基因組進(jìn)化模式12-1

1、Xiaofang Xie College of Life ScienceFujian Agriculture and Forestry University E-mail:基因組的進(jìn)化模式基因組的進(jìn)化模式 基因組的起源基因組的起源RNARNA的世界的世界 新基因的獲得新基因的獲得倍增倍增 非編碼非編碼DNA與基因組的進(jìn)化與基因組的進(jìn)化 COLLEGE OF LIFE SCIENCE基基 因因 組組 進(jìn)進(jìn) 化化 起 源進(jìn) 化基因組進(jìn)化 生命的起源基因組起源 COLLEGE OF LIFE SCIENCE生生 命命 起起 源源上帝創(chuàng)造說(shuō)自然發(fā)生說(shuō)地球起源說(shuō)外星起源說(shuō) COLLEGE OF LIFE

2、 SCIENCE COLLEGE OF LIFE SCIENCE“生命的起源自然發(fā)生說(shuō)生命的起源自然發(fā)生說(shuō)”成立的基本條件成立的基本條件 在地球形成初期的自然條件下，能夠自發(fā)合成地球生命重要生物大分子。原始地球 COLLEGE OF LIFE SCIENCE最早的生化系統(tǒng)最早的生化系統(tǒng) 什么是生命？ 最早的生命形式是什么？ 勾勒 出與現(xiàn)有生命系統(tǒng)相似的生物大分子合成的地球化學(xué)過(guò)程， 生物大分子是如何從隨機(jī)組合到有序組裝， 顯示部分生命相關(guān)的生化特性的 COLLEGE OF LIFE SCIENCE 遺傳遺傳/ /生命起源生命起源Q1:Q1:蛋白質(zhì)？蛋白質(zhì)？-不能自我復(fù)制不能自我復(fù)制Q2:DNA

3、?-Q2:DNA?-需要酶的共同存在需要酶的共同存在/ /催化催化Q3:RNA?-Q3:RNA?-可能可能1.1.具有催化活性（核酶具有催化活性（核酶=rRNA & tRNA=rRNA & tRNA）1980s disco.1980s disco.( (自我剪接、催化其它自我剪接、催化其它RNARNA、合成多肽鍵、催化核苷酸合、合成多肽鍵、催化核苷酸合成等成等) )；2. 2. 具備生命分子的兩種屬性：以自身為模板具備生命分子的兩種屬性：以自身為模板-自我復(fù)自我復(fù)制，為遺傳信息傳遞的載體；催化活性制，為遺傳信息傳遞的載體；催化活性-表型作用表型作用 COLLEGE OF LIF

4、E SCIENCE特點(diǎn)：特點(diǎn)：（1）新鏈自發(fā)聚合（2）堿基配對(duì)不嚴(yán)謹(jǐn)，錯(cuò)配較多。 COLLEGE OF LIFE SCIENCE最初的生化系統(tǒng)可能以最初的生化系統(tǒng)可能以RNA為核心為核心原基因組原基因組(protogenome)： 由RNA組成的早期生命系統(tǒng)的基因組稱為原基因組(protogenome) 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 能自我復(fù)制并指導(dǎo)簡(jiǎn)單的生化反應(yīng)的那些分子。這些反應(yīng)可能包括釋放自由能的能量代謝，如現(xiàn)在我們所看到的一樣，是基于核糖核苷酸ATP和GTP磷酸-磷酸鍵水解之上的，并可能在脂膜中分室進(jìn)行，形成最初的細(xì)胞樣結(jié)構(gòu)。 COLLEGE OF LIFE SCIENCE基因組的起源Q4: 具有核酶

