早期研究-基因的功能重要性(Functional Importance): 从上面提到的那个逻辑(序列越保守的基因,其产物对生物的重要性越大)出发,人们考虑的影响基因进化速率的主要因素就是基因的功能重要性。这个观点最早可以追溯到Kimura and Ohta的一篇经典论文[1]。文中的原话是“functionally less important
molecules or parts of a molecule evolve faster than more important
ones”,即功能上较不重要的分子或分子片段,比起功能上较重要的那些,进化得更快。但是,此文作者并没有仔细区分功能重要性(Functional
Importance)和功能约束(Functional Constraint)。
Wilson et al.[2]
第一次明确区分了两者,他的文章指出,基因功能的重要性应该定义为一个基因被敲除之后,生物生存能力(Fitness)下降的程度。换句话说,缺了这个基因,生物生存能力下降越多,这个基因就越重要(因此也被称为Protein
Dispensibility)。另一方面,基因受到的功能约束应该定义为,基因序列上所有可能发生的突变中,会导致生物生存能力下降的那些突变所占的比例,即有害突变的比例。一个基因上面有害突变的比例越高,其受到的功能约束越大。Wilson的文章认为,Kimura和Ohta文章中的表述,应该更精确地描述为:如果两个基因受到的功能约束一样,则它们中功能重要性高的那个,进化会较慢。
很长一段时间里,上面的理论都没有合适的数据用于验证。直到基因敲除实验慢慢变得普遍起来。Hurst and
Smith[3]首先以此为基础检验了进化速率与基因功能重要性是否相关。他们根据基因敲除的结果把175个小鼠基因分为必需基因(Essential
Gene)和非必需基因(Non-essential
Gene)两类。必需基因是指敲除之后会引起小鼠死亡或不育的那些基因,余下的基因都是非必需的。根据上述理论,必须基因的进化应该更慢。但他们发现,数据并不支持上述理论。
参考文献: [1] Kimura, M. & Ohta, T. On some principles governing molecular evolution. Proc. Natl Acad. Sci. USA 71, 2848–2852 (1974). [2] Wilson, A. C., Carlson, S. S. & White, T. J. Biochemical evolution. Annu. Rev. Biochem. 46, 573–639 (1977). [3] Hurst, L. D. & Smith, N. G. Do essential genes evolve slowly? Curr. Biol. 9, 747–750 (1999) [4] Hirsh, A. E. & Fraser, H. B. Protein dispensability and rate of evolution. Nature 411, 1046–1049 (2001). [5] Pal, C., Papp, B. & Hurst, L. D. Highly expressed genes in yeast evolve slowly. Genetics 158, 927–931(2001). [6]
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of the protein evolutionary rate : Determinants of the rate of protein
sequence evolution : Nature Reviews Genetics : Nature Publishing Group