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机械老化发展。作者手稿；PMC 2008年4月7日提供。
以最终编辑形式发布为：
机械老化发展。2007年5月至6月；128(5-6): 355–364.
在线发布2007年3月25日。 数字对象标识：2016年10月10日/j.mad.2007.03.004
PMCID公司：项目经理2288694
美国国立卫生研究院：美国国立卫生研究院27801
PMID：17459455

分析人-黑猩猩同源基因对以探索衰老的进化假说

Joáo Pedro de Magalháes*和乔治·M·丘奇
作者信息 版权和许可证信息 PMC免责声明

关联数据

补充资料

摘要

与黑猩猩相比(黑猩猩)在人类中，衰老的开始似乎被推迟了。在此，我们研究了人类-黑猩猩同源基因对，以研究在不同模型系统中作用于与衰老相关基因的选择力，这使我们能够探索衰老的进化假说。我们的结果表明，衰老相关基因往往处于净化选择和强于平均水平的功能约束之下。我们几乎没有发现原始人类或人类谱系中与衰老相关的基因加速进化的证据，以前与衰老有关的途径在人类和黑猩猩之间基本上是保守的。特别是，与哺乳动物衰老相关的基因相比，非哺乳动物模型生物和细胞系统中与衰老相关的基因组似乎受到更强的功能约束。沃纳综合征基因可能在原始人类中经历了快速进化。总的来说，我们的发现为模型系统中作用于与衰老相关基因的进化力提供了新的见解。我们认为，模型生物中与衰老相关的基因可能是与衰老的多效性效应相关的保守路径的一部分，而这些多效性影响可能不会调节衰老中的物种差异。

关键词：比较基因组学、生命史、寿命、自然选择

1.简介

人类和我们最接近的进化近亲黑猩猩的基因组比较(黑猩猩)，可能有助于揭示人类独特特征进化过程中的遗传变化(Watanabe等人，2004年;黑猩猩测序和分析协会，2005年;Varki和Altheide，2005年). 了解人类特征进化的第一步是研究产生这些特征的选择力。通常，自然选择通过两种机制之一来塑造物种的进化：净化选择和积极选择，前者促进现有表型的保护，后者有利于新表型的出现(Vallender和Lahn，2004年). 尽管人类和黑猩猩基因之间的序列差异较小，但有可能在整个基因组中研究这些选择力，并确定进化变化的特征，从而为人类特有性状的进化提供见解(黑猩猩测序和分析协会，2005年;Nielsen等人，2005年).

研究选择力最常用的方法是K一/K秒测试，其中K一和K秒表示两个蛋白质编码序列之间每个非同义和同义位点的替换数。非同义突变导致蛋白质氨基酸序列的改变，而同义突变则不会。尽管K一对基因的进化速度进行了估计，因为突变率在基因组中是不同的，K秒用于估计背景突变率并进行归一化K一用于基因比较。在经典测试中，如果核苷酸替换是通过一个纯粹的随机过程发生的K一/K秒=1，表示空档选择，K一/K秒<1表示净化选择或结构约束，以及K一/K秒>1表示积极的选择，尽管它不一定证明或反驳。尽管使用此方法无法检测翻译后和监管差异K一/K秒测试已被证明是一种强大而准确的工具，可以检测跨基因组的选择压力，甚至可以提供作用于单个基因的选择压力的线索(Clark等人，2003年;Dorus等人，2004年;Vallender和Lahn，2004年;黑猩猩测序和分析协会，2005年;尼尔森等人，2005年).

在这项工作中，我们研究了500万至700万年前人类和黑猩猩分化以来的选择力(Varki和Altheide，2005年). 尽管认知功能、言语或两足动物的差异迄今为止在此类研究中得到了大量关注(Clark等人，2003年;Dorus等人，2004年;Watanabe等人，2004年;黑猩猩测序和分析协会，2005年;尼尔森等人，2005年)，黑猩猩和人类之间的一个主要区别在于生活史特征：与黑猩猩相比，人类的发育、所有生长阶段和寿命都大大延长(麦金尼和麦克纳马拉，1991年). 生命史理论预测，在较低的成人死亡率下，选择将有利于晚熟和长寿（参见查诺夫，1993). 事实上，据估计，野生黑猩猩的成年预期寿命比人类狩猎采集者的预期寿命低60%左右(Hill等人，2001年). 然而，关于人类生命史进化的遗传机制，人们知之甚少。

生物医学研究非常感兴趣的是，即使与圈养的黑猩猩相比，人类的衰老似乎发生在更晚的年龄。人类的寿命比黑猩猩长，创纪录的寿命为122岁，而黑猩猩的寿命为74岁，尽管人类的样本量大得多，可能会高估这两个物种之间的差异。重要的是，人类似乎具有几种与年龄有关的疾病发病延迟和死亡率随后加速的特征，这是衰老的一个共同特征(芬奇，1990年;Hill等人，2001年;Erwin等人，2002年;Morbeck等人，2002年;芬奇和斯坦福，2004年;de Magalhaes，2006年). 这种年龄差异可能是由人类进化过程中外在死亡率的变化来解释的（这里指的是通向现代人类的谱系，而原始人指的是人类和大猩猩），这可能会影响控制衰老途径的选择(Kirkwood和Austad，2000年). 然而，即使这样的假设是正确的，即使基因改变显然是人类延缓衰老的原因(米勒，1999;de Magalhaes，2003年;鹧鸪与宝石，2006)这些基因变化的本质在很大程度上仍然未知。

