中国高等生物系统研究的回顾与展望

中国高等生物系统研究的回顾与展望

高等生物系统的树主要基于岩石，但岩石和细菌不能确定它们的类型。因此，细菌缘关系的研究长期是困难的。20世纪50年代以来，根据蛋白质和氨基酸分子的变化，我们测量了群体的分裂时间，并在高等生物育种研究中取得了成功。根据16种螺线状况分析，wose提出了不同于原核生物和真核生物的三种生物，即古老细胞菌（archaebacteria），引起了学术界的怀疑。人们对古细菌的名字是否合适，以及古细菌是否可以成为独立的系统有不同的看法。1996年，第一批细菌群完整序列出现，证实了细菌群是不同细菌和真核生物的独特群体。古细菌是栖息在极端环境中的微生物,包括在90～115℃高温下繁殖的超嗜热古细菌、绝对厌氧的产甲烷菌等.研究古细菌不仅具有应用价值,而且就探讨生物进化而言又多了一个视点,有助于阐明生命的早期进化.近20年来,由于分子生物学向生物学各领域渗透,分支学(Cladistics)的新思维、新方法的出现以及数值分类学、化学分类学的进步,使细菌分类学这一古老的学科有了新的活力,我国在这一领域已取得了可喜的成绩.本文对生物三域系统的由来和发展,以及细菌系统分类的研究现状作一概述.1真核生物的起源—生物三域系统的提出和发展千奇百怪的生命形式存在着共同的分子模型和原理,它们在分子水平上有许多共同特点,都用相同的构造单元来构造大分子,遗传信息从DNA经RNA传到蛋白质,ATP是能量的通用载体.rRNA、肽链延长因子(EF)、ATP酶等大分子的功能保守,在进化过程中分子变化甚微,如在几乎检查不出DNA同源性的两种生物之中,rRNA序列却是相同的,因此可以说,rRNA分子在揭示亲缘关系方面的作用是独一无二的.80年代以前,测定16SrRNA或其基因的序列比较困难,Woese建立了编目法(Cataloquing),即把纯化的16SrRNA用T1核酸酶切成寡聚核苷酸,以32P标记其5′-端进行薄层层析,产生rRNA指纹图谱,选取约25个长度为6核苷酸(nt)以上的片段分别测定其序列,产生目录序列,用缔合系数SAB表示相似性,该系数在相同分子中为1.0,在完全不相关分子中为0.03.SAB值可以按相似矩阵排列,并以标准聚类法分析,通常采用平均距离法(UPGMA)绘制系统树.Woese根据16SrRNA序列编目法的分析结果,把地球上的生物分为真细菌、古细菌和真核生物三域(Domain),代替已普遍接受的五界系统.Woese最初把三域看作是从同一个原始细胞(Progenote)进化而来的,在系统发生上彼此等距离.Hori和Osawa(1979)通过比较5SrRNA序列,认为古细菌与真核生物亲缘关系较近而与真细菌较远,并提出古细菌一词不恰当,建议改称“后生细菌(Metabacteria)”.Lake(1988)根据核糖体小亚基RNA(SSUrRNA)的序列分析结果,认为古细菌不是独立的系统,硫细菌等极端嗜热古细菌与真核生物近似,产甲烷菌和嗜盐菌与真细菌近似.根据这些事实,Woese(1987)提出不等距离的无根系统树.如何确定系统树根的位置呢?以5SrRNA和各种蛋白质的序列来看,古细菌都与真细菌相似.同源分子之间相似者近缘的观点,在分子进化速度大体一定的条件下才能成立.但在真细菌、古细菌、真核生物这样相差悬殊的生物之间,分子进化速度不是恒定的,因此要确定系统树根的位置,需要用已知亲缘关系较远的类群作外类群(Outgroup).例如确定真核生物之间进化初期分歧的顺序(系统树的根)时,用真细菌或古细菌作为外类群比较合适,而确定真细菌、古细菌、真核生物三者之间的系统发生的关系时,由于这三域已经包括了地球上的所有生物,因此再没有其它生物可作外类群.为了克服这一难点.岩部等和Gogarten等利用种间同源物(Ortholog)进行系统树分析.Ortholog是共同祖先垂直传递后代并执行相同功能的大分子,蛋白质合成中肽链延长因子EF-1α/Tu和EF-2/G是种间同源蛋白,所以确定EF-1α/Tu系统树的根时,用EF-2/G作外类群,确定EF-2/G系统树的根时,以EF-1α/Tu作外类群.