类与非灵长目的有胎盘哺乳动物的分歧之前。
由于细胞色素C是进化很慢的蛋白质，所以不适于用来测定关系很密切的生物之间的进化变异。对于亲缘关系近的物种，则应采用进化速度比细胞色素C快的蛋白质。如长115个氨基酸的碳酸酐酶（carbonic anhydrase）就可用来较精确地测定人与其他灵长目动物的关系。
这种系统发育研究方法也可用来测定进化期间通过基因重复形成的有关分子，如各种血红蛋白链（hemoglobin）、肌红蛋白（myoglobin）等。同比较物种的进化关系一样，通过比较每一条多肽键的变异也可建立系统树（图16…7）。肌红蛋白分子和各种血红蛋白链起源于共同的祖先序列，而且4种血红蛋白链（珠蛋白链）的起源都相同。
两个物种之间的同一单链α—珠蛋白链或β—珠蛋白链也可进行比较。人与其近缘物种间的差异是显而易见的。人与黑猩猩的α—和β—珠蛋白链的序列相同，而大猩猩与人只在每一条链中有一个氨基酸的差别（表14…6）。
图14…6 由细胞色素C基因核苷酸序列的差异推导出的20种生物的系统树
图中数字为每分枝所要求的核苷酸代换数
表14…6 人与其他生物之间α—和β—珠蛋白链的比较
生物 人与各种生物间的氨基酸差异 生物 人与各种生物间的氨基酸差异
α—链 β—链 α—链 β—链
黑猩猩
大猩猩
猕猴
家鼠
羊
猪 0
1
5
19
26
20 0
1
10
31
33
28 马
兔
鸡
大袋鼠
鲤鱼
七鳃鳗 22
28
45
—
93
113 30
16
—
54
—
—
总而言之，多肽链的氨基酸序列资料对研究生物的进货具有极其重要的作用，其最重要的价值是直接对造成进化变异的遗传基础进行研究，是对其他进化证据的有力补充。
14。3。3 核苷酸序列与系统发育
不同来源的DNA分子之间进行杂交是研究进化的一种非常有效的方法。这里只作扼要说明。当双链DNA分子加热到熔解温度或用碱处理时，其氢键就会被打断而形成单链。如果缓慢降低温度或使PH恢复到接近中性，任何两条具有序列互补性的单链又可形成稳定的双链形式。如果不同来源的DNA单链之间或DNA单链与RNA通过碱基互补形成双链，就产生杂种双链，这就是核酸分子杂交的基础。
图14…7 肌红蛋白（Mb）和血红蛋白（Hb）的系统发育树
这两类基因首先通过重复，最后造成氨基酸序列不同
在研究不同物种间DNA序列的多样性时，须对其中一个物种的DNA进行放射性标记，使其具有放射性，并且还须将单拷贝部分即在单倍体基因组中只出现一次序列分离出来。然后再将这些具放射性的单拷贝序列加热，使其解离成单链，接着，一方面使其与本种的单链DNA杂交即所谓同源反应（homologous reaction），另一方面也使其与其他种的单拷贝单链DNA杂交即所谓异源反应（heterologous reaction）。最后，测定同源和异源双链DNA分子的热稳定性（△Tm），二者的热稳定性差异就是两个物种的核苷酸序列的分歧。热稳定性是指50％的双链DNA解离的温度值，是对两种核苷酸序列的一种度量，如1℃的△Tm值（即两个种的热稳定性相差1℃）约相当于有1％的核苷酸序列不配对。根据上述原理，对海胆（Strongylocentrotus）两个种的试验结果如图14…8。根据热稳定差异知道S。purpuratus和S。franciscanus的核苷酸序列分歧大约为19％。根据上述试验资料并参照化石记录，可知这两个种的分歧发生在1500万~2000万年以前。
图14…8 海胆S。purpuratus/S。purpuratus单拷贝
DNA（圆球）和S。purpuratus/S。purpuratus
单拷贝DNA（三角）的热稳定性
采用同样方法对高等灵长目动物DNA进行比较可以得到比较精确的系统发育结论。依据染色体研究以及蛋白质和同工酶差异的资料很难准确地解决黑猩猩、大猩猩和人的分类学关系、因为这些物种的亲缘关系很近。采用单拷贝DNA序列杂交的资料并参照化石记录就可以阐明高等灵长目动物的进化分歧类型和发生分歧的时间（图14…9）。这种亲缘关系的度量值称为△T50H，与前述Tm值的意义相近。根据图14…9知道，人类（Homo sapiens）与黑猩猩（Pantrog—lodyes）的亲缘关系较近，其△T50H值为1。9，比距大猩猩（G。gorilla）系统发育的△T50H值小。黑猩猩与大猩猩的系统发育分歧约发生在800万~1000万前年，与人类的分歧发生在630万~770万年前，与小黑猩猩（P。paniscus）的分歧发生在240万~300万年前。
