基于核酶RNase P RNA的系統(tǒng)分析.pdf

1、在前基因組時代，蛋白質的系統(tǒng)發(fā)育主導了整個分子生物學的研究，而在后基因組時代，有關RNA和非編碼區(qū)序列的結構調控研究成為最前沿的分子進化的研究主題。我們有必要改變以前通行的將蛋白質與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)的進化從兩個不同的生命起源的水平分開來研究，從而在一個更加全面的角度來探討分子生物學與宏觀進化的理論統(tǒng)一性。因而從基因組非編碼區(qū)尋找一個合適的具有生命起源意義的RNA分子標記是一個首要任務。

2、 本論文首先利用已有的晶體結構分析結果與二級結構的預測結果相比較，總結出RNase P RNA分子的核心保守區(qū)與輔助區(qū)交錯分布的鑲嵌型結構特點；然后將傳統(tǒng)的生物信息學中的系統(tǒng)分析模型按照RNase P RNA分子特殊的保守型結構進行了有針對性的改進，并應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)配的程序進行了有傾向性的比對參數(shù)調整，增加空位的開放罰分到最大化的水平，同時作為一個重要的調節(jié)補償，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)的動態(tài)調節(jié)，這樣提高了整體比對結果中可用于系統(tǒng)分析的信息位點的內容與數(shù)量；并從高級結構排列的角度也進行了一致的全局比對。同時為了從最基本的RNA分子熱力學原理的基礎上分析細菌、古生菌、真核生物三域RNase P RNA分子的基本信息統(tǒng)計的再次驗證，我們發(fā)展了信息熵的算法并改進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行了比較分析。這些

4、統(tǒng)計結果從全局的信息分子組織性機制的水平揭示了三域的共性與區(qū)別，并且作為一個迭代的算法技術來統(tǒng)計RNase P RNA的高級結構在一級堿基序列上的全局映射，尤其是在堿基位點與堿基串序列分布的坐標映射分析。 在進行完上述工作后，丌始進入最后的結論性分析—生命樹構建階段，對于我們全部收集到535條完整的mpB序列的記錄，在排除了176個沒有進行生物學鑒定的細菌樣本及少數(shù)重復的同種或同一血清型樣本后，我們全部采用了已經(jīng)具備生物學分類意

5、義的樣本，這樣我們的生命樹總共陳列了286個確定分類的物種，包括了187個細菌，跨越了細菌的17個門，古生菌中的27個種；單細胞原生生物中的9個種，真菌中的26個種，動物中的24個種，藻類中4個種(一個綠藻和三個紅藻)的葉綠體，兩個單細胞原生物(苔蘚)的葉綠體，5個真菌的線粒體，一個藻類的線粒體，一個單細胞原生物的線粒體。從最基本的生命起源的水平上，運用一個新的系統(tǒng)發(fā)育標記RNase P RNA，探討物種的系統(tǒng)發(fā)育關系，配合其它生物信息

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

7、真菌與原生生物分別作為獨立的界水平的分類地位；另外我們的系統(tǒng)分析還揭示出細菌有著極其寬廣的進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，象革蘭氏陽性細菌，藍細菌，革蘭氏陰性細菌和放線桿菌等大的類群都應有著更高層的分類地位，揭示這些高層類群從細菌進化的早期就己分開。 2．對于分子系統(tǒng)學來說，我們是第一次在一個統(tǒng)一的生物信息學模型中將已收集到的所有樣本一次完成RNase P RNA生命樹的構建，并

8、沒有加入在生命樹構建中常用的人工合成手段，因而具有可重復性與通用性。 3．將這棵生命樹作為所有現(xiàn)存物種分類體系的基礎，可以清晰地發(fā)現(xiàn)這個結構體系主要由兩大部分構成：一部分為古生菌與真核生物的集群，另一部分為細菌。古生菌與真核生物是從一個共同祖先演化而來的，而與細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與它們所承擔的不同模式的核心結構調節(jié)功能體現(xiàn)在這個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化分歧。 4．生命樹中古生菌與真核生物同源關系的確立，解決了RNaseP RNA二級結構比對分析與系統(tǒng)發(fā)育分析結果的矛盾。即現(xiàn) 有的通過二級結構預測得出的三域RNase P RNA的比較分析結果揭示出細菌與古生菌具有同源性，而這兩域都與真核生物親緣關系相對較遠，這首先與公認的三域分類體系相違；而已有的RNase P全酶的體外實驗結果中揭示古生菌與真核生物是都通過RNaseP RNA綁定完全同

10、源的蛋白質組分來進行代謝，并需要極高的金屬離子的活性環(huán)境，而細菌是由RNase P RNA獨立完成核酶的表達，這樣整個古生菌與真核生物的核酶在結構與組分上是相同的，他們的組織復雜度遠遠超過了細菌核酶。 5．這棵生命樹結構體系通過同源關系的分析界定了兩種類型的細胞內復制機制：一種為細菌所具備的簡單型的胞內復制機制，另一種為古生菌與真核生物所具備的復雜型的胞內復制機制。這是第一次通過胞內復制的分子機制在長時進化與宏進化的水平上，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化總體上表現(xiàn)為RNA分子全局調控的進化過程。即RNase P RNA分子在整體的RNA-蛋白質絡合結構進化中起到了全能性與主導性的調控作用，而蛋白質分子是后生或后加入的，在整個核酶分子功能的表達上是受到RNA分子的全局調控的。古生菌和真核生物的RNase P RNA的復雜性表現(xiàn)在綁定基質的復雜度上超過了細菌，即古生菌與真核生物RNase P R

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

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

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雜度的分歧結局。 8．在我們的生命樹上所有光合細菌與葉綠體聚合成姊妹群，同時立克次體與線粒體聚成另一個緊密的姊妹群，而且分析中包括了同一生物體細胞的線粒體與葉綠體的RNase P RNA序列，并且這些節(jié)點位置與聚類關系有著充足的Bootstrap支持率。這樣從全局的水平上支持了真核生物細胞器內共生起源的的理論。 這樣，基于RNase P RNA的鑲嵌型結構進化

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的分子進化歷程符合正向達爾文的選擇原理，由RNase P RNA分子主導的核酶進化過程就是生物體從簡單到復雜的整個結構進化選擇歷程的縮微反映。作為一個典型的來自于非編碼區(qū)的RNA分子標記，RNase P RNA的結構性調節(jié)方式的進化不僅使基于RNA分子的系統(tǒng)分析對生物分類提出了指導意義，而且在長時進化與宏進化的統(tǒng)一水平上，充分證明這樣一種基于RNA分子結構調節(jié)的進化機制是拒絕