基于核酶RNase P RNA的系統(tǒng)分析.pdf

1、在前基因組時(shí)代，蛋白質(zhì)的系統(tǒng)發(fā)育主導(dǎo)了整個(gè)分子生物學(xué)的研究，而在后基因組時(shí)代，有關(guān)RNA和非編碼區(qū)序列的結(jié)構(gòu)調(diào)控研究成為最前沿的分子進(jìn)化的研究主題。我們有必要改變以前通行的將蛋白質(zhì)與RNA分子的系統(tǒng)分析統(tǒng)一研究或等同分析的作法，將編碼區(qū)與非編碼區(qū)的進(jìn)化從兩個(gè)不同的生命起源的水平分開來研究，從而在一個(gè)更加全面的角度來探討分子生物學(xué)與宏觀進(jìn)化的理論統(tǒng)一性。因而從基因組非編碼區(qū)尋找一個(gè)合適的具有生命起源意義的RNA分子標(biāo)記是一個(gè)首要任務(wù)。

2、 本論文首先利用已有的晶體結(jié)構(gòu)分析結(jié)果與二級結(jié)構(gòu)的預(yù)測結(jié)果相比較，總結(jié)出RNase P RNA分子的核心保守區(qū)與輔助區(qū)交錯(cuò)分布的鑲嵌型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；然后將傳統(tǒng)的生物信息學(xué)中的系統(tǒng)分析模型按照RNase P RNA分子特殊的保守型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有針對性的改進(jìn)，并應(yīng)用于全部樣本的生物體的系統(tǒng)發(fā)育分析，主要是將序列比對聯(lián)配的程序進(jìn)行了有傾向性的比對參數(shù)調(diào)整，增加空位的開放罰分到最大化的水平，同時(shí)作為一個(gè)重要的調(diào)節(jié)補(bǔ)償，最大限度地降低了空位的延伸罰

3、分；將堿基取代模型增加了參數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，這樣提高了整體比對結(jié)果中可用于系統(tǒng)分析的信息位點(diǎn)的內(nèi)容與數(shù)量；并從高級結(jié)構(gòu)排列的角度也進(jìn)行了一致的全局比對。同時(shí)為了從最基本的RNA分子熱力學(xué)原理的基礎(chǔ)上分析細(xì)菌、古生菌、真核生物三域RNase P RNA分子的基本信息統(tǒng)計(jì)的再次驗(yàn)證，我們發(fā)展了信息熵的算法并改進(jìn)了常用的堿基組分分析法，對全部生物體RNase P RNA序列的組分分析在整體水平上，用直方圖和信息熵差異度兩種方法進(jìn)行了比較分析。這些

4、統(tǒng)計(jì)結(jié)果從全局的信息分子組織性機(jī)制的水平揭示了三域的共性與區(qū)別，并且作為一個(gè)迭代的算法技術(shù)來統(tǒng)計(jì)RNase P RNA的高級結(jié)構(gòu)在一級堿基序列上的全局映射，尤其是在堿基位點(diǎn)與堿基串序列分布的坐標(biāo)映射分析。 在進(jìn)行完上述工作后，丌始進(jìn)入最后的結(jié)論性分析—生命樹構(gòu)建階段，對于我們?nèi)渴占?35條完整的mpB序列的記錄，在排除了176個(gè)沒有進(jìn)行生物學(xué)鑒定的細(xì)菌樣本及少數(shù)重復(fù)的同種或同一血清型樣本后，我們?nèi)坎捎昧艘呀?jīng)具備生物學(xué)分類意

5、義的樣本，這樣我們的生命樹總共陳列了286個(gè)確定分類的物種，包括了187個(gè)細(xì)菌，跨越了細(xì)菌的17個(gè)門，古生菌中的27個(gè)種；單細(xì)胞原生生物中的9個(gè)種，真菌中的26個(gè)種，動(dòng)物中的24個(gè)種，藻類中4個(gè)種(一個(gè)綠藻和三個(gè)紅藻)的葉綠體，兩個(gè)單細(xì)胞原生物(苔蘚)的葉綠體，5個(gè)真菌的線粒體，一個(gè)藻類的線粒體，一個(gè)單細(xì)胞原生物的線粒體。從最基本的生命起源的水平上，運(yùn)用一個(gè)新的系統(tǒng)發(fā)育標(biāo)記RNase P RNA，探討物種的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系，配合其它生物信息

