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基于核酶RNase P RNA的系统分析

作　者: 徐晓锋
导　师: 安黎哲
学　校: 兰州大学
专　业: 植物学
关键词: rnPB 非编码区分子标记 RNA进化基因复制机制自然选择生命树生物信息学
分类号: Q75
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

有关物种进化的分子机制一直是分子系统学研究的核心，在前基因组时代，蛋白质的系统发育主导了整个分子生物学的研究，而在后基因组时代，有关RNA和非编码区序列的结构调控研究成为最前沿的分子进化的研究主题。我们有必要改变以前通行的将蛋白质与RNA分子的系统分析统一研究或等同分析的作法，将编码区与非编码区的进化从两个不同的生命起源的水平分开来研究，从而在一个更加全面的角度来探讨分子生物学与宏观进化的理论统一性。因而从基因组非编码区寻找一个合适的具有生命起源意义的RNA分子标记是首要任务。 RNase P RNA(rnpB)是目前唯一一个属于非编码区的RNA分子标记。rnpB不仅存在于所有生物体细胞的染色体中，而且存在于所有亚细胞组织如线粒体、叶绿体中，是已知的核酶分子中自然代谢效率最高的成份，是整个核酶RNase P的主导分子。在所有生物类群中有关rnpB的多级结构研究揭示了其进化过程中很高的保守性，其核心的保守序列区具备了特异的生物分类功能，是一个具备了生命起源意义的强大的分子标记。作为第一个识别的能够独立行使代谢职能的RNA分子，有关rnpB的系统分析是关键的，有助于我们深入理解在生物进化过程中RNA分子担当的角色。不同生物界之间rnpB分子的不同代谢特点与它们所承担的核心结构调节功能有可能通过这个RNA分子携带的遗传信息来体现，并反映不同生物界中的进化分歧，而rnpB的碱基序列具有在相同种群中特异保守的特点，同时其亚细胞组织的序列为我们探寻真核生物的内共生起源提供了分子系统学整体演变研究的可能性，另外目前的有关RNase P的生化性质的体外试验也提供了大量有关的RNA与蛋白质络合过程中的不同代谢模式的分子证据。通过基于rnpB分子的生命树重建不仅揭示了从细菌到动物的全范围种群之间的系统分类关系，而且为更深层次的生命起源与物种演化的细胞内分子机制的研究提供了系统发育的整体分析。另外本文还在分子系统学的一般性分析的基础上，对最后的结论进行了系统发育同源的检验与生化实验的证据分析，而且进行了与其他生物信息学方法论提出的同源性相一致的互相验证。本研究首先通过已有的晶体结构与二级结构的预测结果相比较，总结出rnpB分子的核心保守区与辅助区交错分布的镶嵌型结构特点；然后将传统的生物信息学中的系统分析模型按照rnpB分子特殊的保守型结构进行了有针对性的改进，并应用于全部样本的生物体的系统发育分析。在具体的系统分析中，将序列比对联配的程序进行了有倾向性的比对参数调整，增加空位的开放罚分到最大化的水平，同时作为一个重要的调节补偿，最大限度地降低了空位的延伸罚分；同时将碱基取代模型增加了参数的动态调节，这样提高了整体比对结果中可用于系统分析的信息位点的内容与数量；并从高级结构排列的角度也进行了一致的全局比对。同时为了从最基本的RNA分子热力学原理的基础上分析细菌、古生菌、真核生物三域rnpB分子的基本信息统计的多次验证，本研究发展了信息熵的算法，改进了常用的碱基组分分析法，并在整体水平上，用直方图和信息熵差异度两种方法进行了比较分析。这些统计结果从全局的信息分子组织性机制的水平揭示了三域的共性与区别，并且作为一个迭代的算法技术来统计rnpB的高级结构在一级碱基序列上的全局映射，尤其是在碱基位点与碱基串序列分布的坐标映射分析。在上述工作的基础上，本研究进行了最后的结论性分析一生命树重建。通过

