李可群

(同濟大學(xué)化學(xué)系,上海 200092)

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COXⅡ蛋白質(zhì)分子確定哺乳動物物種分歧時間及其演化關(guān)系

李可群

(同濟大學(xué)化學(xué)系,上海 200092)

使用本文作者提出的生物分子絕對進化速率計算公式和COXⅡ蛋白質(zhì)分子，計算得到了針鼴等單孔類哺乳動物于2.32億年前分異出，這一結(jié)果與文獻依據(jù)化石記錄得出的結(jié)果相符；計算還得到袋鼩、袋鼴、負鼠和袋鼬的物種分歧時間均為2.0億年前，袋鼠的物種分歧時間為1.39億年前，這與兩大類群分屬于多門齒亞目和雙門齒亞目以及兩者于早期分化的文獻報道結(jié)果相符.所得計算結(jié)果進一步支持哺乳動物進化的“獸類假說”，即哺乳動物的進化路徑是從單孔類至有袋類再至胎盤類.若關(guān)于胎盤類哺乳動物單系類群假說正確的話，胎盤類哺乳動物起源時間不應(yīng)早于袋鼠的物種分歧時間，即1.39億年前.另外，計算還得到人與其他人猿總科成員，黑猩猩、大猩猩、猩猩和長臂猿的物種分歧時間分別為453.61萬年前、814.02萬年前、1 245.02萬年前和1 822.40萬年前，舊世界猴的物種分歧時間為3 934.736萬年前，這些結(jié)果除黑猩猩等因缺乏早期化石外，均與它們的化石記錄或文獻結(jié)果基本相符.

哺乳動物；靈長動物；物種分歧時間；分子鐘；進化速率；COXⅡ蛋白質(zhì)

哺乳動物作為一類進化程度最高的動物類群，重建其進化歷史和系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系一直是系統(tǒng)發(fā)育學(xué)的核心問題，也是進化生物學(xué)研究的重要內(nèi)容之一[1].動物化石首次出現(xiàn)可以反映該物種起源的最晚時間，但不一定等同于該物種的實際起始時間.多年來，國內(nèi)外學(xué)者從解剖學(xué)、考古學(xué)等方面進行了研究，但有許多動物的分類學(xué)地位和進化關(guān)系仍無定義，存在許多爭議[2].而目前迅速發(fā)展的“分子鐘”理論由于一般未能考慮各支系分子進化速率的差異，得到的物種分歧時間一般早于化石記錄，如真獸類哺乳動物目一級的物種分歧時間平均比化石早50%～90%.目前基于分子數(shù)據(jù)的系統(tǒng)發(fā)育研究方法還不能很好地闡明哺乳動物系統(tǒng)發(fā)育樹基部問題以及哺乳動物進化過程中所經(jīng)歷的快速輻射事件[1].三大現(xiàn)生哺乳動物類群(單孔類、有袋類和胎盤類)進化關(guān)系一直是分類學(xué)家爭議的問題，分子生物學(xué)研究結(jié)果存在關(guān)于哺乳動物演化順序的2種假說，即認為演化順序為單孔類→有袋類→胎盤類的“獸類假說”和認為單孔類與有袋類親源關(guān)系更近，它們一起與胎盤類具有共同祖先的“Marsuipionta假說”[1].為了進一步弄清哺乳動物的演化關(guān)系，本文作者依據(jù)其提出的生物分子絕對進化速率計算公式，使用線粒體COXⅡ蛋白質(zhì)分子得到了一些主要哺乳動物的物種分歧時間，它們與文獻基于動物實體化石得到的結(jié)果相符.本文計算結(jié)果進一步支持關(guān)于哺乳動物進化的“獸類假說”.此外，本文作者還對人與其他一些靈長類動物，即黑猩猩、大猩猩、猩猩、長臂猿以及舊世界猴的物種分歧時間進行了計算，結(jié)果與化石記錄或現(xiàn)有文獻結(jié)果基本相符.

1 主要哺乳動物物種分歧時間及演化關(guān)系

1.1 同源生物分子絕對進化速率的計算公式

在研究生物分子進化時，作者給出了分子絕對進化速率的計算公式[3]：

(1)

其中，k1,k2分別為兩個同源序列的分子絕對進化速率;t為從共同祖先序列進化的時間，或稱兩個物種的分歧時間;p為序列比對所得的種間差異率;k1t,k2t分別為兩個同源序列的平均突變概率(或稱遺傳距離)；d1,d2分別為兩個同源序列與共同祖先序列相比的差異位點數(shù)；2n0為被比較2個同源序列氨基酸或核苷酸位點總數(shù)；d為兩個同源序列中相同位點氨基酸(或核甘酸)不相同的位點數(shù).為了計算和表述的方便,除特別申明，本文分子絕對進化速率的單位采用氨基酸(或核苷酸)位點數(shù)/10億年，進化時間(或物種分歧時間)的單位采用10億年.