由于自然选择是衰老的最终原因，进化生物学对理解衰老表型至关重要(罗斯，1991). 从进化的角度来看，衰老可以被视为一个多基因和高度复杂的过程，自从黑猩猩和人类共享最后一个共同祖先以来，其表型发生了显著变化。在此，我们利用黑猩猩和人类基因组的最新测序进行了研究——使用K一/K秒比率&作用于模型系统中先前与衰老相关的基因的选择力，这反过来使我们能够探索衰老的进化假说。衰老进化模型中的一个有争议的话题是，衰老机制在多大程度上在不同的生物体中得以保存（“公共”）(Martin等人，1996年;鹧鸪与宝石，2002). 在这里，我们探讨了在不同模式生物中确定的衰老机制是否也可以说明衰老中的物种差异(鹧鸪与宝石，2006). 我们还研究了人类寿命的进化是否是由于多种防御和修复机制的多重变化所致(鹧鸪与宝石，2002;Kirkwood，2005年). 最后，基因突变ASPM公司和MCPH1型基因导致小头畸形，灵长类谱系中这些基因正向选择导致人类的证据被用来假设它们参与了大脑大小的进化（参见Vallender和Lahn，2004年). 根据这一理论，我们探索了与人类早衰表型相关的基因是否也可能是阳性选择的潜在靶点。

2.材料和方法

2.1. 数据的来源和类型

我们使用了黑猩猩测序和分析协会收集的数据集(黑猩猩测序和分析协会，2005年)，由13454个人类-黑猩猩同源基因对加上7043个人类、黑猩猩、小鼠和大鼠同源基因的4向基因比对组成。这些基因比对的直系学被认为是明确的。K一/K秒每个比对的比率之前由黑猩猩测序和分析协会（2005年）以及谱系特异性蛋白质变化的估计。然而，考虑到人类和黑猩猩基因之间的相似性，同义替换将很少，而且也经常是零。为了避免这个问题，使用了另一种对背景突变率的估计K我，这是根据局部基因间/内含子替换率计算得出的。K一/K我比率的解释与K一/K秒比率，以及K一/K我在查看单个基因时，比率为假阳性提供了额外的控制。平均值K一/K秒人-黑猩猩同源基因对的比率为0.23。平均值K一/K我比率也为0.23，4.4%的基因具有K一/K我>1和29%的人类和黑猩猩同源基因编码相同的蛋白质。对于四向比较，平均值K一/K秒原始人的比率为0.20，而鼠的比率为0.13(黑猩猩测序和分析协会，2005年). 我们还使用了Clark等人（2003）它由7645条人-黑猩猩-鼠排列组成，用于区分黑猩猩谱系中的选择和人类谱系中选择，并试图推断人类谱系的加速进化。第页-计算中模型2的值Clark等人（2003），给出了拒绝人类血统中无阳性选择的无效假设的似然比检验，与黑猩猩测序和分析协会（2005年）.

恒河猴(猕猴)这是一种约2500万年前从猿类分化而来的旧大陆猴子，寿命长达40年，其衰老发生的年龄比人类或黑猩猩要早得多；老鼠(小家鼠)和老鼠(褐家鼠)，大约8000万年前从灵长类进化而来的啮齿动物，寿命不到5年，比灵长类要快得多(芬奇，1990年;de Magalhaes，2006年). 作为一项附加测试，从ENSEMBL v.37下载了人-恒河猴、人-小鼠和人-大鼠同源基因对(Birney等人，2006年).K一/K秒只获得了我们有最高置信度的基因的比率，并且我们排除了伪基因和注释错误的基因对。（尽管如此，对于任何这些数据集，根本不消除基因对都不会显著影响我们的总体结果和结论。）总的来说，9857个人类恒河猴基因的平均值K一/K秒比率为0.20，12063人-小鼠基因的平均值为K一/K秒比率为0.13，对于11594个人鼠基因，平均值为K一/K秒比值为0.13。尽管可能，我们也雇佣了猩猩(蓬戈·皮格马乌斯)这些基因可以推断人类和黑猩猩蛋白质之间的差异是否是由于人类或黑猩猩的特定变化。

2.2. 衰老相关基因的筛选

为了研究以前与衰老相关的基因，我们从GenAge数据集中获得了243个精选人类基因的列表，其中242个编码蛋白质，与不同模型系统中的衰老相关(de Magalhaes等人，2005年). 这些基因是人类长寿和衰老的候选决定因素，尽管没有一个被证明在人类衰老中起因果作用，而且控制衰老的基因和途径的功能进化保守程度尚不清楚。我们还研究了一组由14个基因组成的与人类长寿或老年生存相关的基因。这两个基因列表都可以在网上找到(http://genomics.sensecence.info/evolution/hypemp.html).