结果表明,古细菌与真核生物近缘,与真细菌远缘.大多数真核生物中,推动离子运动的ATP酶有P型ATPase、H+-ATPase和V-ATPase.古细菌的H+-ATPase与V-ATPase近似,而且H+-ATPase含有两个亚基,为种间同源物.Gogarten等进行了H+-ATPase同源物的复合系统树分析,也证明了古细菌与真核生物近缘.Woese接受了古细菌与真核生物近缘的事实,把古细菌一词中的细菌删去,改为Archaea,把真细菌一词中的真字隐去,真核生物称为Eucarya.这样就把生物分为Bacteria、Archaea和Eucarya三个域,并绘制了有根的系统树.后来Morell改进了该系统树,认为最古老的单细胞生物是超嗜热细菌.生物的三域系统对探索真核生物的起源提供了一个参考点.从Woese的有根系统树可以看出,真核生物的细胞核和细胞质是从与古细菌近缘的生物进化而来.现在普遍接受的内共生论认为,真核生物的线粒体是由α-紫细菌内共生进化而来,叶绿体是由兰细菌的祖先内共生进化而来.那么这些细胞器祖先最初共生的宿主是什么样的生物呢?这是探讨真核生物早期进化的重点.Hasegawa根据EF-1α/Tu的氨基酸序列推定的系统树,以古细菌作为外类群,认为溶组织内阿米巴——一种不含线粒体的原生动物是动物界、真菌界、植物界三者分歧之前从古细菌分化而来的.以内阿米巴作外类群,则真菌界与动物近缘,而与植物远缘.这提示真核生物的祖先可能是不含线粒体的原生动物.文曾在分子水平上分析比较了古细菌、细菌和真核生物的复制、转录、翻译、内含子剪接机制,提出了真核生物的细胞核是古细菌内共生进化的论点.211个细菌孔Woese根据SSUrRNA序列进行聚类,把真细菌分为11门,与《伯杰系统细菌学手册》(卷1～4,第9版)相比较,简述如下.2.1革兰氏阴性光合紫细菌紫细菌门分α、β、γ、δ、ε5个亚门,包括200多属.革兰氏阴性光合紫细菌的祖先是光合细菌,在进化过程中经历了几次丢失光合的能力,有些细菌获得硫酸还原能力,适应性更强一些.2.2微生物作为微生物超氧芽孢菌,易产生分除Deinococcu外,所有的G+菌均归此门细菌,又分为高G+C亚门和低G+C亚门,是成员最多的一类.这些细菌的祖先可能是厌氧芽孢菌.葡萄球菌、链球菌等丢失了分化芽孢的能力.2.3rna基因序列包括具有叶绿素a的典型兰绿藻.叶绿素和兰细菌的rRNA基因序列有许多共同序列,说明它们有共同的祖先,但绿色植物的叶绿体不是从兰细菌本身演化而来,而是从它们共同祖先衍生出的两个分支.2.4螺旋门和螺旋门这是rRNA序列相关性与传统的标准分类相吻合的少数几类之一.2.5绿色硫细菌门绿色硫细菌门包括不动的光合细菌(绿菌Chlorobium)和滑动细菌Chloroherpeton等.它们以独特的色素和捕光器结构归类在一起.2.6其他细菌组成由系统发生关系上较近的几属革兰氏阴性细菌组成.包括厌氧的拟杆菌、梭杆菌,需氧的滑动杆状或丝状细菌如噬纤维菌、屈挠杆菌、腐败螺旋菌及无动力弯曲细菌如螺状菌等.2.7群细菌同源性它们的细胞缺乏肽聚糖,具有蛋白质类细胞壁.该群包括有附属物的细菌以及温泉细菌,这些细菌的SSUrRNA序列与其它细菌同源性很少.现在认为该群细菌是分歧很早并且进化速度较快的一支.2.8shain属性专门细胞内寄生,缺乏肽聚糖.2.9uid-s-s-n型包括Deinococcus、radiodurans和温泉细菌、水生热栖菌等.它们都具有非典型的细胞壁,肽聚糖中的二氨基庚二酸被鸟氨酸所替代.2.10非光合细菌心学成分在表型上与绿硫细菌不易区别,但光合细菌的光反应中心结构不同于绿硫细菌.该类还包括非光合细菌Herpetosiphon和Thermomicrobium,后者含有很长的长链二醇,功能上与甘油酯类相同.2.11其它属和种.为严格的厌氧发酵的嗜热菌类,最适生长温度为80℃,是真细菌中最耐热的细菌.它们含有特殊的长链脂肪酸,细胞壁中含有肽聚糖..