分子进化与病毒进化(共23页)

1、分子(fnz)进化与病毒进化武汉大学(w hn d xu)基础医学院 赵旻本章(bn zhn)内容提要1. 进化总论2. 分子进化的模式3. 病毒的起源与进化第一节 进化总论进化含有连续变化的意思，而这种变化又带有定向的成分，进化即朝一定方向变化的趋势。生物从共同祖先由低级到高级，由简单到复杂逐步分化演变的过程叫进化（evolution)。一.生物进化的证据1.古生物进化的证据 化石 同位素衰变2.比较解剖学证据 同源器官 homologue organ 是指具有不同的功能和外部形态，但却有相同的基本结构的器官。如：蝾螈和鳄的前肢；鸟类的翅和哺乳类 的前肢以及人的手臂。同源器官在构造及发育上的

2、一致性说明这些动物起源于共同的祖先，具有相似的遗传基础。 1肱骨；2尺骨和桡骨；3腕骨和掌骨；4指骨3.胚胎学证据 从鱼类、两栖类、爬行类、鸟类到哺乳类和人，它们的早期胚胎很相似，都具有鳃裂和尾。这说明脊椎动物也具有共同的祖先，它们均来自用鳃呼吸、有尾的水栖动物祖先，而人类则是从有尾的动物发展而来的。4.免疫学证据 根据抗原抗体沉淀反应的强弱程度，确定不同生物之间的亲疏关系。1964年，Linus Pauling提出分子进化理论DNA & RNA: 4种碱基；蛋白质分子：20种氨基酸发生在分子层面的进化过程：DNA, RNA和蛋白质分子基本假设：核苷酸和氨基酸序列中含有生物进化历史的全部信息细

3、胞色素C 细胞色素C是一个具有104112个氨基酸的多肽分子，从进化上看，它是很保守的分子。不同生物的细胞色素C中氨基酸的组成和顺序反映了这些生物之间的亲缘关系。 根据细胞(xbo)色素C分子中氨基酸顺序的差异，可以得知这一分子的基因核苷酸顺序的差异，依此也同样反映出不同生物(shngw)之间的亲缘关系。在细胞(xbo)色素c中，根据差异的程度，推算它们在进化过程中分歧的时间。大概每2千万年，有1%的氨基酸残基发生替换。在哺乳动物与爬行动物104个氨基酸中，平均有14.3个的差异（占13.7%）。可算出哺乳类从原始兽形爬行类分歧的时间为2.74亿年，这与古生物学上的资料完全相符；陆生脊椎动物与

4、鱼类的细胞色素c中，平均有18.5个氨基酸（占17.8%）的差异，那么两者分歧的时间应为3.56亿年。 16S rRNA 通过比较真核细胞 rRNA的核苷酸顺序和“真细菌”、“古细菌”的 rRNA核苷酸顺序，发现它们之间截然不同，表明真核细胞不是来自原核细胞，而是远在原核细胞生成之前，真核细胞就已和原核细胞分开而成独立的一支，即“早真核生物”，它才是现代真核生物的始祖。(1) Tree of Life: 16S rRNAMitochondrial DNAOut of Africa2.获得性状遗传学说 法国拉马克(Lamarck,17441829)，科学进化论的创始者。他认为生命是连续的，物种是

5、变化的，环境改变是物种变化的原因。 主要思想：“用进废退” 。即生物在环境的直接影响下，经常使用的器官逐渐发达，不使用的器官 逐渐退化，这种后天获得的性状可以遗传下去。 环境条件的变化决定了变异的方向，因此称作“定向变异”，同时定向变异又是生物对环境的一种适应，即变异适应，称为“一步适应”。3.自然选择学说（达尔文主义） 英国博物学家华莱士（Wallace)，1858年提出了生物进化的见解，和达尔文结论如出一辙。 英国人达尔文（ Charles Darwin)，1859年出版了一书。为达尔文主义打下了坚实的基础。达尔文进化论学说：（1）遗传和变异 有遗传物种才能稳定存在；有变异生物界才会绚丽多

6、彩，即世界上没有两个生物个体是完全相同的，并且这种变异是随机产生的，是可遗传的变异。（2）繁殖过剩 各种生物都有极强大的生殖力。但是自然界中各种生物的数量在一定时期内都会保持相对稳定。（3）生存斗争(shngcnduzhng) 生物存在(cnzi)着繁殖过剩现象，出现了生存斗争。 种内斗争(du zhng)；种间斗争；生物与非生物之间的斗争（4）适者生存 生物体普遍存在着遗传和变异，其中有利变异得到保存，对生存不利的变异遭受淘汰，出现适者生存。变异是随机的，是没有方向的，只有通过定向的选择，才能保存有利变异，以适应环境。即：变异选择适应，称为“二步适应”。 总之，通过一代代的生存环境的选择作用