此外，我们使用了基因本体（GO）注释，该注释描述了基因产品在细胞环境中的行为(Ashburner等人，2000年)，选择GO类别，包括模型系统中先前与老化相关或假设与老化相关的机制或功能（参见Martin等人，1996年;鹧鸪与宝石，2002;de Magalhaes，2005年). 简单地说，我们选择了与DNA修复和处理相关的GO类别，这是基于这些途径与模型系统中老化之间关联的经验证据（例如。，Fraga等人，1990年)，包括DNA修复（参见Hasty等人，2003年;Lombard等人，2005年;Martin，2005年)，DNA甲基化（在理查森，2003)，和蛋白质氨基酸ADP-核糖基化（综述于Burkle等人，2004年). 应激、氧化应激、电子传递链和缺氧也被假设在衰老中起作用（综述于Sohal和Weindruch，1996年;卡德纳斯和戴维斯，2000年;芬克尔和霍尔布鲁克，2000年;Katschinski，2006年)，由模型系统的实验结果支持（例如。，Lin等人，1998年;Migliaccio等人，1999年;Moskovitz等人，2001年). 也有大量的经验证据表明，激素，尤其是神经肽激素与许多模式生物的衰老有关(Brown-Borg等人，1996年;Flurkey等人，2001年;Tatar等人，2003年). 我们选择的模型生物中的其他衰老相关途径包括泛素（在格雷等人，2003年)，热休克蛋白(Yokoyama等人，2002年)，百万(Wang等人，2003年)谷胱甘肽转移酶(Ayyadevara等人，2005年)和组蛋白脱乙酰酶基因(Rogina等人，2002年).

2.3. 计算平均值K一/K秒基因类别比率

这个K一和K秒GO类别的值取自黑猩猩测序和分析协会（2005年）.计算K一和K秒其他基因类别或组的值，如GenAge或GenAge子集，我们采用了黑猩猩测序和分析协会（2005年）计算K一/K秒每个GO类别的比率。的值K一和K秒为给定类别中的所有基因串联C类计算方法如下：

K一=∑我∈C类一我∑我∈C类A类我 和K秒=∑我∈C类秒我∑我∈C类秒我

存在一我和A类我非同义替换和位置的数量以及秒我和秒我每个基因的同义替换数和位点我在类别中C类.

2.4. 检测快速和缓慢进化的基因类别

我们使用了黑猩猩测序和分析协会（2005年）快速识别（即具有较高的平均值K一/K秒比率）和缓慢（即低于平均值K一/K秒比率）不断发展的GO类别。为了确定可能经历快速或缓慢进化的其他基因类别，我们还采用了这些作者使用的方法。二项式概率通常用于计算几个连续事件的概率，每个事件都有两个可能的结果。其中，事件是同义或非同义的替代。假设为二项式分布，我们计算二项式概率如下(黑猩猩测序和分析协会，2005年).

概率第页A类在给定类别中发生的非同义替换事件C类根据非同义替换的预期比例估算，使用：

第页A类=k个一∑我∈C类A类我k个一∑我∈C类A类我+k个秒∑我∈C类秒我

哪里k个一和k个秒代表平均值K一和K秒所有人类黑猩猩基因对的值。因此，对于类别中的替换事件总数C类，概率第页C类我们观察到相等或更高数量的非同义替换计算如下：

第页C类=∑j个−一C类一C类+秒C类(一C类+秒C类j个)第页A类j个(1−第页A类)一C类+秒C类−j个

存在一C类和秒C类范畴中非同义和同义替换的总数C类同样，我们通过计算观察到等量或更少数量的非同义替换的概率来确定缓慢发展的类别。

这种方法使我们能够识别具有K一/K秒比率明显高于或低于平均水平。二项式概率不允许直接拒绝特定类别中无加速度或无约束的零假设。相反，它是一种用于检测可能正在经历快速或缓慢演化的最极端异常值的度量。根据黑猩猩测序和分析协会（2005年），其截止值设置为0.001。测试统计值<0.001，发现98个GO类别的特征是升高K一/K秒但很可能只有30个。这意味着，与全基因组平均值相比，这些类别中的大多数（但不是全部）经历了快速进化。同样，251个GO类别的特征更低K一/K秒偶然预计只有32个(黑猩猩测序和分析协会，2005年).

2.5. 基因组覆盖率

因为黑猩猩测序和分析协会（2005年）源于黑猩猩基因组的草图序列，并非所有人类基因都与黑猩猩基因组中的同源基因相匹配，因此我们的结果不应被视为全面的。例如，在GenAge的242个蛋白质编码基因中，211个可以被正确分析。同样，在GenAge的242个蛋白编码基因中，我们获得了169个可以正确分析的人-恒河猴、216个人-小鼠和205个人-大鼠基因对。因此，我们的分析可能忽略了潜在感兴趣的基因，但即使有完整的结果，具有大量基因的群体（如GO或GenAge类别）的趋势也不太可能改变。

2.6. 计算和统计分析

为了检索感兴趣的基因并分析我们的结果，我们设计并实现了一个用Perl编写的自动化模块系统。该系统是老龄化研究计算工具（ARCT）的一部分，如de Magalhaes等人，2005年)并用于检索、解析和数据挖掘本工作中使用的不同数据集：黑猩猩测序和分析协会（2005年）、GenAge数据集和Clark等人（2003）。然后系统生成一组新的结果，例如K一/K秒每个GenAge类别的比率，可以进行统计分析。

如上所述，我们采用了黑猩猩测序和分析协会（2005年）它们也是在类似工作中使用的那些（例如。，尼尔森等人，2005年). 曼希特尼单位测试（MWU）用于比较不同组的基因。当将基因子集与整个数据集进行比较时，我们从数据集中排除了基因子集，以避免非独立性问题。尽管有必要，我们还是用随机选择的基因对进行了计算机模拟，以推断偶然观察我们结果的可能性。每次模拟涉及100000个随机排列的数据集。使用SPSS软件包11.5版（SPSS Inc.，芝加哥伊利诺伊州）进行统计分析。