1.2Kimura經(jīng)典計算體系和犬科動物絕對進化速率的確定

為了說明生物分子進化速率的恒定性，著名分子進化學(xué)家Kimura在《The neutral theory of molecular evolution》[4]一書中給出了8種脊椎動物(鯊魚、鯉魚、蠑螈、雞、針鼴、袋鼠、狗和人)的進化體系(圖1).

圖1 八種脊椎動物的系統(tǒng)進化示意Fig 1Phylogenetic scheme of 8 kinds of vertebrates

Kimura給出了前7種脊椎動物根據(jù)化石確定的物種分歧時間,其數(shù)值分別為0.468,0.423,0.368,0.291,0.232,0.139和0.081，單位為10億年.我們依據(jù)這些物種分歧時間，并使用我們提出的生物分子絕對進化速率計算公式以及生物分子絕對進化速率與物種分歧時間之間的定量關(guān)系公式，對前7種脊椎動物一些蛋白質(zhì)和核苷酸序列分子的種間差異率數(shù)據(jù)進行了擬合，所得結(jié)果在未考慮多重突變校正的情況下平均差值(即平均每個式(1)兩邊的殘差)仍僅為0.02～0.03，甚至更小(表1)[5]；我們還使用鯊魚的物種分歧時間成功地解析出一些寒武紀[6]和晚前寒武紀[7]動物門類的物種分歧時間，結(jié)果與化石記錄相符，這些結(jié)果都說明Kimura提供的脊椎動物物種分歧時間是可靠的，因此不難理解我們分別將針鼴(單孔類哺乳動物)、袋鼠(有袋類哺乳動物)和狗(胎盤類哺乳動物)的物種分歧時間分別確定為2.32億年前、1.39億年前和8.1千萬年前.

表1 前7種脊椎動物種間差異率擬合結(jié)果的平均殘差Tab 1Simulation average residues of first 7 vertebrates

我們使用固定端點法來確定一些主要哺乳動物的物種分歧時間和演化關(guān)系.兩個端點分別選取鯊魚和狗(犬科動物)，它們的物種名及其美國生物技術(shù)信息中心(NCBI)Genbank數(shù)據(jù)庫分子序列號如表2.表2中各鯊魚物種絕對進化速率來自文獻[7]的計算結(jié)果，而犬科動物各物種絕對進化速率由下列目標函數(shù)使用最優(yōu)化方法計算出：

(2)

其中，kA(i),kB(j)分別為第i種鯊魚物種和第j種犬科動物的絕對進化速率;pAB(i,j)為它們之間的種間差異率;m,n分別為鯊魚和犬科動物物種數(shù).(2)式中鯊魚和犬科動物物種分歧時間t2和t1的數(shù)值分別為0.468和0.081.由于線粒體COXⅡ分子絕對進化速率數(shù)值大多相對較大，需對(2)式進行多重突變校正，(2)式中2個自然指數(shù)項的校正公式分別為0.1+0.9e-kA(i)t2和0.1+0.9e-(kB(j)t1+k(t2-t1))，其具體原理參見文獻[7],此時公式(2)轉(zhuǎn)化為

(3)

表2 計算所用鯊魚和犬科動物COXⅡ蛋白質(zhì)分子及其絕對進化速率Tab 2The species name and molecular evolutionary rates of sharks and canidaes used in the calculation

1.3 固定端點法確定一些主要哺乳動物物種分歧時間及演化關(guān)系

1.3.1 固定端點法 固定端點法的計算原理用圖2來表示.

圖2 固定端點法示意圖Fig 2The scheme of fixed endpoints method

圖2中動物A和動物B分別為前述的鯊魚和犬科動物物種，動物C為需確定分歧時間的哺乳動物.將利用動物C分別與動物A和動物B兩兩比較得到的種間差異率PCA(i,j)和PCB(i,l)，鯊魚和犬科動物物種分歧時間及前面得到的它們的絕對進化速率等數(shù)據(jù)代入下列最優(yōu)化目標函數(shù)中:

(4)

(4)式中t為待確定哺乳動物C的物種分歧時間，k1和k2分別為圖2中主干枝t2至t段以及t至t1段的平均絕對進化速率.同樣由于線粒體COXⅡ蛋白質(zhì)分子絕對進化速率數(shù)值大多相對較大，對式(4)進行多重突變校正后有

(5)

1.3.2 一些有袋類哺乳動物的物種分歧時間 表3列出了一些有袋類哺乳動物(袋鼩等5種)使用(5)式得到的物種分歧時間等結(jié)果，種間差異率同樣地采用NCBI網(wǎng)站提供的Protein blast軟件進行對齊比較，并使用優(yōu)化軟件Lingo 11.0得到相應(yīng)結(jié)果.

