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數(shù)百萬年前至今的生物進(jìn)化樹

何為宇宙？

古人稱：四方上下曰宇，古往今來曰宙。宇宙有上千億個星系存在，銀河系就是其中一個存在。每個星系中又都包含數(shù)十億顆恒星，而每一顆恒星都會在自身引力的作用下，吸引一群行星繞在自己身旁形成子單系，太陽系就是恒星，我們居住的地球就是圍繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)的那顆行星。地球形成至今已有46億年，在地質(zhì)、環(huán)境等條件不斷演變的情況下，生物體通過基因突變（自然選擇）慢慢適應(yīng)這個星球，再經(jīng)過時(shí)間的延續(xù)，無數(shù)碳基生物體你來我往，構(gòu)建了上圖的生物種類進(jìn)化樹。這里的基因突變就是DNA鏈中的特殊某段定義的，地球的生命史就被篆刻在每一種生物的DNA中。今天的故事就要從DNA說起。

那么，什么是DNA呢？

DNA：脫氧核糖核酸（英語：DeoxyriboNucleic Acid，縮寫為DNA）由含氮的堿基+脫氧核糖+磷酸組成。因?yàn)槊撗鹾颂呛颂呛土姿岫家粯?，但堿基可以分為四種（腺嘌呤A，鳥嘌呤G，胸腺嘧啶T，胞嘧啶C），所以脫氧核糖核苷酸就可以分為四種（按照堿基的不同區(qū)分），同時(shí)在書寫過程中可以用堿基的簡寫（AGTC）代替。

人類DNA序列片段

簡單來說，DNA就是由A、T、G、C四種堿基無規(guī)則排序組成的一長串序列編碼，是大多數(shù)生物的遺傳信息的載體。DNA編碼上的信息可以組成遺傳指令，用來引導(dǎo)生物發(fā)育與生命機(jī)能運(yùn)作。

生物體中的DNA堿基構(gòu)成一條長序列后，幾乎從不作為單鏈存在，而是應(yīng)用堿基互補(bǔ)原則，既通過A對T或者T對A、G對C或者C對G的方式形成堿基對，構(gòu)建出另一條DNA堿基序列，作為一對彼此緊密相關(guān)的雙鏈，彼此交織在一起形成雙螺旋結(jié)構(gòu)。

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)

影視劇中經(jīng)常出現(xiàn)被我們大家熟知的親子鑒定，就是利用到了DNA。生物學(xué)、遺傳學(xué)上使用DNA做親子鑒定時(shí)，否定親子關(guān)系的準(zhǔn)確率幾近100%，肯定親子關(guān)系的準(zhǔn)確率可達(dá)到99.99%。

在我們開發(fā)的應(yīng)用程序中，通過對某禽流感病毒DNA堿基序列片段的比對，找到同源性比較高的DNA序列片段，這些序列代表的是與原序列相近的病毒，或者說與原序列代表的病毒屬于“近親”。

DNA比對結(jié)果

再對列表內(nèi)的序列進(jìn)行同源性比較，就能看到所選擇的序列兩兩之間的同源性為多少，用以判斷兩種病毒的“親緣”關(guān)系，如下圖：

DNA比對矩陣

由這些DNA序列構(gòu)建而成的進(jìn)化樹更能說明序列所代表的病毒的“親緣”關(guān)系，如下圖。圖中，進(jìn)化樹中的橙色字體代表查詢序列的序列號，藍(lán)色字體代表比對序列的序列號。其中，在一個外群的分支“親緣”關(guān)系更為緊密，而同一外群中，一個節(jié)點(diǎn)下的兩個病毒的DNA序列支長越短，“親緣”關(guān)系越近，反之，“親緣”關(guān)系越遠(yuǎn)。而對于支長，我們可以通過標(biāo)尺來觀測其長短。

進(jìn)化樹

而DNA又是如何成為蛋白質(zhì)的呢？

DNA不是直接就變成了蛋白質(zhì)，而是通過一系列過程，最終轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)。

首先是DNA的轉(zhuǎn)錄：DNA在細(xì)胞核內(nèi)，根據(jù)堿基互補(bǔ)配對原則，和基因的選擇性表達(dá)等，轉(zhuǎn)錄出mRNA（信使RNA），信使RNA上攜帶的就是特定的DNA序列，叫做密碼子，密碼子對應(yīng)不同的氨基酸。