3.结果

3.1. 作用于推测的衰老相关基因的选择力

为了研究模型系统中作用于与衰老相关基因的整体选择力，我们首先比较了K一/K秒这些基因和通路与K一/K秒所有人类黑猩猩同源基因对的比率。通常，净化选择在人类基因中占主导地位K一/K秒人-黑猩猩直系亲属的比率为0.23(黑猩猩测序和分析协会，2005年). 基因组显著高于K一/K秒比率是快速进化的假定情况，因此更可能与表型变化和副病毒有关。因此，我们试图寻找积极选择的证据，或者至少是与衰老相关的途径和基因快速或加速进化的证据，基于这样的假设，即这些基因和途径更有可能指定人类相对于黑猩猩寿命更长。如材料和方法所述，我们使用了由黑猩猩测序和分析协会（2005年）之前已经证明能够检测有意义的生物学发现。

3.1.1. 纯化选择在衰老相关基因中占主导地位

我们从GenAge数据库的构建12中获得了242个与衰老相关的蛋白编码人类基因，主要是在模型生物体中(de Magalhaes等人，2005年)其中211个基因可以正确分析。虽然尚不清楚这211个基因中控制人类衰老的比例（如果有的话），但我们有理由假设这一列表中包含了丰富的此类基因，这使我们能够估计影响推测的衰老相关基因的进化压力。我们惊讶地发现，GenAge数据集作为一个整体，即使用串联K一和K秒值（见材料和方法）-在统计学上显著降低K一/K秒比人类黑猩猩直系亲属的平均值（0.23）高0.16(第页< 0.001; MWU）。这表明，与偶然发生的情况相比，与衰老相关的基因往往受到更强的功能约束。同样，自从黑猩猩和人类分化以来，GenAge中的功能类别似乎经历了净化选择(表1)我们几乎没有发现快速进化的证据（见下文）。

表1

针对GenAge功能类别的选择性部队。

GenAge类别n个K一/K秒第页-值高一第页-值低一n个四向比较b条K一/K秒在原始人中K一/K秒在murids人类AA差异。c（c）平移AA差异。c（c）
细胞凋亡650.1312.8电子-09430.0820.101415
钙60.180.750.25三0.290.1720
代谢细胞周期控制420.1317.5E−07英寸260.0570.11109
DNA缩合280.220.670.3380.320.1669
DNA修复380.250.240.79160.170.17911
DNA150.240.420.5870.0790.1442
复制能量装置190.1215.1 E−05120.130.08276
增长和发展660.1415.9东至10440.130.133717
其他470.1712.9E−3270.170.141216
氧化还原和氧化230.180.920.11130.100.0714三
调节信号520.1311.9E−08年270.130.0971516
应力响应310.1412.4欧-4140.100.08745
转录调控390.1512.6E−3级220.0620.084三7
一这种二项式概率并不是用来直接拒绝没有经历快速（概率高）或缓慢（概率低）进化的给定GenAge类别的零假设，而是提供了一个指标来识别可能经历快速或缓慢进化的类别。测试统计阈值设置为0.001（见材料和方法）。
b条K一/K秒原始人的比率基于四向排列，因此预计与K一/K秒如前所述，比率仅基于黑猩猩和人类的排列(黑猩猩测序和分析协会，2005年).
c（c）氨基酸差异（AA diff）表示估计在人类体内发生的氨基酸变化(人类)或者黑猩猩(平移)血统。

功能受限的基因可能与谱系特异性表型变化有关，这可以被检测为谱系特异的加速进化，例如原始人类与鼠类相比(Dorus等人，2004年). 对于使用黑猩猩、人类、小鼠和大鼠直系图计算的所有7043个四向基因比对黑猩猩测序和分析协会（2005年），平均值K一/K秒原始人和鼠的比率分别为0.20和0.13。平均值K一/K秒GenAge中的基因比率在原始人中为0.13，在鼠类中为0.12，这并不表明原始人中与衰老相关的基因加速进化的一般模式。我们也未能在GenAge的功能类别中检测到加速进化(表1). 钙代谢等类别(n个=3）和DNA缩合(n个=8）有相当高的K一/K秒原始人类谱系中的比率，但鉴于这些类别中的基因数量很少，我们不能排除这些是假阳性。

我们还试图找到GenAge中人类谱系特异性蛋白变化的证据。总的来说，与55只黑猩猩的血统特异性变化相比，有66只人类的血统特异性变化。根据模拟，在一组氨基酸发生如此多变化的基因中，观察到人类谱系特异性变化的比例高于黑猩猩谱系特异性变化的概率为32%，这并不意味着GenAge中人类谱系特异性蛋白变化的比例高于预期。在GenAge类别中，生长和发育蛋白质的异常值最大，其中人类谱系发生的变化是黑猩猩谱系的两倍多(表1). 这可能意味着血统特异性选择，因为观察到如此高比例的人类血统特异变化的概率为1.2%。最后，我们使用了Clark等人（2003）以确定人类谱系特异性进化是否发生在GenAge或其类别中（参见材料和方法），但我们没有发现人类谱系在任何这些途径上加速进化的证据（未显示）。

