第五章 中性演化论

中性演化理论 | 维基百科

一、自然界中的基因突变

自然选择的基础：遗传变异 不断变化的环境

遗传变异的类型：

• 染色体重组
• 染色体突变（核型的改变：多倍化、染色体数目的变化、重排）
• 基因（碱基）突变（转换、颠换、移码）

Dobzhansky的果蝇实验：从野外捉自然健康果蝇，不断近亲交配（隐性基因纯合）

二、基因突变的基础

1953年，沃森、克里克

60年代，等位酶的发现，由不同等位基因编码、可以用电泳区分的同一种酶

三、中性理论的提出

中性理论的假设

一个哺乳动物有20个独立分配的位点，每个位点有两个等位基因

非达尔文主义（Non-Darwinian Evolution）

密码子的第三位变化更快

兼并性

解释

存在很多选择上中性的等位基因，它们的频率由突变率和遗传漂变而定

遗传漂变：在有限数量的后代中，由于取样误差，基因频率和基因型频率随机波动，都有可能不同于上一代

基因频率的随机波动（随机游荡）

蛋白质的多态性是由选择上中性或接近中性的等位基因被遗传漂变随机固定的

固定：种群中同一代的所有个体共享一种突变的等位基因

遗传漂变及其重要性

自然选择和遗传漂变都是进化的重要力量

遗传漂变决定群体的杂合度

$H=2p(1-p)$

一个位点上的遗传变异会不断下降并且最终丢失，杂合体的频率随着一个等位基因频率更接近于1（而另一个等位基因频率更接近于0）而下降

杂合度下降的速率通常被用作衡量一个种群内遗传漂变速率的指标

遗传漂变的主要表现形式

• 岛屿效应
• 瓶颈效应
• 奠基者效应

有效种群大小

影响$N_e$的因素

• 性别的比率，性别种群少的个体对下一代的基因频率贡献大
• 种群大小的波动，应考虑种群的历史发展（瓶颈效应）
• 实际上参与生育的个体

遗传漂变中$s$的定义及计算

绝对中性：$s=0$

被选择：$s>0$

被淘汰：$s<0$

每代的进化改变（从被固定的突变体的角度）：

$k=2Nu/p$

$u$：每代、每个配子的突变速率

$N$：群体中的个体数

每代群体中新的突变：$2Nu$

$p$：每个突变在群体中被固定的概率

中性的等位基因被固定的概率为该基因的概率

对于新发生的突变而言，每代被固定在种群中的中性突变的概率$p=1/2N$

因此当$s$等于或趋于零，即中性选择时，任何一代中产生中性突变在将来被固定下来的数目：

$k=(2Nu)/(1/2N)=u$，即与群体大小无关

平均来说，中性突变大约需要$4N_e$代才能在种群中固定

当$|s|$不是等于或趋于零时，此时与种群大小有关

突变的数量存在被低估的风险——多击

通过假基因、其他非翻译序列及四倍简并的第三碱基位置的种间比较

假基因：重复——失去功能（对于机体功能无影响选择压力小）

突变率的进化意义

将所有的基因加和后，突变带来的影响还是非常可观的

不同基因及不同染色体区域的突变率各不相同，受到环境甚至基因本身的影响（特异性免疫细胞

木村中性理论的主要内容

1. 突变大多数是中性，它不影响核酸和蛋白质的功能，对生物个体的生存既无好处也无坏处
2. 中性突变通过随机的遗传漂变在种群下固定下来，在分子水平上自然选择不起作用
3. 进化速率由中性突变的速率所决定，也就是由核苷酸和氨基酸的置换率所决定，它对所有的生物几乎都是恒定的

总结

中性突变，随机选择

• 承认负选择
• 反对正选择（错误）
• 强调功能约束
• 功能的约束造成不同基因突变速率不一样
• 功能重要的部分变化会影响其功能，大多数的变化均受负选择的作用
• 功能不很重要的变化不影响其功能