表3中參與計算的動物物種名及其NCBI序列號(括號內(nèi))分別如下：

袋鼩：1.Sminthopsispsamnophia(AIG23646.1);2.Sminthopsisdolichura(AIG23633.1);3.Sminthopsisdouglasi(YP_161185.1)

袋鼴：1.Notoryctescaurinus(AIG23321.1);2.Notoryctestyphlops(YP_161250.1)

負鼠：1.Caluromylanatus(AIG22970.1);2.Philanderfrenatus(AIG23503.1)

袋鼬：1.Parantechinusapicalis(AIG23360.1);2.Pseudantechinusmacrdonnellensis(AIG23555.1)

袋鼠：1.Macropusrefogriseus(AIG23188.1);2.Dorcopsulusvanheurni(AIG23087.1);3.Setonixbrachyurus(AIG23620.1);4.Dendrolagusdorianus(AIG23048.1);5.Lagorchestesconspicillatus(AIG23139.1)

由表3還可看出，前4種有袋類哺乳動物袋鼩、袋鼴、負鼠和袋鼬的物種分歧時間均在0.20左右，而袋鼠的物種分歧時間為0.139，這與文獻[8]關(guān)于兩個類群分屬于哺乳動物有袋超目的多門齒亞目和雙門齒亞目，且兩個亞目于早期分化相符.同時文獻還指出最早的有袋類哺乳動物化石出現(xiàn)于白堊紀中期的北美洲[8]，而現(xiàn)有的分子生物學(xué)方法給出有袋類與胎盤類哺乳動物分歧時間為1.73～1.93之間，取決于使用的分子類型和計算方法[9]，本文計算結(jié)果與現(xiàn)有分子生物學(xué)結(jié)果也大致相符.

表3 一些有袋類哺乳動物的計算結(jié)果Tab 3The calculation results of some marpsupials

由圖1和本文得到的3大類群單孔類、有袋類和胎盤類哺乳動物的物種分歧時間可以看出，它們的演化順序為：單孔類→有袋類→胎盤類，即本文計算結(jié)果進一步支持哺乳動物進化的“獸類假說”.不過需要說明的是，表3中列出的最晚分異的有袋類哺乳動物為袋鼠，說明胎盤類哺乳動物可能自有袋類哺乳動物其中一個分枝進化而來，這與文獻[10]認為有袋類與胎盤類哺乳動物具有共同祖先的結(jié)果存在差異.計算顯示，袋鼠的物種分歧時間為1.39億年前，若哺乳動物進化的“獸類假說”關(guān)于胎盤類哺乳動物為單系類群的假說正確的話，則胎盤類哺乳動物最早起源時間不應(yīng)早于1.39億年前，即袋鼠的物種分歧時間.這一結(jié)論與文獻[11-12]認為胎盤類哺乳動物起源時間在1.25～1.30億年前相符.而圖1中我們得到的單孔類哺乳動物(針鼴)與有袋類和胎盤類哺乳動物分歧時間為2.32億年前也與其他文獻結(jié)果2.25億年前相符[13].

2 人與其他人猿總科成員物種分歧時間的確定

人與其他人猿總科成員(黑猩猩、大猩猩、猩猩和長臂猿)的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系爭論由來已久.由于缺乏明確的早期黑猩猩化石記錄，人與其最親緣的物種之間的演化關(guān)系一般主要依據(jù)分子生物學(xué)和形態(tài)學(xué)來研究.而目前古生物學(xué)家一般認為現(xiàn)有“分子鐘”理論存在缺陷，未能考慮分子在不同譜系中進化速率的差異，因此其結(jié)果不可靠[14].為此，我們利用生物分子絕對進化速率公式對這一問題進行探討.

2.1 計算模型

由于比犬科動物更進化的物種類群目前還沒有非常準確的物種分歧時間，因此無法直接使用圖2所示的固定端點法，對它進行改進，如圖3.