由于人类和黑猩猩之间的相似性K一/K秒当关注基因组时，比率更准确。尽管如此，GenAge中单个基因的结果证实了我们的评估，即这些假定的衰老相关基因往往会经历净化选择。除非出现测序错误，而且已经排除了与黑猩猩序列一致的人类序列中少于95%的蛋白质，56种蛋白质在人类和黑猩猩之间是完全保守的。偶然会发现43个这样的蛋白质，即29%的GenAge蛋白质至少95%与黑猩猩的同源序列一致。模拟表明，观察到如此高比例的蛋白质在人类和黑猩猩之间完全保守的概率为8.1%。同样，尽管4.4%的基因具有K一/K我比率高于1，GenAge中211个基因中只有2个(APOC3型和PMCH公司)符合这一标准。根据模拟，观察到如此少数量的基因具有K一/K我1以上的比率为0.45%。除了巴西航空公司1之前的结果（包括连锁不平衡分析）表明，哪些是正选择(Huttley等人，2000年)、和警告（见下文），GenAge中其他具有正向选择潜力的基因包括CDKN2A型(K一/K我=0.90）和EMD公司(K一/K我=0.84和K一/K秒= 1.22).

我们还研究了K一/K秒使用人-恒河猴、人-小鼠和人-大鼠基因对的GenAge比率。尽管生物寿命短，进化性强，生物学上与人类距离较远（见材料和方法），但这些额外的物种为人类-黑猩猩基因对提供了一个补充模型。使用人类恒河猴基因对K一/K秒GenAge中的基因比率为0.16，显著低于所有人类-恒河猴基因对的平均值（0.20）(第页< 0.001; MWU）。然而，来自人-鼠和人-鼠基因对的结果并没有证实这一观点K一/K秒GenAge中的基因比率不低于偶然的预期（未显示）。因此，似乎在灵长类GenAge基因中观察到的功能约束强于平均水平，在啮齿动物谱系中没有观察到。我们对这一观察没有令人满意的解释。

3.1.2. 在页面关联的GO类别中进行选择

当然，可以说GenAge只包含一小部分（如果有的话）与人类衰老有关的基因，因为大多数基因尚待确定。为了进一步研究作用于推测的衰老相关通路的选择力，并探索正选择或快速进化是否在人类和黑猩猩分化后对修复和防御机制产生作用，我们检测了K一/K秒比率，从黑猩猩测序和分析协会（2005年）在GO类别中，可能与老化有关(表2). 大多数被假设在衰老和身体维持中起作用的途径似乎没有经历快速进化，但也有少数例外。例如，有证据表明DNA修复（GO:0006281；K一/K秒= 0.26;n个=121），在人类和黑猩猩分化后，与DNA修复相关的GO类别可能经历了快速进化(表2). 然而，尚不清楚这些GO类别中的加速进化是否发生在人类而非黑猩猩谱系中，因为这两个谱系中都发生了谱系特异性蛋白变化（未显示，但见讨论）。

表2

假设与老化相关的GO类别列表一.

GO（开始）b条姓名n个K一/K秒第页-值高c（c）第页-值低c（c）
与DNA修复或处理相关的生物过程GO类别
0006974对DNA损伤刺激的反应1480.272007年9月9日1
0006281DNA修复1210.261.1E−041
0042770DNA损伤反应，信号转导150.383.2东风-041
0006306DNA甲基化110.08711.8东风-04
0006471蛋白质氨基酸ADP核糖基化100.363.3 E−031
0006298不匹配修复90.325.8东风-031
0006282DNA修复调控51.14.6电子-081
0030330p53类介体的DNA损伤反应和信号转导三1.41.3东经-131
其他生物工艺GO类别
0006950对压力的反应5940.271.1E−171
0006118电子输运2160.230.0390.96
0006511泛素依赖性蛋白质分解代谢820.200.650.38
0006512泛素循环700.1014.6东风-11
0006979氧化应激反应270.160.950.066
0007254JNK级联230.1212.6东经-04
0006120线粒体电子传递，NADH到泛醌120.120.970.054
0001666缺氧反应50.04310.014
分子功能GO类别
0005179激素活性770.371.2E−08年1
0004840泛素结合酶活性440.09415.1E−06版
0003773热休克蛋白活性290.08012008年4月4日
0003684受损的DNA结合240.378.5E−051
0005184神经肽激素活性150.394.8E−03型1
0004364谷胱甘肽转移酶活性140.504.5东风-041
0004407组蛋白脱乙酰酶活性80.140.950.082
一尽管这个话题仍然存在很大争议，灵长类动物的衰老机制基本上还不清楚，但我们选择了GO类别，包括模型系统中典型的与衰老相关的机制或功能，或假设与衰老相关（参见材料和方法）。
b条没有证据表明正选择或快速进化的亚类被省略，除非它们被认为与衰老潜在相关。
c（c）这种二项式概率并不是用来直接拒绝没有经历快速（概率高）或缓慢（概率低）进化的给定GenAge类别的零假设，而是提供了一个指标来识别可能经历快速或缓慢进化的类别。测试统计阈值设置为0.001（见材料和方法）。

