上海交大 中文翻译 生物化学课本：第6章 生物信息学和进化的研究方法

旗开得胜 第六章 生物信息学和进化的研究方法

蛋白质序列清楚地反映出生物的进化关系。Jane Goodall和一只黑猩猩互动提示人类与黑猩猩亲缘关系近。血红蛋白的氨基酸序列也证明人类与黑猩猩的亲缘关系。在血红蛋白153个氨基酸残基中，人血红蛋白（红色）与黑猩猩血红蛋白（蓝色）只有一个氨基酸残基不同。[左边, Kennan Ward/Corbis.]

如同人类家族的成员一样，分子家族的成员有一些共同的特征。比较蛋白质的三维结构（即与蛋白功能关系最密切的参数），我们很容易鉴定蛋白家族成员。我们在蛋白质折叠章节介绍过的牛核酸酶，其三维结构与人核酸酶的三维结构颇为类似（图6.1）。虽然这种类

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旗开得胜 似性在意料之中(因为这两个蛋白质的功能是一样的），但是有些情况下这种比较却获得了我们意料之外的结果。例如血管生成素(angiogenin)是能够刺激血管生成的蛋白质。但是血管生成素的三维结构与核酸酶三维结构非常相似，说明血管生成素和核酸酶属于同一蛋白家族（图6.2）。因此它们肯定来自同一祖先分子。

图6.1 牛和人核酸酶结构。功能类似性的蛋白质常常具有结构类似性。[Drawn from 8RAT.pdb. and 2RNF.pdb]

图6.2 血管生成素的结构。该蛋白质能促进血管生长，具有与核酸酶非常相似的三维结构。

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遗憾的是，知道三维结构的蛋白质数量有限。我们知道很多蛋白质的编码基因序列或氨基酸序列（得益于DNA克隆和DNA序列测定）。在蛋白质氨基酸序列水平就能观测到蛋白质的进化关系。例如牛核糖核酸酶和血管生成素的氨基酸序列有35%的氨基酸残基是一致的。那么这种相似性水平是否足以保证蛋白质的进化关系？如果不够，需要多高的相似性才能说明蛋白质有进化关系？本章介绍氨基酸序列比较的方法和推测蛋白质进化关联的方法。

序列比较已经成为现代生物化学研究的最有力工具之一。最新鉴定的新序列与数据库比较，确定与该序列相关的分子。利用这些信息，能够研究具有这种新近测序分子功能和机制。如果三维结构也清楚，我们能比较三维结构、证实序列比较的结论，还能揭示那些序列比较没有发现的成员。

考察现有蛋白序列的脚印，生化学家成了分子考古学家，能了解分子进化史所发生的事件。序列比较能够确定进化途径、估计特定进化事件发生的时间。利用这些信息能够构建特定蛋白质或核酸从古生菌和细菌到真核生物（包括人类）的进化树。也可以用实验方法研究分子进化。有些化石的DNA分子也可以进行PCR扩增和测序，直接观察古代的分子序列。此外科研人员也可以进行一些核酸复制实验观察实验室的分子进化。这些研究的结果能揭示更多的分子进化机制。

6.1 同源物来自同一祖先

生物化学进化的研究主要是确定蛋白质、其它生物分子、以及生物化学途径如何随着时间发生的变化。来自同一祖先的两个物体就是同源关系。同源（homologus）分子或同源物（homologs）可以分为两类（图6.3）。侧向同源物(paralogs)指同种生物的同源物。直向同源物(orthologs)指不同物种间具有非常相似甚至一致功能的同源物。了解分子间的同

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