第8章 基因组进化的模式 3

1、变形虫变形虫古细菌古细菌真细菌真细菌鞭毛虫鞭毛虫草履虫草履虫粘液菌粘液菌接合菌接合菌担子菌担子菌子囊菌子囊菌褐藻褐藻红藻红藻绿藻绿藻裸子植物裸子植物苔藓苔藓双子叶植物双子叶植物海绵体海绵体棘皮动物棘皮动物线虫线虫环节动物环节动物节肢动物节肢动物脊椎动物脊椎动物软体动物软体动物扁形动物扁形动物原口动物原口动物单子叶植物单子叶植物真菌真菌植物植物动物动物原核生物原核生物原生生物原生生物原始脊索动物原始脊索动物生物的进化图示生物的进化图示分子水平分子水平分子生物学分子生物学细胞水平细胞水平DNA的进化单细胞多细胞细胞分化蛋白质的进化原始气体冷凝汇流成海洋火山爆发和闪电的能量使气体合成简单有机物溅到岩

2、石上的氨基酸聚合成肽链又重新回到水中各种大分子进化成原核细胞和真核细胞叠层石叠层石一、遗传系统的起源一、遗传系统的起源蛋白质起源说蛋白质起源说核酸起源说核酸起源说蛋白质起源说蛋白质起源说 三种非细胞生命形式三种非细胞生命形式 Prions 病毒病毒 类病毒类病毒 由于非细胞生命的存在，所以不能排除在由于非细胞生命的存在，所以不能排除在地球早期化学进化阶段有过非细胞的地球早期化学进化阶段有过非细胞的“大大分子状态分子状态”的生命形式的可能性的生命形式的可能性奥巴林的团聚体奥巴林的团聚体 ( (coacervate)coacervate)假说（假说（19241924）：用）：用蛋白质（白明胶）和多

3、糖（阿拉伯胶）混合得到团蛋白质（白明胶）和多糖（阿拉伯胶）混合得到团聚体聚体 福克斯用类蛋白质加热得到微球体福克斯用类蛋白质加热得到微球体S. Miller (1953)S. Miller (1953)的模拟实验的模拟实验澳大利亚陨石中发现澳大利亚陨石中发现(1959)(1959)氨基酸、嘧啶和脂肪氨基酸、嘧啶和脂肪酸酸米勒及其实验米勒及其实验（1953 1953 和和19911991） 用电击提供能量，从简单小分子可得到复杂大分子。生物分子形成的传统理论生物分子形成的传统理论？核酸起源说核酸起源说遗传学家遗传学家MullerMuller（2020年代）提出年代）提出“裸基因说裸基因说”（na

4、ked gene theorynaked gene theory）：）：生命发生从基因开始；生命发生从基因开始；T.CechT.Cech（8080年代）发现四膜虫年代）发现四膜虫PrePrerRNArRNA切下的内含切下的内含子具有酶的的活性（聚合和剪切作用），提示生命子具有酶的的活性（聚合和剪切作用），提示生命RNARNA起源的可能性起源的可能性SchusterSchuster（19841984）发现硅酸盐介导发现硅酸盐介导DNADNA合成的现象合成的现象H.F.NollerH.F.Noller（19921992）发现纯化的发现纯化的rRNArRNA有催化肽链合有催化肽链合成的功能成的功能

5、不论那种学说和支持它们的实验，都有不论那种学说和支持它们的实验，都有两个问题没有解决：两个问题没有解决：无法模拟最初原始的环境无法模拟最初原始的环境无法直接得到生命无法直接得到生命 有待于进一步的研究有待于进一步的研究1.1 RNA世界假说世界假说 “RNA世界世界” 假说假说 RNA是生命初期最关是生命初期最关键的分子，后来当键的分子，后来当DNA和蛋白质的功能远远和蛋白质的功能远远超过最初超过最初RNA的作用时，它才退到了次要地的作用时，它才退到了次要地位。位。 支持的证据：支持的证据： 核酶核酶的发现：的发现： 自我剪接自我剪接 催化切断其他催化切断其他RNA 催化肽键形成催化肽键形成

6、催化核苷酸合成催化核苷酸合成1.遗传系统的起源遗传系统的起源The Nobel Prize in Chemistry 1989Sidney AltmanThomas R. Cech1/2 of the prize1/2 of the prizeCanada and USAUSAYale University New Haven, CT, USAUniversity of Colorado Boulder, CO, USAb. 1939b. 1947for their discovery of catalytic properties of RNARNA World hypothesis 198