我们没有发现GO类别与氧化应激相关的证据，例如氧化应激反应（GO:0006979；K一/K秒= 0.16;n个=27），经历了快速演变(表2). 应激反应类别（GO:0006950）可能经历了快速进化，但这是一种误导，因为它的子类别，即DNA修复和对害虫/病原体/寄生虫的反应（GO:0009613）似乎经历了快速演变。当消除这些可能代表偏见来源的子类别的影响时，快速选择不再考虑压力反应（未显示）。同样，有证据表明进化速度很快(K一/K秒= 0.50;n个=14）谷胱甘肽转移酶活性（GO:0004364）。因为谷胱甘肽转移酶通常与衰老有关，例如GSTA4公司和GSTP1标准，没有发现正选择，并且由于来自该GO类别的一些蛋白质在应对通常与快速进化相关的环境应激源中发挥作用，这些发现不一定与衰老有关，即使很有趣。同样，激素活性（GO:0005179）似乎经历了快速进化(K一/K秒=0.37，带n个=77），但激素的变化可能与衰老以外的过程中的适应有关。事实上，来自GO类别的基因K一/K秒>1与不同的功能相关，包括通常与快速进化相关的过程，如免疫反应、生殖和发育，因此尚不清楚GO类别中的快速进化是否与衰老相关。

总的来说，之前发现人类和黑猩猩之间高度保守的与衰老相关的途径和机制包括拓扑异构酶，如TOP3B，JNK途径，包括MAPK8和MAPK9，IGF1，其受体IGF1R和IGFBP3，Sir2同源物SIRT1，TOR同源物FRAP1，TP53，热休克蛋白（GO:0003773），如HSPA1B，HSPA8，HSPA9B，HSP90AA1和HSPD1、组蛋白去乙酰化酶（GO:0004407），如HDAC1和HDAC3，泛素循环（GO:0006512），如SUMO、UBB、UBE2I和UCHL1。完整结果可在线获取(http://genomics.sensense.info/evolution/chimp.html).

3.2. 不同模型中与衰老相关的基因受到不同的选择力

如前所述，GenAge以不同模型系统中与衰老相关的基因为特征，包括来源于从酵母到啮齿动物、细胞模型和前体综合征等生物体的基因，尽管可能存在一些重叠。因此，我们研究了在不同的模型系统中，不同的进化压力是否作用于与衰老相关的基因(表3). 有趣的是，在非人类哺乳动物中，与衰老直接相关的基因(n个=21）和人类(n个=3）平均值最高K一/K秒比率（分别为0.33和0.47），而非哺乳动物模型（通常是无脊椎动物）中与衰老相关的基因的平均值最低K一/K秒比率（0.083）。较高的平均值K一/K秒非人类哺乳动物（通常是啮齿动物）中与衰老相关的基因比例可能是由一些基因造成的，例如警告和巴西航空公司1因为如果排除这两个基因的平均值K一/K秒这一类别的比率降至0.19。同样在非人类哺乳动物中，与过早衰老相关的基因也稍高K一/K秒比率（0.34；n个=16）比与寿命延长相关的基因（0.27；n个=6），但这似乎是由于巴西航空公司1和警告在前者中。与细胞衰老模型相关的基因也非常低K一/K秒比率（0.11）。最后，我们发现，与鼠相比，原始人类没有明显的加速进化迹象，除了哺乳动物中与衰老有关的基因，这些基因可能再次受到一些基因的影响，例如巴西航空公司1和警告.

表3

通过选择过程对GenAge类别进行操作的选择性部队。

GenAge类别一n个K一/K秒第页-值高b条第页-值低b条n个四向比较c（c）K一/K秒原始人类K一/K秒在murids人类AA差异。d日平移AA差异。d日
人类三0.4720.0170.9920.460.2248
哺乳动物210.3310.0026190.320.20910
模型220.08314.6东至07140.0690.102三
细胞140.10915.7E−460.0680.1921
功能性的550.1840.990.017220.0940.1184
上游250.13811.1E−3150.180.2192
下游460.09717.6东至16280.0850.0802217
假定的560.15912.3东至4380.150.131619
一与衰老相关的基因基于：人类=基因产物与人类衰老直接相关的证据；哺乳动物=非人类哺乳动物模型生物体中基因产物与衰老直接相关的证据；模型=非哺乳动物动物模型生物体中基因产物与衰老直接相关的证据；细胞=在细胞模型系统中直接将基因产物与衰老联系起来的证据；功能性=将基因产物与与衰老相关的途径或机制联系起来的证据；上游=基因产物与先前与衰老相关的基因的调控直接相关的证据；下游=表明基因产物在与衰老相关的途径、机制或其他基因产物的下游发挥作用的证据；推测=将基因产物与衰老联系起来的间接或非决定性证据。
b条这种二项式概率并不是用来直接拒绝没有经历快速（概率高）或缓慢（概率低）进化的给定GenAge类别的零假设，而是提供了一个指标来识别可能经历快速或缓慢进化的类别。测试统计阈值设置为0.001（见材料和方法）。
c（c）K一/K秒原始人的比率基于四向排列，因此预计与K一/K秒如前所述，比率仅基于黑猩猩和人类的排列(黑猩猩测序和分析协会，2005年).
d日氨基酸差异（AA diff）表示估计在人类体内发生的氨基酸变化(人类)或者黑猩猩(平移)血统。

我们还查看了K一/K秒基因比率(n个=14）与人类寿命或老年人生存有关，因此可能与健康老龄化有关。平均值K一/K秒比率为0.16，没有明显证据表明高于或低于平均值K一/K秒比率。这些基因都没有K一/K秒比率>1。最强的异常值是SIRT3型用一个K一/K秒=0.85（但K一/K我=0.42）和APOC3型用一个K一/K我=1.19（但K一/K秒= 0.35). 完整的结果可在线获取(http://genomics.sensecence.info/evolution/hypemp.html).