5、活性的RNA，為何要被蛋白質(zhì) 取代？可能：多肽鏈有更大的可塑性 /RNA堿基配對(duì)區(qū)段有較強(qiáng)的物理剛性+RNA分子短，限制其催化反應(yīng)活性。先決條件：具有酶學(xué)活性的蛋白質(zhì)的出現(xiàn)，并取代核酶的大多數(shù)功能。 COLLEGE OF LIFE SCIENCE編碼編碼RNA的兩種進(jìn)化可能的兩種進(jìn)化可能A.核酶可能進(jìn)化成具有催化和編碼雙重功能核酶可能進(jìn)化成具有催化和編碼雙重功能B.核酶合成一種編碼分子核酶合成一種編碼分子 COLLEGE OF LIFE SCIENCE基因組的起源Q5: 具有自我復(fù)制功能的RNA，為何要被DNA 取代？1.RNA的磷酸酯鍵受到2-OH基團(tuán)的非直接效應(yīng)穩(wěn)定性差；2.轉(zhuǎn)變?nèi)菀祝?核

6、糖核苷酸2-OH基團(tuán)還原成脫氧核苷酸-在逆轉(zhuǎn)錄酶作用下，RNA-DNA.3.DNA更穩(wěn)定。 COLLEGE OF LIFE SCIENCERNA基因組向DNA基因組的進(jìn)化DNA基因組：穩(wěn)定雙鏈 COLLEGE OF LIFE SCIENCERNA-DNA世界過(guò)渡過(guò)程 (3部曲)1. RNA出現(xiàn)；2. RNA催化肽鍵形成/合成蛋白質(zhì)；3. RNA與蛋白質(zhì)共同催化以RNA為模板的 遺傳物質(zhì)合成新的穩(wěn)定性高的遺傳物 質(zhì)-DNA COLLEGE OF LIFE SCIENCE基因組的進(jìn)化模式基因組的進(jìn)化模式新基因的獲得新基因的獲得 COLLEGE OF LIFE SCIENCE生命復(fù)雜程度與基因組復(fù)雜

7、程度的同步：生命復(fù)雜程度與基因組復(fù)雜程度的同步： 時(shí)間時(shí)間 生物類群生物類群 基因數(shù)量基因數(shù)量 35億年前 原核生物 1000-2000 14億年前 真核生物 10000 5億年前 原始脊椎動(dòng)物 40000（寒武紀(jì)末） COLLEGE OF LIFE SCIENCE基因組獲得新基因的途徑基因組獲得新基因的途徑 1. 基因加倍之后的趨異。（主要方式，Long M等，2003） 2. 外顯子或結(jié)構(gòu)域洗牌（19%） 3. 逆轉(zhuǎn)錄極其隨后的趨異或重排 4. 外源基因水平轉(zhuǎn)移(Ochman H等,2005) 5. 基因裂變和融合(Snel B等,2000) 6. 非編碼序列轉(zhuǎn)變?yōu)榫幋a序列（Levine

8、MT等，2006） COLLEGE OF LIFE SCIENCE新基因的產(chǎn)生-基因與基因組加倍通過(guò)1-3完成：整個(gè)基因組（同源、異源多倍體脊椎有？）；單條/部分染色體；1. 單個(gè)/成群基因（多見(jiàn)，如：多基因家族）。 COLLEGE OF LIFE SCIENCE（1）、全基因組倍增）、全基因組倍增多倍體化多倍體化全基因組倍增全基因組倍增 COLLEGE OF LIFE SCIENCESynteny in Saccharomyces cerevisiae(WolfeShield 1997) COLLEGE OF LIFE SCIENCEModel of gene duplication（2）、

9、部分基因組倍增 Unequal crossing over: recombination between regions situated at different places on a pair of homologous chromosomes COLLEGE OF LIFE SCIENCEb、Unequal sister chromatid exchange: same as unequal crossing over, but involves a pair of chromatids from a single chromosome COLLEGE OF LIFE SCIENCEc