7、6，诺贝尔化学奖（，诺贝尔化学奖（ 1981）获得者）获得者 W. Gilbert提出提出“RNA世界世界”假说：假说： “生命起源生命起源 之某时期，生命体仅由一种高分子化合物之某时期，生命体仅由一种高分子化合物RNA组组成。遗传信息传递建立于成。遗传信息传递建立于RNA的复制，复制机理的复制，复制机理与当今与当今DNA复制机理相似，作为生物催化剂的、复制机理相似，作为生物催化剂的、由基因编码的蛋白质还不存在由基因编码的蛋白质还不存在”。The RNA World, Nature 319: 618 DNA拷贝出单链拷贝出单链RNA，然后，然后RNA被折叠成复被折叠成复杂的形状杂的形状 。RN

8、A的特性的特性 2羟基羟基化学性质较化学性质较DNA活跃，易突变，携带活跃，易突变，携带遗传信息能力不如遗传信息能力不如DNA；组成没有蛋白质复杂组成没有蛋白质复杂不如蛋白质结构多样，不如蛋白质结构多样，功能分子作用不如蛋白质；功能分子作用不如蛋白质；唯一既能携带遗传信息又可为功能分子的生物高唯一既能携带遗传信息又可为功能分子的生物高分子化合物。分子化合物。初始初始RNA分子分子新互补拷贝新互补拷贝自发多聚体化自发多聚体化初始模板初始模板核苷酸核苷酸早期早期RNA世界世界RNA分子的拷贝分子的拷贝 在RNA多聚酶进化之前，与RNA模板结合的核糖核酸能自发地聚合。这一过程很不精确，但可产生许多R

9、NA序列。中英联合实验室211.2 基因组的起源基因组的起源 RNA功能的分裂：功能的分裂： 蛋白质和蛋白质和RNA酶活的表现有何差异？酶活的表现有何差异？ DNA和和RNA相比作为遗传物质的优势？相比作为遗传物质的优势？编码编码RNA分子转变为第一个分子转变为第一个DNA分子分子第一个拷贝的第一个拷贝的DNA分子分子第一个拷贝的第一个拷贝的DNA分子分子 核苷酸核苷酸 脱氧核糖核苷酸脱氧核糖核苷酸T A C T 还原还原 dA dC dG G T A C dT dC dAT C G dC dG dARNA拷贝拷贝DNARNARNA世界向世界向DNA世界的过渡世界的过渡可可以概括为：地球上最以

10、概括为：地球上最早出现的生物大分子为早出现的生物大分子为RNA，RNA同时具有催化与同时具有催化与编码两种功能。编码两种功能。RNA可以催化肽键形成并合成蛋白可以催化肽键形成并合成蛋白质，此后质，此后RNA与蛋白质联手以与蛋白质联手以RNA为模板合成为模板合成DNA。这是一个关键的转变时期，生命世界的三大主要多这是一个关键的转变时期，生命世界的三大主要多聚分子，聚分子，RNA、蛋白质和、蛋白质和DNA的分工基本定形：的分工基本定形：RNA的编码功能由的编码功能由DNA取代，催化功能转移到蛋白取代，催化功能转移到蛋白质，质，RNA自身则称为传达遗传信息的中介分子。自身则称为传达遗传信息的中介分子

11、。1.3 生命三界生命三界真细菌真细菌古细菌古细菌真核生物真核生物共同祖先共同祖先古细菌的特点古细菌的特点:翻译和转录与真核生物相似，代谢系统与真细菌相似翻译和转录与真核生物相似，代谢系统与真细菌相似二、基因组进化二、基因组进化 3535亿年前原核生物（细胞结构）亿年前原核生物（细胞结构） 1414亿年前真核生物亿年前真核生物 9 9亿年前多细胞生物亿年前多细胞生物 6 6亿年前多细胞动物亿年前多细胞动物 3.53.5亿年前动物和植物类群确立亿年前动物和植物类群确立 40004000万年第一个类人猿诞生万年第一个类人猿诞生5000个基因个基因10000个基因个基因20000个基因个基因 基因结

12、构和功能的进化、新基因的起源基因结构和功能的进化、新基因的起源2.1 基因与基因组加倍基因与基因组加倍 整个基因组加倍整个基因组加倍： 增加基因组数目最快方式增加基因组数目最快方式 单个或成群基因加倍单个或成群基因加倍 单条或部分染色体加倍单条或部分染色体加倍 三体（三体（trisomy），某染色体多出），某染色体多出1个成员个成员 生长与发育造成严重影响，人类的唐氏综合症生长与发育造成严重影响，人类的唐氏综合症 全套基因组的加倍全套基因组的加倍 使基因数目急剧增加使基因数目急剧增加 同源多倍体：同源多倍体：减数分裂发生差错时使配子体含减数分裂发生差错时使配子体含2套染色体（双倍体配子），融合