6、學(xué)手段的使用，從一個(gè)更加統(tǒng)一而全面的結(jié)構(gòu)序列演化的角度出發(fā)去分析推斷其系統(tǒng)的發(fā)育關(guān)系。在三域物種的整體進(jìn)化研究的水平上，取得了以下研究結(jié)果： 1．本研究結(jié)果首先顯示：RNase P RNA是一個(gè)具有全能意義的適用于全部生物體范圍的分子標(biāo)記。依據(jù)RNase P RNA分子所構(gòu)建的生命樹不僅微生物的大部分低層分支與權(quán)威的《伯杰氏系統(tǒng)細(xì)菌學(xué)手冊》相同，與古生菌、細(xì)菌、真核生物的三域分類體系相符合，而且對高層分支關(guān)系提出了一些新建議，如

7、真菌與原生生物分別作為獨(dú)立的界水平的分類地位；另外我們的系統(tǒng)分析還揭示出細(xì)菌有著極其寬廣的進(jìn)化速率和更加龐大的家系，無論是從種群數(shù)量還是類群上都占據(jù)了生物圈絕對的統(tǒng)治地位，象革蘭氏陽性細(xì)菌，藍(lán)細(xì)菌，革蘭氏陰性細(xì)菌和放線桿菌等大的類群都應(yīng)有著更高層的分類地位，揭示這些高層類群從細(xì)菌進(jìn)化的早期就己分開。 2．對于分子系統(tǒng)學(xué)來說，我們是第一次在一個(gè)統(tǒng)一的生物信息學(xué)模型中將已收集到的所有樣本一次完成RNase P RNA生命樹的構(gòu)建，并

8、沒有加入在生命樹構(gòu)建中常用的人工合成手段，因而具有可重復(fù)性與通用性。 3．將這棵生命樹作為所有現(xiàn)存物種分類體系的基礎(chǔ)，可以清晰地發(fā)現(xiàn)這個(gè)結(jié)構(gòu)體系主要由兩大部分構(gòu)成：一部分為古生菌與真核生物的集群，另一部分為細(xì)菌。古生菌與真核生物是從一個(gè)共同祖先演化而來的，而與細(xì)菌的祖先有著根本區(qū)別。不同生物世系之間RNase P RNA分子的不同代謝特點(diǎn)與它們所承擔(dān)的不同模式的核心結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)功能體現(xiàn)在這個(gè)RNA分子攜帶的遺傳信息的不同組成，并可以

9、通過生命樹的形式反映不同生物世系中的進(jìn)化分歧。 4．生命樹中古生菌與真核生物同源關(guān)系的確立，解決了RNaseP RNA二級結(jié)構(gòu)比對分析與系統(tǒng)發(fā)育分析結(jié)果的矛盾。即現(xiàn) 有的通過二級結(jié)構(gòu)預(yù)測得出的三域RNase P RNA的比較分析結(jié)果揭示出細(xì)菌與古生菌具有同源性，而這兩域都與真核生物親緣關(guān)系相對較遠(yuǎn)，這首先與公認(rèn)的三域分類體系相違；而已有的RNase P全酶的體外實(shí)驗(yàn)結(jié)果中揭示古生菌與真核生物是都通過RNaseP RNA綁定完全同

10、源的蛋白質(zhì)組分來進(jìn)行代謝，并需要極高的金屬離子的活性環(huán)境，而細(xì)菌是由RNase P RNA獨(dú)立完成核酶的表達(dá)，這樣整個(gè)古生菌與真核生物的核酶在結(jié)構(gòu)與組分上是相同的，他們的組織復(fù)雜度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了細(xì)菌核酶。 5．這棵生命樹結(jié)構(gòu)體系通過同源關(guān)系的分析界定了兩種類型的細(xì)胞內(nèi)復(fù)制機(jī)制：一種為細(xì)菌所具備的簡單型的胞內(nèi)復(fù)制機(jī)制，另一種為古生菌與真核生物所具備的復(fù)雜型的胞內(nèi)復(fù)制機(jī)制。這是第一次通過胞內(nèi)復(fù)制的分子機(jī)制在長時(shí)進(jìn)化與宏進(jìn)化的水平上，揭示