10、、Replication slippage: can amplify short regions COLLEGE OF LIFE SCIENCE800Ma500Ma200Ma40Ma肌紅蛋白-球蛋白-球蛋白212 GY AY人類人類珠蛋白基因進(jìn)化過(guò)程中的基因復(fù)制人類珠蛋白基因進(jìn)化過(guò)程中的基因復(fù)制 COLLEGE OF LIFE SCIENCE結(jié)構(gòu)域重排結(jié)構(gòu)域重排(domain shuffling):當(dāng)功能域（或外顯子）由不同基因中不同結(jié)構(gòu)域的片段重新組合時(shí)，可形成一個(gè)全新的功能域，具有新的功能，為細(xì)胞提供完全不同的生物學(xué)功能。結(jié)構(gòu)域倍增結(jié)構(gòu)域倍增:編碼結(jié)構(gòu)域的基因區(qū)段通過(guò)不等位交換、復(fù)制滑移或

11、其他已提到的DNA序列倍增方式中的某一種被倍增，使基因變長(zhǎng)?？赡芙Y(jié)果：蛋白更穩(wěn)定或產(chǎn)生新的活性。 COLLEGE OF LIFE SCIENCE（3）. 外顯子重排與蛋白質(zhì)功能的實(shí)現(xiàn)外顯子重排與蛋白質(zhì)功能的實(shí)現(xiàn) COLLEGE OF LIFE SCIENCE COLLEGE OF LIFE SCIENCE 功能域重排有何利用價(jià)值？ 體外蛋白質(zhì)進(jìn)化 (Coco，2001) COLLEGE OF LIFE SCIENCE體外蛋白質(zhì)進(jìn)化體外蛋白質(zhì)進(jìn)化 COLLEGE OF LIFE SCIENCE功能域重排的應(yīng)用實(shí)例：功能域重排的應(yīng)用實(shí)例： 頭孢菌素酶可使細(xì)菌對(duì)抗生素艾內(nèi)酰胺產(chǎn)生抗性。含有頭孢菌素酶

12、基因的細(xì)菌通常能夠忍受培養(yǎng)基中0.75 ug/ml的艾內(nèi)酰胺。 以來(lái)自四種細(xì)菌:弗氏檸檬酸桿菌(Citrobacter freundii)，陰溝腸桿菌(Enterobacter cloacae)，肺炎克氏桿菌(Klebsiella pneumonia)和小腸結(jié)腸炎耶爾森氏菌(Yersinia enterocolitica)的頭孢菌素酶基因?yàn)槌霭l(fā)基因，酶基因的重排。其中效力最高的可對(duì)200ug/ml艾內(nèi)酰胺產(chǎn)生抗性,是原值的250倍。 證明：通過(guò)定向進(jìn)化可以顯著改變酶的活性。 COLLEGE OF LIFE SCIENCE2、從其他物種獲得新基因：異源多倍體化（Allopolyploidy） 在

13、植物中，可通過(guò)多倍化獲得新基因。通常形成異源多倍體的兩個(gè)物種關(guān)系密切，許多基因是共有的。但每個(gè)親本都擁有一些對(duì)方不具有的基因，或至少是共有基因中的不同等位基因。 例如產(chǎn)面包小麥(Triticum aestivum)， COLLEGE OF LIFE SCIENCE動(dòng)物的種間基因轉(zhuǎn)移： 動(dòng)物體的種間基因轉(zhuǎn)移發(fā)生較困難，很難找到某一類水平基因轉(zhuǎn)移(horizontal gene transfer)的例子。許多真核基因具有與古細(xì)菌或真細(xì)菌序列相關(guān)的特點(diǎn)，但這被認(rèn)為是反映了真核細(xì)胞的內(nèi)共生起源而不是在進(jìn)化的較晚期獲得基因。 但是，有證據(jù)表明，細(xì)菌基因隨食物攝入而摻入真核基因組的情況比預(yù)想的普遍(Doo