近中性演化理论

1. 新突变的概率受到遗传漂变和选择的共同影响
2. 一些突变具有微小的害处和好处，也一样受到基因漂变的影响，都有可能被固定下来

分子进化的主要研究内容

1. 经典进化和分子进化的区别
   1. 经典进化：表型
   2. DNA、RNA、蛋白质分子
2. 分子进化的一些术语
   1. 一致性（identity）：两个序列中完全相同的部分（保守）
   2. 相似性（similarity）：特征相像，但是来源不明确（理化性质相似，对蛋白质性质影响不大）
   3. 同源性：来自于同一个祖先
   4. 如果两个基因或蛋白质的序列一致性或相似性很高
      1. DNA的一致性60%以上
      2. 氨基酸的一致性30%以上
      3. 它们具有相同或相似的生物学功能
      4. 同源
         1. 直系同源：随着新物种的产生而产生的同源基因（纵向）
         2. 并系同源：由基因的重复而产生的同源基因（横向）
3. 分子演化速率的计算
   1. 蛋白质（氨基酸）水平的演化速率
      1. 必须有两个或两个以上的同源序列，氨基酸代替速率是相对的
      2. 每个氨基酸就是一个位点，空位不算
   2. 分化的时间越短，差异越小
   3. 分子钟（匀速演化

“选择”

1. 什么是“选择”？

在生物进化中，选择（Selection） 是自然选择的一种机制，通过差异化的生存和繁殖，让某些基因型或表型在种群中更有优势，从而改变基因的频率。

• 作用机制：有些突变使个体更适应环境，这些突变被保留，而不适应环境的突变可能被淘汰。
• 核心点：选择并不直接作用于基因，而是通过生物表现出来的性状（表型）来间接影响基因。

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2. 负选择（Negative Selection / Purifying Selection）

定义：负选择也叫纯化选择，是自然选择的一种形式，旨在去除 对生物有害的突变，从而保持基因组功能的稳定性。

• 机制：

  • 生物体中出现的 有害突变 会降低其适应度（比如导致疾病、降低生殖能力）。
  • 自然选择通过减少这些个体的生存和繁殖机会，减少有害突变在种群中的传播。

• 结果：长期负选择可以清除有害突变，使基因组保持稳定。

• 适用范围：

  • 重要的基因区域（如蛋白活性位点）会受到强烈负选择，因为这些区域突变会破坏功能。
  • 较不重要的区域（如非编码区）会受负选择较弱。

• 例子：

  1. 蛋白质核心区域：活性位点突变往往有害，负选择会清除这类突变。
  2. 人类遗传病突变：严重影响生存的遗传病突变往往因负选择而维持低频率。

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3. 正选择（Positive Selection）

定义：正选择指 保留对生物有利的突变 的过程，能够增强个体的生存和繁殖能力，从而使这些突变在种群中传播开来。

• 机制：

  • 生物体出现的 有利突变 提高了适应度（如更强的捕食能力、抗病能力等）。
  • 自然选择倾向于增加这些有利基因在种群中的频率。

• 结果：正选择导致基因频率朝着更适合环境方向变化，驱动物种进化。

• 例子：

  1. 抗药性基因：细菌中抗生素抗性基因的扩散是正选择的结果。
  2. 人类皮肤色素演化：浅色皮肤更适合吸收维生素D，在寒冷地区受到正选择。
  3. 镰刀型血红蛋白突变（部分正选择）：在疟疾流行区，杂合子个体因更强的抗疟疾能力被选择保留。

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4. 选择的比较与联系

类型	作用方向	选择目标	结果	例子
选择	突变是否提高生物适应度	适应度更高的突变被保留	决定基因频率变化方向	生物适应性变化
负选择	清除对生物有害的突变	去除有害突变，保护重要功能	基因组稳定，减少功能有害突变	遗传病突变频率较低
正选择	保留对生物有利的突变	增加有益突变频率	驱动进化、提高适应性	抗生素抗性、皮肤色素演化

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5. 负选择与正选择的共同作用

自然界中的选择机制是复杂的，正选择和负选择常常同时存在，并共同塑造生物的基因组和性状：

• 负选择：保证基因的稳定性，减少有害突变。
• 正选择：推动进化，产生新的适应性性状。

例如，人类基因组中与疾病相关的基因受到 负选择，而与环境适应（如高原耐缺氧能力）相关的基因则受到 正选择。

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总结

1. 选择 是自然选择的过程，决定了基因变异的命运。
2. 负选择 保持基因稳定，淘汰有害突变。
3. 正选择 驱动进化，传播有利突变。

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在不考虑遗传漂变的情况下，根据H-W定律，群体的杂合子频率是不变的，可是参考遗传漂变之后，$q$和$p$就可能随着遗传漂变，等位基因开始波动，从而使得$q$或者$p$中的基因频率偏向0或者1，从而杂合子频率降低

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注意这里的关键词：分子，对于分子而言，不同生物中可能由于代谢率，世代时间、环境压力等原因而出现不同

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种群的实际大小$N$与有效大小$N_e$不等同