上述11门的系统分类与医学、工业微生物等应用学科的分类有所不同,如痢疾志贺杆菌和大肠杆菌的DNA序列同源性和表型相似,差别仅在于前者致病,后者非致病,在表征分类上放到了同一种.《伯杰手册》中的属和种与系统分类也不一致,详见文附录.3ssurna的二级结构模型核酸序列测定技术的进步,使rRNA序列数据猛增.表1列出到1998年8月为止,已知序列的rRNA分类数据.在一级结构测定的基础上,根据序列互补关系和对化学试剂的敏感性,推测出了rRNA核苷酸链的折叠图案,将多数已知序列的rRNA核苷酸链整列化(alignment),统计出种间保守序列和可变序列.在此基础上,结合其它研究成果提出二级结构模型.随着序列数据的增多和相关分析算法的改进,建立了包括三级氢键关系的高级结构模型.目前至少有5个研究室提出了SSUrRNA空间结构模型,这些模型彼此非常相似,为研究系统发生、rRNA结构和进化提供了详细信息.5SrRNA是由120nt(革兰氏阴性细菌和真核生物)或116nt(革兰氏阳性细菌)组成.其二级结构为5个螺旋区(分子内部形成的双螺旋,分别编为A、B、C、D、E螺旋),间隔以5个环,其中D环种间差异较大,又分5种类型.ⅠⅡⅢ型为古细菌所特有,Ⅳ型为真细菌、质体和线粒体共有,Ⅴ型为真核生物所特有.SSUrRNA的二级结构可分为4个结构域,50个螺旋区.有些区段的序列保守,有些区段的序列在种间可变化.有9个可变区,分别编为V1～V9,其中V4变异最大.原核类V4区中有额外的P23-1序列,真核类V4区中有额外的E23-1～E23-9(因种而异).真核类的V6区变得保守,故只有8个可变区.线粒体SSUrRNA长度随物种变化较大,从500～2000nt不等,但二级结构却与真细菌相似.LSUrRNA的二级结构分为6个结构域,100个螺旋区.4邻近结合法根据生物大分子序列的相似性建立分子进化树的数学方法目前主要有3种.(1)距离行列法.在很多物种的同一核酸或蛋白质之间,列出它们的碱基或氨基酸置换情形,以置换率为基础建立系统树.距离行列法可用于实际序列未知的数据,如DNA复性数据、蛋白质的血清学分析数据等,也可用于rRNA局部序列数据.距离行列法包括平均距离法和邻近结合法.上述11门细菌是Woese等采用平均距离法即UPGMA聚类法处理16SrRNA编目序列得出的结果,基本上属于表征分类.该法建立的表征图和结果在很大程度上受进化速度恒定与否的影响,如进化速度恒定,并且趋同进化降到最低,则表征图等于分支系统树.UPGMA聚类法可建立较真实的分支系统树.邻近结合法在进化速度恒定条件不成立的情况下使用有效.(2)最大节约法.在很多序列中,先推定祖先种的序列,然后按进化过程中使碱基变化最小的方式选出系统树.但在进化速率随血统而异,并且在一个定点上多次置换变得重要的情况下,即使增加多少数据,采用本法处理有时也会导致错误的系统树.(3)最优法.这是在不设定进化速度恒定的条件下采用的方法之一.此法先假定一种进化模型,求出实际碱基序列数据按假定模型变成进化结果的概率,以该概率为最大的方式选出系统树.分子进化的过程是概率问题随机变化的过程,用现有的大分子序列数据建立系统树是以随机变化的结果来推测过去进化的历史,要做到绝对正确是不可能的.因此需要系统树拓扑学正确度的评价方法.常用bootstrap概率评估,概率达95%以上时被认为可信度高.Neefs等(1993)整列了1355个古细菌、细菌和质体SSUrRNA序列,用邻近结合法建立了原核生物系统树.Olsen等(1994)选取253个代表种的SSUrRNA序列,用最优法建立了系统树.这两个系统树与Woese(1992)系统树相比,都有新的类群出现.在古细菌中都分Crenarchaeota界和Euryarcheota界,后者又分8类.细菌中,梭杆菌和纤毛杆菌在新的两系统树中形成了独立分支.两个系统树也有差别,如Plantomyces群在Neefs(1993)图中分支最早,先于Thermotoga群.在Woese(1992)和Olsen(19