其次是mRNA的翻譯：mRNA通過核孔來到細(xì)胞質(zhì)中的核糖體上，根據(jù)密碼子的不同，tRNA（轉(zhuǎn)運(yùn)RNA）上有反密碼子和攜帶的特定氨基酸。根據(jù)堿基互補(bǔ)配對的方式，tRNA和mRNA結(jié)合，那么就會有不同的氨基酸，通過脫水縮合的方式形成肽鍵，多個氨基酸通過肽鏈結(jié)合形成肽鏈。

最后肽鏈：多個肽鏈通過高爾基體，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等加工，在空間上通過折疊，反轉(zhuǎn)，螺旋等方式形成空間結(jié)構(gòu)，從而形成具有生物活性的蛋白質(zhì)。

DNA—RNA—蛋白質(zhì)

總結(jié)下來就是：DNA序列是遺傳信息的貯存者，它通過自主復(fù)制得到永存，并通過轉(zhuǎn)錄生成mRNA，再翻譯生成蛋白質(zhì)的過程。該過程完全自主完成，且該過程控制所有生命現(xiàn)象。通俗點(diǎn)講就是我干自己的活，誰也管不了我，但我能弄你。偉不偉大先不說，牛X不牛X就完了！

不由感嘆：敬畏宇宙，敬畏自然！

工作中，我們通常操作的只是類似ATGC這樣的DNA堿基的序列編碼，通過對DNA堿基序列的轉(zhuǎn)錄、翻譯，最終成為的氨基酸序列就可以了。在我們應(yīng)用程序里更是直接利用密碼子表將DNA序列轉(zhuǎn)換為氨基酸序列：

DNA序列翻譯為氨基酸序列

上圖就是在一長串DNA原始序列找到開放閱讀框，將該閱讀框內(nèi)的DNA序列翻譯為氨基酸序列的操作。通過程序計(jì)算，該原始序列內(nèi)共找到13條開放閱讀框序列。也就是說，我們可以將該原始序列翻譯成13條氨基酸序列。

提到開放閱讀框，就不得不提密碼子，它就像摩斯電碼一樣，不同的點(diǎn)橫組合，可以翻譯為不同的代碼。

摩斯電碼表

所謂密碼子，就是三個連續(xù)DNA堿基為一組，這一組堿基序列就可以翻譯為一個氨基酸編碼，而所有的三個連續(xù)DNA堿基的排列組合構(gòu)成了密碼子表。有了密碼子表（下圖），我們就能更便捷的將DNA翻譯為氨基酸。但密碼子表中有兩個特殊存在：起始密碼子ATG和終止密碼子TAA/TAG/TGA，它們是定義一段DNA序列是否能翻譯為氨基酸序列的標(biāo)準(zhǔn)。

DNA-氨基酸密碼子表

氨基酸中文對照表

在正向DNA序列中，從第一個起始密碼子開始到最后任意一個終止密碼子結(jié)束，且中間堿基數(shù)量是3的倍數(shù)的DNA序列，才是正常的可翻譯氨基酸的DNA序列，也被稱為開放閱讀框；否則稱為殘缺序列。殘缺序列是無法被翻譯為氨基酸序列的。需要提到的一點(diǎn)就是，當(dāng)我們翻譯時(shí)，默認(rèn)將終止密碼子翻譯為星號（*）。

到這里，我們就已經(jīng)成功將DNA翻譯成了氨基酸。而氨基酸最終會構(gòu)成蛋白質(zhì)。至于蛋白質(zhì)的功效，就不必多講了。生活中各種高蛋白之類的產(chǎn)品宣傳估計(jì)已經(jīng)將蛋白的功效普及的差不多了。

那么問題來了，給你一串人類DNA序列片段：ATGGCACATGCAGCGCAATAG，你能將其翻譯成氨基酸序列嘛？

中科北緯軟件研發(fā)團(tuán)隊(duì)，長期從事林草病蟲害監(jiān)測預(yù)報(bào)防治、野生動物保護(hù)和疫源疫病監(jiān)測預(yù)警等方面業(yè)務(wù)梳理和軟件開發(fā)工作，以網(wǎng)絡(luò)和信息化助力您的基因探索之路。