圖3中動物A有已知確切物種分歧時間t2，動物B和動物C為比動物A更進化的物種，它們物種分歧時間t1有待確定，不難理解求取t1時的最優(yōu)化目標函數(shù)可表達為

圖3 改進后的固定端點法示意圖Fig 3Scheme of modified fixed endpoint method

(6)

其中，kA(i),kB(j)和kC(l)分別為第i個動物A、第j個動物B和第l個動物C在它們各自進化分枝內(nèi)絕對進化速率；pAB(i,j)和pBC(j,l)分別為動物A與動物B以及動物B與動物C兩兩比較得到的種間差異率.若考慮線粒體COXⅡ蛋白質(zhì)分子的多重突變校正，則(6)式轉(zhuǎn)化為

(7)

實際計算表明，自犬科動物分歧以后，進化主干枝進入一個快速進化期間，即圖3中進化主干枝上t2至t1的遺傳距離較各個進化分枝大很多.為了保證優(yōu)化過程中(7)式中各變量在同一尺度范圍內(nèi)變化，且實際計算表明(7)式中第2個加和項的2個自然指數(shù)項的指數(shù)數(shù)值一般較小，我們將這2個自然指數(shù)項先分別用泰勒級數(shù)表達式展開(即進行線性化)，再合并成同一個自然指數(shù)項，并讓這一過程產(chǎn)生的誤差并入殘差，此時(7)式轉(zhuǎn)化為

(8)

為了使計算模型穩(wěn)定，將動物C的遺傳距離kC(l)t1用一個新的變量c(l)替代.實際計算表明，選用類群內(nèi)絕對進化速率存在一定差異的動物B和動物C物種有利于得到準確的結(jié)果.

2.2 人與舊世界猴和黑猩猩物種分歧時間

由于黑猩猩與犬科動物的遺傳距離遠大于其與人的遺傳距離，為此我們首先求出舊世界猴的物種分歧時間.圖3中動物A選用表2中的犬科動物，而動物B和動物C所選用動物物種名、NCBI序列號(括號內(nèi)第一個數(shù)值)以及計算所得的動物B的絕對進化速率(括號內(nèi)第二個數(shù)值)是:

動物B(舊世界猴)：1.Macacafascicularis(AAA31889.1,2.157 3);2.CercopithecusDiana(YP_009024895.1,0.432 4);3.Rapiokindae(ACP43669.1,1.004 2);4.Rhinopithecusroxellana(AIX11520.1,0.568 7);5.Chlorocebuscynosuros(YP_009059462.1,1.885 3);6.Trachypithecuspilentus(YP_009047758.1,0.175 4);7.Pygathrixnigripes(YP_006460520.1,0.579 7);8.Cercocebustorquatus(ACP43668.1,1.992 0);9.Mandrillussphix(ACP43667.1,1.571 7);10.Erythocebuspatas(AHN49841.1,2.206 8);11.Theropithecusgelada(ACP43659.1,1.010 2);12.Lophocebusaterrimus(ACP43661.1,1.425 7);13.Miopithecusogouensis(AFA46428.1,1.271 9);14.Nasalislarvatus(YP_659450.1,0.750 4);15.Allenopithecusnigroviridis(YP_009024921.1,1.497 7);16.Semnopithecusentellus(YP_659437.1,0.678 8)

動物C(人猿總科)：1.Homosapiens(ACM51349.1);2.HomoHeidelbergensis(YP_008963990.1);3.Pantroglodytesellioti(AIV00482.1);4.Pantroglodytestroglodytestroglodytes(AEO20839.1);5.Pantroglodytes(AEO20410.1);6.Gorillagorillagorilla(AHH93077.1);7.Gorillaberingeigraueri(AHH93064.1);8.Gorillagorilla(NP_008215.1);9.Pongoabelii(NP_007838.1);10.Panpymaeus(AAA61412.1)

計算得到舊世界猴物種分歧時間為0.039 347 36，即3 934.736萬年前，這與文獻中大多數(shù)專家比較贊同猿類最早祖先是在大約3 000萬年前從舊世界猴分離出去的說法基本相符[15].另外計算得到主干枝上t2至t1的絕對進化速率為15.738 6，人猿總科自t1的遺傳距離在0.24～0.28之間，可以看出主干枝上該段遺傳距離確實較進化分枝大很多.

計算還可得到人與黑猩猩的物種分歧時間為0.045 361 21，即453.61萬年前，這與文獻[16-17]一般認為人亞科最早物種為南方古猿，其化石年齡為440～460萬年前相符.另得到主干枝上t2至t1的絕對進化速率為0.704 3氨基酸位點/億年.

需說明的是，為了計算和表達的方便，從本處起除長臂猿外分子絕對進化速率單位改為氨基酸位點/億年，物種分歧時間單位改為億年.

