基因组进化模式12-1

1、Xiaofang Xie College of Life ScienceFujian Agriculture and Forestry University E-mail:基因组的进化模式基因组的进化模式 基因组的起源基因组的起源RNARNA的世界的世界 新基因的获得新基因的获得倍增倍增 非编码非编码DNA与基因组的进化与基因组的进化 COLLEGE OF LIFE SCIENCE基基 因因 组组 进进 化化 起 源进 化基因组进化 生命的起源基因组起源 COLLEGE OF LIFE SCIENCE生生 命命 起起 源源上帝创造说自然发生说地球起源说外星起源说 COLLEGE OF LIFE

2、 SCIENCE COLLEGE OF LIFE SCIENCE“生命的起源自然发生说生命的起源自然发生说”成立的基本条件成立的基本条件 在地球形成初期的自然条件下，能够自发合成地球生命重要生物大分子。原始地球 COLLEGE OF LIFE SCIENCE最早的生化系统最早的生化系统 什么是生命？ 最早的生命形式是什么？ 勾勒 出与现有生命系统相似的生物大分子合成的地球化学过程， 生物大分子是如何从随机组合到有序组装， 显示部分生命相关的生化特性的 COLLEGE OF LIFE SCIENCE 遗传遗传/ /生命起源生命起源Q1:Q1:蛋白质？蛋白质？-不能自我复制不能自我复制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、合成多肽键、催化核苷酸合、合成多肽键、催化核苷酸合成等成等) )；2. 2. 具备生命分子的两种属性：以自身为模板具备生命分子的两种属性：以自身为模板-自我复自我复制，为遗传信息传递的载体；催化活性制，为遗传信息传递的载体；催化活性-表型作用表型作用 COLLEGE OF LIF

4、E SCIENCE特点：特点：（1）新链自发聚合（2）碱基配对不严谨，错配较多。 COLLEGE OF LIFE SCIENCE最初的生化系统可能以最初的生化系统可能以RNA为核心为核心原基因组原基因组(protogenome)： 由RNA组成的早期生命系统的基因组称为原基因组(protogenome) 特点：特点： 能自我复制并指导简单的生化反应的那些分子。这些反应可能包括释放自由能的能量代谢，如现在我们所看到的一样，是基于核糖核苷酸ATP和GTP磷酸-磷酸键水解之上的，并可能在脂膜中分室进行，形成最初的细胞样结构。 COLLEGE OF LIFE SCIENCE基因组的起源Q4: 具有核酶

5、活性的RNA，为何要被蛋白质 取代？可能：多肽链有更大的可塑性 /RNA碱基配对区段有较强的物理刚性+RNA分子短，限制其催化反应活性。先决条件：具有酶学活性的蛋白质的出现，并取代核酶的大多数功能。 COLLEGE OF LIFE SCIENCE编码编码RNA的两种进化可能的两种进化可能A.核酶可能进化成具有催化和编码双重功能核酶可能进化成具有催化和编码双重功能B.核酶合成一种编码分子核酶合成一种编码分子 COLLEGE OF LIFE SCIENCE基因组的起源Q5: 具有自我复制功能的RNA，为何要被DNA 取代？1.RNA的磷酸酯键受到2-OH基团的非直接效应稳定性差；2.转变容易： 核

6、糖核苷酸2-OH基团还原成脱氧核苷酸-在逆转录酶作用下，RNA-DNA.3.DNA更稳定。 COLLEGE OF LIFE SCIENCERNA基因组向DNA基因组的进化DNA基因组：稳定双链 COLLEGE OF LIFE SCIENCERNA-DNA世界过渡过程 (3部曲)1. RNA出现；2. RNA催化肽键形成/合成蛋白质；3. RNA与蛋白质共同催化以RNA为模板的 遗传物质合成新的稳定性高的遗传物 质-DNA COLLEGE OF LIFE SCIENCE基因组的进化模式基因组的进化模式新基因的获得新基因的获得 COLLEGE OF LIFE SCIENCE生命复杂程度与基因组复杂

7、程度的同步：生命复杂程度与基因组复杂程度的同步： 时间时间 生物类群生物类群 基因数量基因数量 35亿年前 原核生物 1000-2000 14亿年前 真核生物 10000 5亿年前 原始脊椎动物 40000（寒武纪末） COLLEGE OF LIFE SCIENCE基因组获得新基因的途径基因组获得新基因的途径 1. 基因加倍之后的趋异。（主要方式，Long M等，2003） 2. 外显子或结构域洗牌（19%） 3. 逆转录极其随后的趋异或重排 4. 外源基因水平转移(Ochman H等,2005) 5. 基因裂变和融合(Snel B等,2000) 6. 非编码序列转变为编码序列（Levine

