生物科学新生，想知道 16S 那些是啥啊，看一个研究问题搞不明白？ 第1页

题目描述的大概是 16S 核糖体 RNA。

相关的事情是这样开始的：

Pauling 在 1962 年提出分子钟假说，认为生物的某些基因序列或其对应的蛋白质的氨基酸序列随着时间推移以相对稳定的速度变化，这种基因的变化速率在不同世系的有机体中基本一致^[1]。

那么，如果能找到一群物种中普遍存在的特定基因，其变化速度足够缓慢且足够稳定，这些物种间的亲缘关系就可以用该基因或其蛋白质产物在序列上的差别来定量描述。

二十世纪七十年代，卡尔·沃斯发现原核生物的 16S 核糖体 RNA 和真核生物的 18S 核糖体 RNA 的演化速度十分缓慢且突变速度基本稳定，没有在上述核糖体 RNA 中发现有意义的水平基因转移。

原核生物的核糖体 RNA 有三种类型：

• 5S 核糖体 RNA，遗传信息较少（约 120bp），难以反映超过一定时长范围的演化；
• 16S 核糖体 RNA，约 1540bp，普遍存在于原核细胞中，遗传信息含量较高、拷贝数较多（可以占到细菌 RNA 总量的 80% 以上），便于在实验室获取模板，功能同源性高；
• 23S 核糖体 RNA，遗传信息较多（约 2900bp），碱基突变率较高，难以反映较远的亲缘关系。

看起来 16S 核糖体 RNA 是最适合用来分析原核生物演化关系的。

进一步研究发现，16S 核糖体 RNA 对应的 16S 核糖体 DNA 有 10 个保守区和 9 个高变区，保守区变化极度缓慢，可以反映物种间的亲缘关系，可变区则具有属特异性甚至种特异性，可以作为物种的特征序列。

沃斯和乔治·福克斯在 1977 年用距离矩阵法计算出不同序列间的演化距离，并揭示出一些特征序列，构建出系统发育树^[2]。他们比较了大肠杆菌、万氏甲烷菌和酿酒酵母的核糖体小亚基中的核糖体 RNA 的结构，认为可以将古菌看作从细菌到真核生物的过渡类型。

1990 年，沃斯提出了三域说，将古菌和细菌分开。

关于古菌的演化速度的误解：

在古菌的 16S 核糖体 RNA 序列改变量反映的时间与细菌的 16S 核糖体 RNA 序列改变量、真核生物的 18S 核糖体 RNA 序列改变量反映的时间相近的情况下，古菌的其他序列的改变有可能比细菌和真核生物少得多，这点在超嗜热古菌中较为明显，可能是因为它们要保持适应极端环境的特殊表型基因的稳定表达，以及在那些环境里缺少其它生物跟它们竞争、环境高度稳定。

• 这只对一部分古菌和繁殖极快的单细胞真核生物成立。
• 在学术界谈论这些的年代，发现的古菌太少，而且对古菌的基因测序报告里存在大量错误。
• 在那之后，人们发现地球上还有大量古菌生活在温和的环境里，其演化速度谈不上缓慢。

参考

1. ^ 其证据是，比较不同生物世系的血红蛋白分子的氨基酸排列顺序，发现氨基酸随时间流逝以基本稳定的比例缓慢地置换。
2. ^ https://dx.doi.org/10.1073%2Fpnas.74.11.5088