根据使用人类恒河猴、人鼠和人鼠基因对的选择聚类对GenAge数据集进行的分析与使用人类黑猩猩基因对获得的上述结果基本一致。例如，低等生物和细胞模型中与衰老相关的基因通常具有较低的K一/K秒哺乳动物中与衰老相关的基因的比例。

3.3. 节段性进展综合征相关基因的进化

如上所述，我们在GenAge基因中发现了积极选择或快速或加速进化的有限证据。除了巴西航空公司1目前尚不清楚自人类和黑猩猩分化以来，GenAge中是否有任何基因经历了正向选择。然而，我们想评估与人类早衰相关的基因是否也与人类谱系中的衰老进化有关。

突变导致与人类早衰最相似的三种基因是警告,ERCC8号机组、和LMNA公司，其中警告沃纳综合征基因是最引人注目的病例。其他可能被认为是节段性进展综合征的基因包括英国标准CL2,ERCC6号机组,NBN公司、和AGPAT2公司(马丁，1978年&2005;de Magalhaes，2005年). 我们未能在这些基因中的任何一种人或人中找到积极选择或快速进化的重要证据，除了警告.

在以下情况下警告，两个K一/K秒（0.91）和K一/K我（0.59）比率表明，自从人类和黑猩猩分化以来，该基因可能经历了快速进化。警告也有更高的K一/K秒原始人类的比率（0.75）比鼠类的比率（0.31）高，这可能表明原始人类进化加速，平均值更高K一/K秒人-恒河猴基因对（0.53）、人-小鼠基因对（0.32）和人-大鼠基因对（0.29）的比率。尽管这些结果可能是误报（见讨论），但它们表明警告人类谱系中的基因。以前，Clark等人（2003）报告说警告可能已经经历了人类血统的加速进化(第页= 0.028). 然而，通过人-黑猩猩-人蛋白质比对，我们发现了11种黑猩猩特异性蛋白质变化，但WRN中只有4种人类特异性蛋白质改变，加上2种不能归因于任何血统的变化。然而，由于黑猩猩基因组序列仍被认为是一个草案，其中的错误可能会人为地增加黑猩猩谱系特异性蛋白质变化的数量。

我们的结果和K一/K秒比率已纳入GenAge数据库(http://genomics.sensecence.info/genes/human.html)这可能有助于研究衰老的研究人员研究灵长类动物衰老相关基因的进化。他们可以在网上进一步获得(http://genomics.sensense.info/evolution/chimp.html).

4.讨论

为了理解导致人类衰老过程显著特征的遗传变化，需要多个灵长类基因组，因此我们的工作应被视为初步的或探索性的。我们用于识别导致物种寿命差异的基因的方法是新颖且有前途的，但其检测极限仍然局限于相对较强的信号(图1). 此外，到目前为止，这种大规模的全基因组分析仅在蛋白质编码区可行，但基因调控的差异可能也指明了物种在衰老过程中的差异，并且调控区、RNA基因甚至一些未知基因产物可能发生重要变化，而我们的方法无法检测到这些变化。尽管存在这些局限性，但我们的工作为模型系统中作用于与衰老相关基因的进化力提供了新的见解。

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使用我们的测试统计量作为序列长度和K一/K秒比率。黑色直线代表K一/K秒一个给定的蛋白质编码序列将被检测为正在经历快速进化的比率阈值。序列长度可以是单个基因或一组基因的串联序列（人类黑猩猩的平均基因对，仅包括蛋白质编码序列，约为1.4 kb），以对数标度绘制。灰色虚线为平均值K一/K秒所有人类黑猩猩基因对的比率（0.23）。K一/K秒比率假定为常数K秒同义和非同义位点相对于序列长度的比例是恒定的，这两个位点都是根据所有人类黑猩猩基因对的平均值进行估计的。

虽然我们在一些与衰老相关的基因和途径中发现了选择的证据，但我们强烈建议谨慎解释这些结果。例如，GO类别中的基因可能与与衰老无关的功能有关，因此任何快速进化的证据都可能反映出对另一个性状的选择（见下文）。一个潜在的有趣发现是DNA修复蛋白的假定快速进化。其他研究报告了DNA代谢基因中正选择的证据，包括ERCC8号机组，在最近的人类进化中(Wang等人，2006年). 这些结果可能与预测DNA修复/代谢基因在物种衰老差异中起作用的衰老假说有关（参见de Magalhaes，2005年;Martin，2005年). 另一方面，DNA修复基因的快速进化并不是长寿人类或原始人独有的，事实上，一些结果表明，与原始人相比，鼠类DNA修复基因进化速度更快(黑猩猩测序和分析协会，2005年). 更详细的研究包括几个哺乳动物基因组，有必要研究DNA修复/代谢基因的变化是否与衰老的进化有关。