8、MT等，2006） COLLEGE OF LIFE SCIENCE新基因的产生-基因与基因组加倍通过1-3完成：整个基因组（同源、异源多倍体脊椎有？）；单条/部分染色体；1. 单个/成群基因（多见，如：多基因家族）。 COLLEGE OF LIFE SCIENCE（1）、全基因组倍增）、全基因组倍增多倍体化多倍体化全基因组倍增全基因组倍增 COLLEGE OF LIFE SCIENCESynteny in Saccharomyces cerevisiae(WolfeShield 1997) COLLEGE OF LIFE SCIENCEModel of gene duplication（2）、

9、部分基因组倍增 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肌红蛋白-球蛋白-球蛋白212 GY AY人类人类珠蛋白基因进化过程中的基因复制人类珠蛋白基因进化过程中的基因复制 COLLEGE OF LIFE SCIENCE结构域重排结构域重排(domain shuffling):当功能域（或外显子）由不同基因中不同结构域的片段重新组合时，可形成一个全新的功能域，具有新的功能，为细胞提供完全不同的生物学功能。结构域倍增结构域倍增:编码结构域的基因区段通过不等位交换、复制滑移或

11、其他已提到的DNA序列倍增方式中的某一种被倍增，使基因变长。可能结果：蛋白更稳定或产生新的活性。 COLLEGE OF LIFE SCIENCE（3）. 外显子重排与蛋白质功能的实现外显子重排与蛋白质功能的实现 COLLEGE OF LIFE SCIENCE COLLEGE OF LIFE SCIENCE 功能域重排有何利用价值？ 体外蛋白质进化 (Coco，2001) COLLEGE OF LIFE SCIENCE体外蛋白质进化体外蛋白质进化 COLLEGE OF LIFE SCIENCE功能域重排的应用实例：功能域重排的应用实例： 头孢菌素酶可使细菌对抗生素艾内酰胺产生抗性。含有头孢菌素酶

12、基因的细菌通常能够忍受培养基中0.75 ug/ml的艾内酰胺。 以来自四种细菌:弗氏柠檬酸杆菌(Citrobacter freundii)，阴沟肠杆菌(Enterobacter cloacae)，肺炎克氏杆菌(Klebsiella pneumonia)和小肠结肠炎耶尔森氏菌(Yersinia enterocolitica)的头孢菌素酶基因为出发基因，酶基因的重排。其中效力最高的可对200ug/ml艾内酰胺产生抗性,是原值的250倍。 证明：通过定向进化可以显著改变酶的活性。 COLLEGE OF LIFE SCIENCE2、从其他物种获得新基因：异源多倍体化（Allopolyploidy） 在

13、植物中，可通过多倍化获得新基因。通常形成异源多倍体的两个物种关系密切，许多基因是共有的。但每个亲本都拥有一些对方不具有的基因，或至少是共有基因中的不同等位基因。 例如产面包小麦(Triticum aestivum)， COLLEGE OF LIFE SCIENCE动物的种间基因转移： 动物体的种间基因转移发生较困难，很难找到某一类水平基因转移(horizontal gene transfer)的例子。许多真核基因具有与古细菌或真细菌序列相关的特点，但这被认为是反映了真核细胞的内共生起源而不是在进化的较晚期获得基因。 但是，有证据表明，细菌基因随食物摄入而掺入真核基因组的情况比预想的普遍(Doo

14、little， l998)。 逆转录病毒和转座元件在动物种间的基因转移中起关键作用。 COLLEGE OF LIFE SCIENCEXiaofang Xie College of Life ScienceFujian Agriculture and Forestry University E-mail:非编码非编码DNA与基因组的进化与基因组的进化1、非编码、非编码DNA的扩张的扩张 真核生物，特别是高等真核生物基因组DNA的绝大部分是非编码序列，如人类基因组仅有1.5为编码顺序。 迄今为止，我们对非编码顺序的进化及其对基因组结构和表达的影响了解不多。大部分非编码DNA是以相当随意的方式进化。

