上海交通大学第6章生化 (刘建华).ppt

图6.16 内部重复的序列比对。（A）TATA box结合蛋白的两个重复进行的序列比对。N-端重复用绿色表示，C-端重复用蓝色表示。(B) TATA-box结合蛋白的结构。N-端绿色，C-端蓝色。 同一进化是解决生化挑战的共同方法 同一祖先蛋白分子，产生有差异的蛋白叫差异进化。而不同祖先分子产生结构类似的蛋白质，执行相似的生化功能，叫同一进化。 同一进化的例子之一是能够水解肽键的丝氨酸蛋白酶。这些酶的活性位点的结构很相似，其组氨酸、丝氨酸和天冬氨酸在空间的排布几乎一致。这些蛋白酶水解肽键的机理完全相同。初看起来，这种相似性似乎意味着这两种蛋白质是同源物，来自同一祖先分子。但是这两种蛋白质的空间结构差异显著，因此不可能有共同祖先（图6.18）。 图6.17 蛋白酶活性位点的同一进化。丝氨酸类蛋白酶胰凝乳蛋白酶和枯草杆菌蛋白酶的活性位点的三个关键残基位置几乎一致。 图6.18 胰凝乳蛋白酶和枯草杆菌蛋白酶的结构。与活性位点空间结构（在蛋白质空间结构顶部）高度相似性不同，枯草杆菌蛋白酶和胰凝乳蛋白酶的空间结构差异显著。b-链用黄色表示，a-螺旋用蓝色表示。 RNA序列比较能够了解RNA二级结构 同源RNA序列也可以用前面介绍的方法比较。这种比较既能研究RNA进化，又能为RNA分子自身的三维结构提供思路。 单链核酸能折叠回来，利用Watson-Crick碱基配对及其它相互作用，形成精致的结构，行使独特功能。有类似碱基配对结构的核酸家族，核苷酸序列可能有差异，但是碱基配对却保守。 例如，大肠杆菌大rRNA分子有一区域的第9位是G，第22位是C；而人大rRNA分子在该区域的第9位是U，第22位是A。各种生物rRNA在该区域的序列第9位和第22位核苷酸都可以形成Watson-Crick碱基对。相邻位点核苷酸也是这样，由此推测它们相互形成双螺旋。随后测定RNA三级结构证实序列比较所预测的二级结构正确。 图6.19 RNA序列比较。（A）比较不同物种核糖体RNA的部分序列。（B）序列比较提示该区域所形成的二级结构。绿色棒显示该位点的Watson-Crick碱基对完全保守，而绿色点表示该位点的碱基配对在多数情况下是保守的。 6.4 在序列信息的基础上能够构建进化树 同源物有序列类似性，提示序列类似性能推测蛋白家族成员的进化途径。 类似性程度越高，表明这两种蛋白质在进化上分离（即差异）的时间越晚；序列类相似度愈低，这两种蛋白质在进化上分离（即差异）的时间愈早。 进化上分离时间利用球蛋白（豆血红蛋白、肌红蛋白、血红蛋白a-链和血红蛋白b-链）进行了说明。比对这些序列（如有必要添加缺口），构建进化树（分支的长度与序列间差异氨基酸的数量呈正比）。 图6.20 球蛋白进化树。根据序列比较推测分支结构，而化石研究的结果提供了进化分离的时间范围。 分子比较仅能显示进化分化的相对时间。例如肌红蛋白与血红蛋白分离的时间相当于血红蛋白a-链和b-链分离时间的两倍。怎样评估基因重复和其它进化事件所发生的时间？将序列差异推测的进化树的时间用化石记录所显示的时间进行校正。例如，基因重复产生血红蛋白a-链和b-链的时间是3.5亿年前。这个估计时间与无颌鱼与有骨鱼进化分离的时间吻合。无颌鱼lamprey与有骨鱼的分离时间在4亿年前，而无颌鱼只有一种血红蛋白链（图6.21）。这些方法适于相对现代及非常古老的分子（如所有生物都有的核糖体RNA)。实际上，RNA序列分析显示古生菌在进化早期就与细菌分离了。 图6.21 Lamprey无颌鱼。无颌鱼的祖先在4亿年前与有骨鱼发生进化分离。lamprey只含有一条血红蛋白链。 6.5 现代技术能用实验探讨分子进化 聚合酶链式反应(PCR)能直接检测古老的DNA分子，从而消除了（至少部分消除了）仅用现存生物基因组进行研究的局限。 组合化学（combinatory chemistry）能产生种类众多的生物分子，从中选择具有某一生化特征的生物分子。利用这一过程能够了解进化早期的分子种类。 古代DNA扩增并测序 DNA分子化学稳定性高，适于担任遗传信息的储存分子。在适当条件下，DNA分子能够存活数千年。采用PCR技术能够成功扩增古生DNA并进行序列测定。 1856年在德国Dusseldorf发现的Neanderthal化石(估计距今有3万至10万年），PCR扩增其线粒体DNA片段（379碱基） 并测序，与人线粒体DNA序列比较有22 ~ 36个核苷酸替代。而人类与黑猩猩线粒体相应序列的核苷酸替代位点有55个。显示人与Neaderthals的关系比人与黑猩猩近。但是进一步研究显示