全文目录

中文摘要  7-9
英文摘要  9-12
缩略语  12-13
前言  13-15
  一、核酶RNase P RNA的研究的科学意义  13-14
  二、核酶RNase P RNA的研究的现状  14
  三、目前研究的总体趋势与本论文选题的内容及目的意义  14-15
第一部分基于核酶RNase P RNA研究的发现与发展  15-37
  一、核酶的发现  15
  二、核酶RNase P RNA的结构  15-23
    2.1 RNase P RNA的结构预测方法  15-18
    2.2 RNase P RNA的二级结构  18-20
    2.3 RNase P RNA分子的整体结构  20-22
    2.4 目前核酶RNase P RNA的二级结构算法的意义与局限  22-23
  三、核酶RNase P RNA作为一个分子标记的发展历史  23-29
    3.1 分子标记与生物分类  23-24
    3.2 目前的几种作为系统分析依据的基础进化理论  24-28
      3.2.1 Woese的三域进化理论  24-25
      3.2.2 分子钟理论与分子异速进化  25-27
      3.2.3 分子进化机制与生物多样性  27-28
    3.3 涉及到生命起源的分子标记  28
    3.4 核酶RNase P RNA作为一个分子标记的进展  28-29
  四、RNase P RNA分子系统分析中存在的问题  29-37
    4.1 RNase P RNA二级结构比较研究的困境  29-30
    4.2 分子系统分析中的难题  30
    4.3 广泛存在的基因横向交流干扰了分子进化理论  30-31
    4.4 没有进化方向的分子生物学理论  31-34
      4.4.1 分子进化的中性学说  31-32
      4.4.2 分子进化和表型进化  32
      4.4.3 分子进化中系统生物学的问题  32-33
      4.4.4 分子进化理论与生物多样性的冲突  33
      4.4.5 微观进化与宏观进化  33
      4.4.6 分子进化的结构性选择  33-34
    4.5 生命树的构建到被连根拨起  34-36
    4.6 研究对象的错位  36-37
第二部分核酶RNase P RNA的系统分析  37-67
  一、基于RNase P RNA的生物信息学分析的理论基础  37-42
    1.1 一个意义重大的RNA分子标记  37
    1.2 RNase P RNA分子的结构适合于进行系统分析  37-38
    1.3 RNase P RNA分子序列的同源  38-41
      1.3.1 RNA分子的同源与进化  39-40
      1.3.2 比较分析方法的应用  40-41
    1.4 重建通用的核酶RNase P RNA生命树  41-42
  二、基于核酶RNase P RNA的系统分析的材料与方法  42-56
    2.1 核酶RNase P RNA序列的收集  42-43
    2.2 核酶RNase P RNArnpB的组分直方图与信息熵的统计比较分析  43-44
    2.3 降低“长枝吸引”(Long Branch Attraction)的影响  44-46
      2.3.1 样本的全部选择  44
      2.3.2 严格而完整的序列联配  44-46
      2.3.3 RNase P RNA序列的全局比对  46
    2.4 各种进化树重建时的算法优劣  46-48
    2.5 与系统发育结果的相互验证  48
    2.6 RNase P RNA生命树的构建  48-56
      2.6.1 Clustal W的比对  48-56
      2.6.2 进化树构建  56
  三、结果  56-67
    3.1 进化树中各种算法的结果  61-62
    3.2 组分统计  62
    3.3 通用的生命树  62-65
    3.4 聚类范围与种群数量  65-66
    3.5 系统分析世界的两个庞大世系  66-67
第三部分结论与讨论  67-90
  一、两类基于RNase P RNA的不同的进化机制  67-71
    1.1 RNase P RNA分子的结构进化机制  67-68
    1.2 核酶RNase P RNA的系统分析揭示了两种不同的分子机制  68-69
    1.3 如何理解这两种迥然不同的RNA分子机制  69
    1.4 高层分类的系统分析  69-71
  二、RNA分子系统分析世界的两域观点  71-81
    2.1 进化的观点  71
    2.2 基因复制机制决定了真核生物的复杂度起源  71-73
    2.3 复制机制的系统分析同样揭示了古生菌与真核生物的同源性  73-76
    2.4 RNase P RNA的生命树小型化了RNA分子的进化  76-81
      2.4.1 选择、适应、进化  76-77
      2.4.2 环境胁迫导致生物体的分子机制产生相应的适应性变化  77-78
      2.4.3 相同分子机制产生的趋异进化  78-79
      2.4.4 复杂性的起源与进化  79-81
  三、宏观进化与分子进化的统一  81-83
    3.1 目前的分子进化的理论分歧  81
    3.2 系统分析的一致结果  81-82
    3.3 RNase P RNA的进化从宏观进化与分子进化的两个层次揭示了自然选择  82-83
  四、核酶RNase P RNA的系统分析揭示了一种基于RNA的结构演化理论  83
  五、RNA世界的进化选择  83-90
    5.1 新的具备全能意义的进化证据  83-84
    5.2 两类不同的进化理论  84-85
    5.3 进化理论的本质分歧  85-87
    5.4 RNA世界的发展  87
    5.5 结论性的解释  87-90
参考文献  90-98
附录1：表1-7排列了本文研究的所有物种全名、缩写、NCBI接入号与分类  98-118
附录2：未在进化树中陈列的物种表与NCBI接入号  118-119
附录3：含有缩写名的进化树  119-120
附录4：所测物种熵值表  120-122
附录5：生命树中所列物种的遗传距离统计表  122-123
发表论文与所参与的科研项目  123-124
致谢  124-125

基于核酶RNase P RNA的系统分析

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