14、little， l998)。 逆轉(zhuǎn)錄病毒和轉(zhuǎn)座元件在動(dòng)物種間的基因轉(zhuǎn)移中起關(guān)鍵作用。 COLLEGE OF LIFE SCIENCEXiaofang Xie College of Life ScienceFujian Agriculture and Forestry University E-mail:非編碼非編碼DNA與基因組的進(jìn)化與基因組的進(jìn)化1、非編碼、非編碼DNA的擴(kuò)張的擴(kuò)張 真核生物，特別是高等真核生物基因組DNA的絕大部分是非編碼序列，如人類基因組僅有1.5為編碼順序。 迄今為止，我們對(duì)非編碼順序的進(jìn)化及其對(duì)基因組結(jié)構(gòu)和表達(dá)的影響了解不多。大部分非編碼DNA是以相當(dāng)隨意的方式進(jìn)化。

15、 COLLEGE OF LIFE SCIENCE非編碼非編碼DNA的作用的作用 觀點(diǎn)一：觀點(diǎn)一：非編碼DNA具有某種尚未識(shí)別的功能；例如 哺乳動(dòng)物中位于基因3翻譯區(qū)(3-UTR)的分散重復(fù)順序MIR，它們與轉(zhuǎn)錄后調(diào)控有關(guān)(Lipmamn，1997)。Hughes(2000)也談到哺乳動(dòng)物重復(fù)順序MIR可能參與mRNA的可變剪切及多聚腺嘌呤加尾，還可以提供蛋白質(zhì)編碼信息。 觀點(diǎn)二：觀點(diǎn)二：大多數(shù)非編碼DNA實(shí)際上并無(wú)功能,基因組之所以能容忍其存在是因?yàn)檫x擇壓力并不作用于它們。 COLLEGE OF LIFE SCIENCE2、轉(zhuǎn)座因子和基因組進(jìn)化、轉(zhuǎn)座因子和基因組進(jìn)化 COLLEGE OF LI

16、FE SCIENCE 轉(zhuǎn)座因子對(duì)基因組的整體進(jìn)化方面的影響：轉(zhuǎn)座因子對(duì)基因組的整體進(jìn)化方面的影響： （1）最重要的是引起基因組重排，如缺失、 重復(fù)、倒位與移位。 后果： （a）多數(shù)造成基因的丟失或加倍等有害后果 (b) 少數(shù)會(huì)帶來(lái)某些益處 例如有一對(duì)LINE-1因子在大約3500萬(wàn)年前 的一次重組引起-球蛋白基因的加倍，產(chǎn) 生了該基因家族中的Gr和Ar成員(Maeda 等，1986)。 COLLEGE OF LIFE SCIENCE（2）、改變基因的表達(dá)模式）、改變基因的表達(dá)模式 當(dāng)轉(zhuǎn)座的位點(diǎn)正好緊接在基因上游的控制區(qū)，由于破壞了原有基因DNA結(jié)合蛋白與調(diào)控順序的結(jié)合或與轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的互作，

17、可直接干擾或關(guān)閉下游基因的表達(dá)。（3）、轉(zhuǎn)座因子中的啟動(dòng)子和增強(qiáng)子會(huì)對(duì)鄰近基因的表達(dá)調(diào)控產(chǎn)生影響，使鄰近基因的表達(dá)完全從屬于由轉(zhuǎn)座因子所確定的模式(McDonad，1995) COLLEGE OF LIFE SCIENCE 例：老鼠sep基因。 sep基因編碼1個(gè)免疫響應(yīng)蛋白，其組織專一性的表達(dá)由鄰近逆轉(zhuǎn)座因子中的增強(qiáng)子決定(Stavenhagn等，1988)。 COLLEGE OF LIFE SCIENCE（4）轉(zhuǎn)座因子插入到基因中造成剪接模式的改變(Wang W等，2005)。（5）逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座因子的轉(zhuǎn)座以RNA為中介，通過(guò)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的大量RNA可為逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座提供合成cDNA的模板，由此發(fā)生爆

