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通过5S核糖体RNA序列估计真核生物–原核生物分化
木村资生，太田朋子
编者按
对进化中最早但是最关键事件的估计，这种大胆的尝试标志着应用比较的分子数据来标定进化历史的早期努力。5S核糖体RNA（5S rRNA）序列是最保守的遗传序列之一，其在物种之间差异很小。通过比较该序列，木村资生和太田朋子对真核生物（例如人类和酵母）与原核生物（本文中以两种细菌为例）之间的差异进行了估算。如今，对“二十亿年”的估计恐怕不会令人惊讶，但是研究显示酵母与人类的关系比其与细菌的关系更近却让大家感到意外。 英文
确定地球生命史中重要事件的发生年代是进化研究中一个有趣的课题。在此我们通过对5SrRNA序列的比较研究，外加对细胞色素 c 的研究，估计了真核生物和原核生物分离的时间。对于原核生物，我们是指没有真正细胞核的简单构造（如细菌和蓝－绿藻），而对于真核生物，我们是指高等有细胞核的生物，如植物和动物，包括酵母和真菌。我们在估计中使用的原则是，只要分子的结构和功能保持不变，那么对于每个信息大分子而言，在进化过程中，每年每个位点的核苷酸替代率是恒定的。 英文
为了估计5S rRNA序列的进化距离（突变替代的数量），我们用已发表的人类、酵母和细菌（大肠杆菌和荧光假单胞菌）的数据 [1-3] 进行了序列比对，如图1所示。为了获得这个比对，之前涉及两到三个序列比对的尝试 [1,3] 是有帮助的。这个比对是按照将两个序列间匹配的数量最大化同时又使插入的间隙数尽可能少的原则建立的。这是一个试错的过程，移动各个区域，记录两个序列之间一致的核苷酸数量，接下来计算当前结果的概率或随机出现的更好的一致性的概率。图1明确显示了（正如其他人已经注意到的）该分子显著的保守性，事实上只需插入少量间隙就能获得同源性。表1以差异位点所占序列比例的形式给出了序列之间的差异。突变距离，也就是每个位点的核苷酸替代的平均数量，通过公式
来估计，其中λ是两个同源序列相异位点的比例。这个公式基于如下假设得出：进化过程中核苷酸替代在空间上以相同概率随机发生，并且四种碱基（腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤、尿嘧啶）中的每一种都能以相等的概率突变成其他三种中的任何一种（详细信息请看参考文献4）。之前朱克斯和康托尔就已推导出此当量公式 [5] 。我们也应当注意到，戴霍夫 [3] 在她的表11-3中列出的经验关系实际上和这个公式等价，尤其是当用于比较不同 K 值时。 英文
图1. 5S rRNA序列的比对图
表1. 5S rRNA序列间差异位点的比例
真核生物（人、酵母）和原核生物（大肠杆菌、荧光假单胞菌）间的平均突变距离就是
K 真核－原核 =0.817±0.158
其中，标准差由四组观察结果（比较）获得。另一方面，人和酵母菌之间相对应的值为
K 人－酵母 =0.561±0.095
其中，误差是由参考文献4中的方程（5）计算出的一个理论值。此处有个有趣的现象值得注意，相比与细菌的关系，酵母和人的关系更近一些，这支持了真核生物和原核生物之间的差异比真核生物内的差异更为根本这一论点（对照参考文献6）。真核生物–原核生物之间的差异相对于人–酵母之间差异的遥远程度可以通过比值 K 真核－原核 / K 人－酵母 来估计，大约是1.5。这比麦克劳克林和戴霍夫相应的估计 [7] 低很多，他们用细胞色素 c 、 c 2 和转运RNA（tRNA）序列数据得出的比值为2.6。这也比朱克斯（1969）（在参考文献7中引用）得出来的约等于2的估计值要低。我们用麦克劳克林和戴霍夫 [7] 使用过的同一组tRNA数据 [3] 计算了进化距离，但是我们的处理只限定在配对区域，希望可以解决这个差异。这样做的原因是看起来好像没有额外的高度保守区（正如通过比对图1中每个位点的进化改变数的频度分布进行的统计分析推测出的一样），所以在整个序列上进化改变似乎是均衡的，并且在这方面5SrRNA和tRNA的未配对区相比可能和配对区更相似。对于真核生物–原核生物之间的差异，进化距离为 K 1 =0.836±0.136，而对大鼠–酵母（色氨酸tRNA）和小麦–酵母（苯丙氨酸tRNA）之间差异的平均值，进化距离为 K 2 =0.420±0.029。可以看出，尽管 K 1 和 K 真核－原核 相当， K 2 却明显比 K 人－酵母 小，所以比值 K 1 / K 2 =1.99仍然比 K 真核－原核 / K 人－酵母 =1.46高很多。这个差异有可能是采样误差造成的，真实值可能介于二者之间。至少我们应该将这些作为初步估计值（可能存在由核糖体基因多样性而产生的问题）。然而有理由相信，我们估计的1.5是同下面阐述的化石数据相符的。 英文
通过真核生物间细胞色素 c 序列的比较研究，我们能够估计人–酵母之间的差异相对于哺乳动物–鱼差异的遥远程度。经典的古生物学研究表明鱼和哺乳动物的共同祖先出现在4亿年前（对照参考文献8和9），这使我们能估计出人–酵母菌趋异的绝对时间。通过对各种鱼类物种和哺乳类物种的大量比较（数据来自参考文献3），我们得到了哺乳动物和酵母之间的突变距离（依据氨基酸替代的数量）是哺乳动物和鱼之间突变距离的三倍的结果。这将人和酵母分离的时间推到了12亿年前。这和迪克森 [10] 得到的动物、植物和原生生物的分支点是1,200±75百万年的结论相符。在此我们应该注明，我们没有使用细菌中的红螺菌的细胞色素 c 2 来估计原核生物–真核生物的分离，因为细胞色素 c 和细胞色素 c 2 在功能上似乎有些不同（对照参考文献7）。 英文
用1.2×10 9 年乘以比例 K 真核－原核 / K 人－酵母 ≈1.5，我们得出真核生物和原核生物的分离发生在大约1.8×10 9 年前的结论。最近对前寒武纪化石的研究（对照参考文献11）表明，在苦泉地层（年龄为10 9 年）和加拿大冈弗林特地层（年龄为2×10 9 年）之间的某个时候，真核生物从原核生物进化而来。结合将来更多的相关数据（例如参考文献12），我们希望不久后分子进化的研究将提供一个更加准确的日期。 英文
我们暂且推断大约2×10 9 年前真核生物从原核生物分离，从此走上了通向“高等生物”的道路。 英文
感谢三浦博士和小宫先生引起我们对5S rRNA序列相关文章的关注，感谢丸山博士、武村博士和绀户博士的宝贵讨论。 英文
（邓铭瑞 翻译；陈新文 陈继征 审稿）