15、 COLLEGE OF LIFE SCIENCE非编码非编码DNA的作用的作用 观点一：观点一：非编码DNA具有某种尚未识别的功能；例如 哺乳动物中位于基因3翻译区(3-UTR)的分散重复顺序MIR，它们与转录后调控有关(Lipmamn，1997)。Hughes(2000)也谈到哺乳动物重复顺序MIR可能参与mRNA的可变剪切及多聚腺嘌呤加尾，还可以提供蛋白质编码信息。 观点二：观点二：大多数非编码DNA实际上并无功能,基因组之所以能容忍其存在是因为选择压力并不作用于它们。 COLLEGE OF LIFE SCIENCE2、转座因子和基因组进化、转座因子和基因组进化 COLLEGE OF LI

16、FE SCIENCE 转座因子对基因组的整体进化方面的影响：转座因子对基因组的整体进化方面的影响： （1）最重要的是引起基因组重排，如缺失、 重复、倒位与移位。 后果： （a）多数造成基因的丢失或加倍等有害后果 (b) 少数会带来某些益处 例如有一对LINE-1因子在大约3500万年前 的一次重组引起-球蛋白基因的加倍，产 生了该基因家族中的Gr和Ar成员(Maeda 等，1986)。 COLLEGE OF LIFE SCIENCE（2）、改变基因的表达模式）、改变基因的表达模式 当转座的位点正好紧接在基因上游的控制区，由于破坏了原有基因DNA结合蛋白与调控顺序的结合或与转录起始复合物的互作，

17、可直接干扰或关闭下游基因的表达。（3）、转座因子中的启动子和增强子会对邻近基因的表达调控产生影响，使邻近基因的表达完全从属于由转座因子所确定的模式(McDonad，1995) COLLEGE OF LIFE SCIENCE 例：老鼠sep基因。 sep基因编码1个免疫响应蛋白，其组织专一性的表达由邻近逆转座因子中的增强子决定(Stavenhagn等，1988)。 COLLEGE OF LIFE SCIENCE（4）转座因子插入到基因中造成剪接模式的改变(Wang W等，2005)。（5）逆转录转座因子的转座以RNA为中介，通过转录产生的大量RNA可为逆转录转座提供合成cDNA的模板，由此发生爆

18、发式的转座事件，使基因组急剧扩张。 例： a 人类基因组约35的由逆转录转座因子组成， b 高等植物50以上的核基因组由逆转录转座因子 组成(Kumar等，1999)。 COLLEGE OF LIFE SCIENCE3、内含子起源 内含子发现于20世纪70年代 COLLEGE OF LIFE SCIENCE研究的热点：内含子起源研究的热点：内含子起源 （1）I群、群和群内含子多数人都认为所有这3种可自我剪接的内含子起源于RNA世界，并一直延续至今而未发生大的改变。 （2）在GT-AG内含子 GT-AG大量出现在真核生物基因组中，起源存在较大分歧。 COLLEGE OF LIFE SCIENCE

19、 内含子起源的主要假说内含子起源的主要假说： （1）“内含子早起源内含子早起源”假说假说(intron early) 内含子在生命起源的早期即已存在， 它们在真核生物的进化中逐步丢失。进化中逐步丢失。 （2）“内含子晚起源内含子晚起源”假说假说(intron late) 内含子起源只是生命进化中较晚出现的 事件，随后在真核生物中逐渐积累。逐渐积累。 COLLEGE OF LIFE SCIENCE “内含子早起源内含子早起源”假说：假说： 假说的依据：假说的依据： GT-AG内含子与型内含子相似，因此，认为在基因组起源的极早阶段型内含子即已产生了GT-AG内含子，并已在基因组中大量出现。(基因外

20、显子理论模型) 关键：关键：证明在进化的早期阶段内含子会从细菌基因组中丢失以及如何丢失。 薄弱点：薄弱点：内含子丢失时破坏基因功能的可能性很高。 COLLEGE OF LIFE SCIENCE基因外显子理论基因外显子理论 COLLEGE OF LIFE SCIENCE早期基因组短基因短基因多结构域、单亚单位蛋白内含子 “内含子晚起源内含子晚起源”假说假说 认为最初的基因是缺少内含子的，内含子这种结构是后来产生并在真核生物的早期侵入到基因组内部，随后在基因组中扩散。 假说的依据：假说的依据： GT-AG和型内含子的剪接方式之间存在相似性，因而有人认为可能型内含子从细胞器基因组中逃逸侵入到核基因组中并最终形成今天所见到的GT-AG内含子模式。 COLLEGE OF LIFE SCIENCE两种假说论证的关键：两种假说论证的关键： （1）对于“内含子早起源”假说： 来自不同种属的同源基因内含子所占据的位置应该相似，因为这些基因都来自具有内含子的祖先基因。 支持“内含子早起源”假说的早期证据来自动植物丙糖磷酸异构酶(triosephosphare isomer