11、真核生物起源于一種類古生菌的祖先。 6．RNase P RNA的系統(tǒng)分析揭示出生命的進(jìn)化總體上表現(xiàn)為RNA分子全局調(diào)控的進(jìn)化過程。即RNase P RNA分子在整體的RNA-蛋白質(zhì)絡(luò)合結(jié)構(gòu)進(jìn)化中起到了全能性與主導(dǎo)性的調(diào)控作用，而蛋白質(zhì)分子是后生或后加入的，在整個(gè)核酶分子功能的表達(dá)上是受到RNA分子的全局調(diào)控的。古生菌和真核生物的RNase P RNA的復(fù)雜性表現(xiàn)在綁定基質(zhì)的復(fù)雜度上超過了細(xì)菌，即古生菌與真核生物RNase P R

12、NA分子綁定的基質(zhì)如蛋白質(zhì)其分子大小、結(jié)構(gòu)、數(shù)量(至少四個(gè))、功能的多樣性等復(fù)雜度方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了細(xì)菌的單一性(僅有一個(gè)低質(zhì)量的蛋白質(zhì)分子，少數(shù)有兩個(gè))，在整個(gè)核酶分子的進(jìn)化過程中，根據(jù)已有的酞酰酶轉(zhuǎn)移中心理論，古生菌與真核生物中的蛋白質(zhì)分子是從無到有、從簡單到復(fù)雜這樣一個(gè)逐步添加的過程，這是由其RNA分子的復(fù)雜度水平所決定的，這些結(jié)論修正了RNase PNA分子在高級結(jié)構(gòu)系統(tǒng)分析與系統(tǒng)發(fā)育的誤區(qū)，而且由RNA調(diào)控的整個(gè)核糖核蛋白絡(luò)合過程

13、揭示了RNA分子承擔(dān)的一種更為復(fù)雜的進(jìn)化角色，與RNA世界的理論一起揭示了整個(gè)生物體的進(jìn)化是RNA分子復(fù)雜度的進(jìn)化。 7．本進(jìn)化樹從細(xì)菌所占據(jù)主枝的數(shù)量上也反映了細(xì)菌的占壓倒性優(yōu)勢的種群數(shù)量，可以從細(xì)菌所具備的成功的復(fù)制機(jī)制解釋這一結(jié)果，即細(xì)菌所具備的簡單的復(fù)制機(jī)制與其他生物所采用的復(fù)制機(jī)制相比，對環(huán)境的選擇壓力有更大的適應(yīng)性。而古生菌與真核生物所具有復(fù)雜的復(fù)制機(jī)制在自然選擇的壓力下采用了復(fù)雜度進(jìn)化的方式，由于生態(tài)位的不同導(dǎo)致了

14、不同的演化速率，從而形成了今天古生菌與真核生物具備不同等級的復(fù)雜度的分歧結(jié)局。 8．在我們的生命樹上所有光合細(xì)菌與葉綠體聚合成姊妹群，同時(shí)立克次體與線粒體聚成另一個(gè)緊密的姊妹群，而且分析中包括了同一生物體細(xì)胞的線粒體與葉綠體的RNase P RNA序列，并且這些節(jié)點(diǎn)位置與聚類關(guān)系有著充足的Bootstrap支持率。這樣從全局的水平上支持了真核生物細(xì)胞器內(nèi)共生起源的的理論。 這樣，基于RNase P RNA的鑲嵌型結(jié)構(gòu)進(jìn)化

15、體系與重建后的生命樹的系統(tǒng)分析一起揭示了RNase P RNA的分子進(jìn)化歷程符合正向達(dá)爾文的選擇原理，由RNase P RNA分子主導(dǎo)的核酶進(jìn)化過程就是生物體從簡單到復(fù)雜的整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)化選擇歷程的縮微反映。作為一個(gè)典型的來自于非編碼區(qū)的RNA分子標(biāo)記，RNase P RNA的結(jié)構(gòu)性調(diào)節(jié)方式的進(jìn)化不僅使基于RNA分子的系統(tǒng)分析對生物分類提出了指導(dǎo)意義，而且在長時(shí)進(jìn)化與宏進(jìn)化的統(tǒng)一水平上，充分證明這樣一種基于RNA分子結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)的進(jìn)化機(jī)制是拒絕