13、产生套染色体（双倍体配子），融合产生同源多同源多倍体倍体 重复基因持续重复基因持续丢失丢失 突变不会对存活力造成严重影响突变不会对存活力造成严重影响 突变往往会造成基因的失活，成为突变往往会造成基因的失活，成为假基因假基因 偶而有一些突变会使加倍的基因具有新的功能，偶而有一些突变会使加倍的基因具有新的功能，对生物进化有所贡献对生物进化有所贡献不直接导致基因扩张，提供了产生新基因的可能不直接导致基因扩张，提供了产生新基因的可能 基因组重复所具备的基因组重复所具备的特别标志特别标志 成片的重复成片的重复基因基因 基因排列的基因排列的顺序相同顺序相同 进行同源性分析：氨基酸序列至少要有进行同源性分析

14、：氨基酸序列至少要有25%的一致性的一致性 确定它们在基因组中的位置确定它们在基因组中的位置 寻找重复基因群寻找重复基因群如何确定这些重复是单个基因加倍如何确定这些重复是单个基因加倍 or 整个基因组的重复？整个基因组的重复？ 从酵母基因组中鉴定了从酵母基因组中鉴定了376对基因对基因 组成组成55个重复基因群个重复基因群 每个重复基因群至少有每个重复基因群至少有3个基因排列次序相同个基因排列次序相同 重复区域跨越了重复区域跨越了50%的基因组的基因组 通过系统发生学分析、采用分子钟推测成对序通过系统发生学分析、采用分子钟推测成对序列差别的程度，表明加倍发生于列差别的程度，表明加倍发生于1亿年

15、前亿年前酵母基因组在酵母基因组在1亿年前经历了亿年前经历了1次完全的加倍次完全的加倍 植物基因组中的植物基因组中的异源多倍体异源多倍体 植物中新的基因亦可通过多倍体化获取（同源多植物中新的基因亦可通过多倍体化获取（同源多倍体与倍体与异源多倍体）异源多倍体） 2个不同物种之间杂交产生的个不同物种之间杂交产生的异源多倍体异源多倍体，也能产，也能产生可育杂种生可育杂种 亲缘上非常近似，含有许多共有的基因亲缘上非常近似，含有许多共有的基因 基因组加倍和种间基因转移的结合基因组加倍和种间基因转移的结合 酵母和植物中发现基因组加倍酵母和植物中发现基因组加倍 脊椎动物是否出现过全基因组的加倍脊椎动物是否出现

16、过全基因组的加倍？山羊草属的拟斯卑尔脱山羊草组山羊草属的拟斯卑尔脱山羊草组植物植物Species in Sitopsis section of Aegilops(SS)乌拉尔图小麦乌拉尔图小麦T.urartu(AA)野生二粒小麦野生二粒小麦T. dicoccoides (AABB)粗山羊草粗山羊草Ae. tauschii(DD)斯卑尔脱小麦斯卑尔脱小麦T. spelta(AABBDD)栽培二粒小麦栽培二粒小麦T. dicoccum(AABB)面包小麦面包小麦T. aetivum(AABBDD) 单个基因以及基因群加倍 在进化过程中经常出现 多基因家族，同一家族的不同成员最后均可追溯到最初的古老

17、基因组的某一祖先基因单个基因以及染色体区段加倍在进化过程中经常出现单个基因以及染色体区段加倍在进化过程中经常出现 加倍机制加倍机制 不等交换不等交换 同源染色体不等交换：位于同源染色体不同同源染色体不等交换：位于同源染色体不同位置的相似核苷酸序列之间发生的重组事件位置的相似核苷酸序列之间发生的重组事件 姐妹染色体之间的不等交换：与上述机制相姐妹染色体之间的不等交换：与上述机制相同，只是发生在同一染色体的同，只是发生在同一染色体的1对姐妹染色单对姐妹染色单体之间体之间 DNA放大：复制泡内放大：复制泡内2条子链条子链DNA之间发生之间发生不等交换，使不等交换，使1条链某一段序列加倍条链某一段序列