总的来说，我们使用GenAge数据集的结果表明，至少在灵长类谱系中，模型系统中与衰老相关的基因往往处于净化选择和强于平均水平的功能约束之下。尽管在强烈功能约束下的基因可能在谱系特异性性状的进化中发挥作用，但我们发现，在原始人类或人类谱系中，几乎没有证据表明与衰老相关的基因加速进化。具有这种选择模式的基因往往具有哺乳动物之间保守的关键生物功能，这些进化力量通常保留现有的表型。然而，因为我们的工作是第一次探索作用于衰老相关基因和途径的进化压力，不同的解释可以被概念化，我们的结果并不能证明这些基因可能与人类衰老有关。当然，我们的分析可能无法检测到一个或几个基因的表型重要变化，甚至可能是调控区域的变化。例如，尽管我们没有发现线粒体电子传递链（GO:0006118和GO:0006120）快速进化的证据，但在类人猿灵长类动物中已经报道了其中一些蛋白质的快速进化(Grossman等人，2004年)，并且有人假设这代表了一种延长生命的适应(de Magalhaes，2005年b). 尽管是推测性的，但另一种假设是，与衰老有关的基因需要极其精确，因为它们可能具有其他功能，而且很微妙，迄今为止无法检测到导致人类寿命延长的变化。

除了GO类别的结果（可能会有不同的解释）外，我们发现几乎没有证据表明多种维护和维修机制得到了广泛优化，尽管这可能是由于我们分析中的局限性造成的。我们发现，在不同模型系统中，作用于与衰老相关基因的选择压力存在差异，例如观察到非哺乳动物模型生物中与衰老相关的基因比哺乳动物中与衰老有关的基因受到更强的功能约束，这是一种新颖的现象。这些结果可能反映出，在人类-黑猩猩基因对中，在非哺乳动物模型生物中，同源基因参与衰老的基因的整个进化过程中，具有较高的保守性。事实上，据报道，在模型生物中，人类AGIG相关基因同源物的比例高于预期(Budovsky等人，2007年). AGIG相关基因的高度保守性可能与其报道的高平均相互作用有关(Promislow，2004年;Budovsky等人，2007年). 我们的研究结果虽然只是探索性的，但似乎并不支持这样的假设，即大多数基因和机制都是模型生物研究的重点，它们很可能调节物种在衰老过程中的差异，至少在灵长类中是如此。即使迄今为止在模型系统中确定的衰老机制不能解释原始人之间衰老的差异，但这些机制在生物体之间可能是保守的，例如，作为将生殖和食物供应与衰老联系起来的保守机制的一部分(鹧鸪与宝石，2002). 换句话说，这些基因的生物学功能可能是与衰老的多效性效应相关的保守途径的一部分，这些多效性影响衰老的种内差异，但不调节衰老的种间差异。

正如引言中所提到的，我们在这项工作中的理论基础是现代进化论支持的概念（例如。，查诺夫，1993;Kirkwood和Austad，2000年)人类寿命延长和衰老延迟是直接选择压力的产物。然而，由于我们对灵长类动物衰老的遗传学知之甚少，我们不能排除其他选择。也许人类延缓衰老是选择作用于其他特征（如发育、生长或繁殖）的副产品。例如，一个假设是，在人类和黑猩猩分化后，自然选择可能主要作用于发展途径，以延长发育、生长和寿命(de Magalhaes and Church，2005年). 事实上，一种作用于发育、生长和衰老的机制是内分泌系统（参见麦金尼和麦克纳马拉，1991年;鹧鸪与宝石，2002;de Magalhaes，2005年;de Magalhaes and Church，2005年). 因此，激素的适应，甚至那些与发育和生殖有关的激素，可能会对衰老产生一些影响。与生长和发育相关的GenAge蛋白中人类特异性蛋白变化的比例较高，以及激素活性GO类别中推测的快速进化支持了这一观点。如果人类衰老延迟开始是人类发育延迟的副产品，那么模型系统中与衰老相关的基因可能会受到净化选择。

最后，我们的结果表明警告，一种突变导致表型类似于人类患者加速衰老的基因。我们的结果并不能证明警告经历了适应性的变化，诚然可能是偶然的结果，因为警告编码一种具有1432个氨基酸的相对较大的蛋白质K一/K秒与编码较小蛋白质的基因相比，这些比率不太可能被夸大。此外，一个有趣的巧合是，与最令人印象深刻的人类孕激素综合征相关的基因是GenAge中最高的基因之一K一/K秒比率。人们很容易猜测警告也参与了灵长类和原始人类的衰老进化。由于人类和黑猩猩的分化，WRN的大多数蛋白质变化都是黑猩猩谱系特异性的，这使得WRN的蛋白质变化不太可能对人类寿命的进化做出贡献。这可能意味着警告与在MCPH1型在谱系的早期部分选择最明显的基因(Vallender和Lahn，2004年). 灵长类和哺乳动物进化过程中WRN蛋白变化的分析值得进一步关注。

补充材料

01

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致谢

作者感谢David Reich和Joana Costa对之前草案的评论，感谢Steve Elledge和教会实验室成员的宝贵讨论。J.P.de Magalháes由NIH-NHGRI CEGS向G.M.Church拨款支持。

脚注

出版商免责声明：这是一份未经编辑的手稿的PDF文件，已被接受出版。作为对客户的服务，我们正在提供这份早期版本的手稿。手稿在以最终可引用的形式出版之前，将进行编辑、排版和校对。请注意，在制作过程中可能会发现可能影响内容的错误，适用于该期刊的所有法律免责声明都适用。

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