18、發(fā)式的轉(zhuǎn)座事件，使基因組急劇擴(kuò)張。 例： a 人類基因組約35的由逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座因子組成， b 高等植物50以上的核基因組由逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座因子 組成(Kumar等，1999)。 COLLEGE OF LIFE SCIENCE3、內(nèi)含子起源 內(nèi)含子發(fā)現(xiàn)于20世紀(jì)70年代 COLLEGE OF LIFE SCIENCE研究的熱點(diǎn)：內(nèi)含子起源研究的熱點(diǎn)：內(nèi)含子起源 （1）I群、群和群內(nèi)含子多數(shù)人都認(rèn)為所有這3種可自我剪接的內(nèi)含子起源于RNA世界，并一直延續(xù)至今而未發(fā)生大的改變。 （2）在GT-AG內(nèi)含子 GT-AG大量出現(xiàn)在真核生物基因組中，起源存在較大分歧。 COLLEGE OF LIFE SCIENCE

19、 內(nèi)含子起源的主要假說(shuō)內(nèi)含子起源的主要假說(shuō)： （1）“內(nèi)含子早起源內(nèi)含子早起源”假說(shuō)假說(shuō)(intron early) 內(nèi)含子在生命起源的早期即已存在， 它們?cè)谡婧松锏倪M(jìn)化中逐步丟失。進(jìn)化中逐步丟失。 （2）“內(nèi)含子晚起源內(nèi)含子晚起源”假說(shuō)假說(shuō)(intron late) 內(nèi)含子起源只是生命進(jìn)化中較晚出現(xiàn)的 事件，隨后在真核生物中逐漸積累。逐漸積累。 COLLEGE OF LIFE SCIENCE “內(nèi)含子早起源內(nèi)含子早起源”假說(shuō)：假說(shuō)： 假說(shuō)的依據(jù)：假說(shuō)的依據(jù)： GT-AG內(nèi)含子與型內(nèi)含子相似，因此，認(rèn)為在基因組起源的極早階段型內(nèi)含子即已產(chǎn)生了GT-AG內(nèi)含子，并已在基因組中大量出現(xiàn)。(基因外

20、顯子理論模型) 關(guān)鍵：關(guān)鍵：證明在進(jìn)化的早期階段內(nèi)含子會(huì)從細(xì)菌基因組中丟失以及如何丟失。 薄弱點(diǎn)：薄弱點(diǎn)：內(nèi)含子丟失時(shí)破壞基因功能的可能性很高。 COLLEGE OF LIFE SCIENCE基因外顯子理論基因外顯子理論 COLLEGE OF LIFE SCIENCE早期基因組短基因短基因多結(jié)構(gòu)域、單亞單位蛋白內(nèi)含子 “內(nèi)含子晚起源內(nèi)含子晚起源”假說(shuō)假說(shuō) 認(rèn)為最初的基因是缺少內(nèi)含子的，內(nèi)含子這種結(jié)構(gòu)是后來(lái)產(chǎn)生并在真核生物的早期侵入到基因組內(nèi)部，隨后在基因組中擴(kuò)散。 假說(shuō)的依據(jù)：假說(shuō)的依據(jù)： GT-AG和型內(nèi)含子的剪接方式之間存在相似性，因而有人認(rèn)為可能型內(nèi)含子從細(xì)胞器基因組中逃逸侵入到核基因組中并最終形成今天所見(jiàn)到的GT-AG內(nèi)含子模式。 COLLEGE OF LIFE SCIENCE兩種假說(shuō)論證的關(guān)鍵：兩種假說(shuō)論證的關(guān)鍵： （1）對(duì)于“內(nèi)含子早起源”假說(shuō)： 來(lái)自不同種屬的同源基因內(nèi)含子所占據(jù)的位置應(yīng)該相似，因?yàn)檫@些基因都來(lái)自具有內(nèi)含子的祖先基因。 支持“內(nèi)含子早起源”假說(shuō)的早期證據(jù)來(lái)自動(dòng)植物丙糖磷酸異構(gòu)酶(triosephosphare isomer