18、加倍重复序列重复序列同源染色体配对同源染色体配对重复重复C.DNA放大放大B.姐妹染色体之间的不等交换姐妹染色体之间的不等交换A.不等交换不等交换复制叉复制叉 某些基因重复并不产生多样性某些基因重复并不产生多样性 由相同或几乎相同的基因成员组成由相同或几乎相同的基因成员组成 rRNA，爪蟾，爪蟾500拷贝，序列完全相同拷贝，序列完全相同 阻止突变的累积，避免多样性的产生阻止突变的累积，避免多样性的产生人类人类Y染色体中染色体中25%的区段有重复发生，集中的区段有重复发生，集中在中部和端部。在中部和端部。1KB以上的重复序列是以上的重复序列是13.7% 基因与基因组的加倍是一个基因与基因组的加倍

19、是一个动态过程动态过程 重复基因出现后最初数百万年，温和选择压重复基因出现后最初数百万年，温和选择压力下氨基酸代换速率力下氨基酸代换速率45%，蛋白质创新，蛋白质创新 严格的自然选择期，氨基酸代换速率严格的自然选择期，氨基酸代换速率5% 5000万年内，万年内，90%的重复拷贝被淘汰的重复拷贝被淘汰 基因冗余：进化对保留的冗余基因类型是有基因冗余：进化对保留的冗余基因类型是有选择性的选择性的2.2 基因重排基因重排 具创新功能的蛋白质更多是通过现有基因的具创新功能的蛋白质更多是通过现有基因的重排产生，重排产生，功能域区段功能域区段重排。重排。中英联合实验室42外显子的特点：1、外显子形成的多肽

20、链独立结构域、外显子形成的多肽链独立结构域2、内含子的位置通常在两个相连的独立结构或功、内含子的位置通常在两个相连的独立结构或功能的多肽链编码序列之间能的多肽链编码序列之间3、与独立空间构型相关的氢键或者二硫键主要出、与独立空间构型相关的氢键或者二硫键主要出现在外显子编码的多肽链内部现在外显子编码的多肽链内部4、蛋白质中重复的多肽链产物总是和重复的结构、蛋白质中重复的多肽链产物总是和重复的结构功能相对应功能相对应5、非同源序列中，同源的外显子多肽链产物具有、非同源序列中，同源的外显子多肽链产物具有相似的多肽结构和功能。相似的多肽结构和功能。 功能域加倍功能域加倍：编码结构域的基因区段可因：编码

21、结构域的基因区段可因不等交换、滑序复制或其他引起不等交换、滑序复制或其他引起DNA序序列重复的方法增加拷贝。列重复的方法增加拷贝。加倍的结构域也可能发生突变，为蛋白质加倍的结构域也可能发生突变，为蛋白质提供新的活性。提供新的活性。功能域加倍功能域加倍增加基因长度，基因组进化的增加基因长度，基因组进化的普遍特点普遍特点CysAspPheLeuHisCys YHisZnCysAspPheLeuHisCys YHisZnNC987654321 Pol 基因转录因子TFA的基序组成，DNA结合功能域由9个重复的锌指组成，每个锌指基序各由1个外显子编码。功能域加倍功能域加倍功能域或外显子洗牌功能域或外显

22、子洗牌（domain shuffling / exon shuffling) ： 由不同基因中编码不同结构域的片段彼此由不同基因中编码不同结构域的片段彼此连接形成的全新编码序列。全新的结构组连接形成的全新编码序列。全新的结构组合，可为细胞提供完全不同的生物学功能。合，可为细胞提供完全不同的生物学功能。指形模块Kringle结构纤连蛋白组织血纤维蛋白溶酶原激活因子表皮生长因子生长因子功能域 组织血纤维蛋白溶酶原激活蛋白模块组织血纤维蛋白溶酶原激活蛋白模块功能域或外显子洗牌功能域或外显子洗牌使TPA刺激细胞增生使TPA与血纤维蛋白凝块结合使TPA与血纤维蛋白结合，激活TPA血纤维蛋白酶原3、内含子的起源、内含子的起源3.1群、群、群和群和群内含子的起源：群内含子的起源：大多数研究者都认为所有这3种可自我剪接的内含子起源于RNA世界。3.2 GU-AG内含子的起源内含子的起源 ： “内含子早起源”假说认为，内含子在生命起源的早期即已经存在，它们在真核生物的进化中逐步丢失。“内含子晚起源”假说认为，内含子在生命起源只是生命进化中较晚出现的时间，随后在真核生物中逐渐积累。 内含子内含子后起源（后起