2.3 人與大猩猩、猩猩和長臂猿的物種分歧時間

由于已獲得人與黑猩猩的物種分歧時間，因此可以使用圖2所示的固定端點法來分別確定人與猩猩、大猩猩和長臂猿的物種分歧時間.計算過程中將舊世界猴作為動物A,現(xiàn)代智人和海德堡人作為動物B，待定物種作為動物C，將舊世界猴以及現(xiàn)代智人和海德堡人的分子絕對進化速率、舊世界猴以及人與黑猩猩的物種分歧時間、序列分子兩兩比較得到的種間差異率代入(5)式，再使用優(yōu)化軟件Lingo11.0進行計算.為了便于計算，還使用約束條件t<0.393 413 1和t>0.045 361 21.計算結(jié)果見表6，表中長臂猿相關(guān)單位已修改,以便與其他人猿總科一致.

表6 人與一些人猿總科成員的物種分歧時間Tab 6 The divergence times of human and some other hominodaes

由表6可以看出，人與大猩猩、猩猩和長臂猿的物種分歧時間分別為814.02萬年前、1 245.02萬年前和1 822.40萬年前，這與文獻一般認為人猿總科成員演化路徑為長臂猿→猩猩→大猩猩→黑猩猩→人相符，也與猩猩等物種分歧時間早于1 000萬年前[17]等結(jié)果相符;同時,表6結(jié)果與分子生物學(xué)方法得到的長臂猿、猩猩、大猩猩和黑猩猩與人的物種分歧時間分別為1 800萬年、1 400萬年、700萬年和300～500萬年前的結(jié)果一致，它們也與目前基于化石記錄得到的長臂猿與其他人猿總科動物的分異時間約在1 400～1 500萬年前、猩猩的分異時間在1 200～1 300萬年前、大猩猩的分異時間在800～900萬年前、黑猩猩的分異時間在600～700萬年前的結(jié)果相符.

由計算結(jié)果可以看出,除舊世界猴外,使用本文提出的確定哺乳動物分歧時間的方法得到的結(jié)果與化石記錄或其他文獻結(jié)果相符,說明本文使用的方法可行.另外需要說明的是計算得到的舊世界猴的分歧時間較現(xiàn)有文獻結(jié)果略早，這可能與其計算時圖3中時間t2至t1段和時間t1后人猿總科的遺傳距離相差懸殊而現(xiàn)有分子生物學(xué)方法大多假定進化速率恒定有關(guān)，使用該結(jié)果得到的一些人猿總科成員的物種分歧時間與基于化石和分子生物學(xué)給出的結(jié)果相近進一步說明該結(jié)果是可信的.

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(責(zé)任編輯 俞詩源)

Resolving divergence times and phylogenetic relationship of mammals by COXⅡ protein molecules

LI Ke-qun

(Department of Chemistry,Tongji University,Shanghai 200092,China )

The divergence times of some major mammalian groups are obtained using the calculation equation for biological molecular evolutionary rates presented by the author and COXⅡ protein molecules. These results show thatMonotrememammals,such asechidnaseparated from the stem line towards primates about 232 myrs ago,this divergence time agrees with their fossil records.Marsupialmammals,such asPhascogalini,Notoryctes,PossumsandDasyuridaeall separated from the stem line towards primates around 200 myrs ago,whileKangaroosseparated around 139 myrs ago,these divergence times agree with the theory thatPhascogalini,Notoryctes,PossumsandDasyuridaebelong to polyprotodontia butKangaroosbelong to diprodontia,and two groups separated at early age.Our results support the “Theria hypothesis”,that is,mammals evolved from monotremes to marsupials and then to placentals.If the “monophyletic group hypothesis” of placentals is correct,the starting times of all placentals should not be earlier than 139 myrs ago,which is the divergence time of kangaroos.The divergence times of human with some primates,such asChimpanzees,Gorillas,Orangutans,Gibbonsand old world monkeys are also obtained by our calculation.They are 4.536 1 myrs ago,8.140 2 myrs ago,12.450 2 myrs ago,18.224 0 myrs ago and 39.347 4 myrs ago respectively,these results agree with other reference works or fossil records exceptChimpanzeeswith no early fossils found yet.Key words:mammal;primate;divergence time;molecular clock;evolutionary rate;COXⅡ protein molecules

10.16783/j.cnki.nwnuz.2016.01.017

2015-07-26;修改稿收到日期:2015-09-17

李可群(1968—),男，湖南長沙人,講師，碩士.主要研究方向為分子遺傳進化.

E-mail:likequn@#edu.cn

Q 951

A

1001-988Ⅹ(2016)01-0079-07