7、，物种变异被定向地向着一个方向积累，于是性状逐渐和原来的祖先种不同了，这样就演变成了新种，即变异的选择和积累则是生命多样性的根源。 第二节 分子进化的模式1. 从物种的一些分子特性出发，构建系统发育树，进而了解物种之间的生物系统发生的关系 tree of life; 物种分类2. 大分子功能与结构的分析：同一家族的大分子，具有相似的三级结构及生化功能，通过序列同源性分析，构建系统发育树，进行相关分析；功能预测3. 进化速率和程度分析：例如，HIV的高突变性；哪些位点易发生突变？分子进化的理论自然选择理论1. 阳性选择（适应性进化，达尔文进化）：固定有益的等位基因；保持多态性。 DNA分子显著出

8、现非同义替代，改变编码蛋白质的氨基酸组成，并产生新的功能2. 阴性选择（净化选择）：清除有害突变；DNA分子的同义替代显著，较少改变蛋白质的氨基酸组成，其原来的功能高度保守中性理论 阳性选择：少有； 阴性选择：普遍存在； 中性进化：普遍存在；同义替代与非同义替代比例相当，突变不好不坏，不改变或轻微改变蛋白质的功能4 分子钟 分子钟（molecular clock）是以某一进化事件作为划分时间的刻度，并以此判定其他进化事件出现的时间。 具体地说，根据不同生物DNA序列、同源蛋白质的氨基酸序列的差异，结合其他资料（如有同位素年龄的化石记录）就可从时间上表示出分子的进化速度。 如果这一速度在相当长的

9、地质时间内是相对恒定的，利用已知的不同生物的同源蛋白质的氨基酸差异，对照已知的有关进化事件发生的具体时间，就可按简单的比例关系估计出其他进化事件发生的时间。 分子进化速率取决于蛋白质或核酸等大分子中的氨基酸或核苷酸在一定时间内的替换率。每年每个氨基酸置换(zhhun)频率为0.35 X 10-9个，是个常数(chngsh)。 两个物种在同一蛋白分子中的氨基酸相异的数目即发生置换(zhhun)的数目，与该两种生物分歧的时间成正比。不同蛋白质的进化速率很不一样。例如，每变换1的氨基酸残基所需的时间：血纤维蛋白肽约是 120万年；血红蛋白约 610万年；细胞色素c约 2000万年。 血红蛋白、 Mt

10、DNA 、核DNA 、病毒DNA拥有不同进化速率。用MtDNA的基因中的同义置换的频率来计算进化速度要比用核基因快7倍，于是MtDNA便成为测定分子进化速度的更方便更合理的“分针，核DNA则为时针，病毒的进化速度被比喻为分子钟的秒针。分子模式DNA序列的进化演变氨基酸序列的进化演变密码子进化选择同义与非同义的核苷酸替代DNA 序列的进化 1. DNA突变的模式：替代，插入，缺失，倒位2. 核苷酸替代：转换 (Transition) & 颠换 (Transversion)3. 基因复制：多基因家族的产生以及伪基因的产生A. 单个基因复制 重组或者逆转录 B. 染色体片断复制 C. 基因组复制 D

11、NA序列间核苷酸的差异越少，分化时间越短；同一祖先序列衍生的两条后裔序列间分化的简单测度就是两条后裔序列不同核苷酸位点的比例。 (1) DNA突变的模式(2) 核苷酸替代：转换 & 颠换转换：嘌呤被嘌呤替代，或者嘧啶被嘧啶替代颠换：嘌呤被嘧啶替代，或者嘧啶被嘌呤替代基因复制：单个基因复制基因复制：染色体片段复制基因复制：基因组复制(2) 同源性分析-功能相似性Ortholog (直系同源物)：两个基因通过物种形成的事件而产生，或，源于不同物种的最近的共同祖先的两个基因，或者两个物种中的同一基因，一般具有相同的功能Paralog (旁系同源(tn yun)物)：两个基因在同一(tngy)物种中，

12、通过至少一次基因(jyn)复制的事件而产生Xenolog (异同源物)：由某一个水平基因转移事件而得到的同源序列Convergent evolution: 通过不同的进化途径获得相似的功能，或者，功能替代物(3) HIV protease: 高突变性Ka/Ks 1, 强的正选择压力，具有很高的可突变性氨基酸序列的进化氨基酸序列较核苷酸序列更为保守，对年代跨度大的进化分析大多采用氨基酸序列数据；对于编码蛋白质的基因序列对齐排列时可能需要借助氨基酸序列的校正；氨基酸置换模型比核苷酸置换模型简单。密码子偏好及相应分析密码子(codon): 在随机或者无自然选择的情况下，各个密码子出现频率将大致相等密

13、码子偏好：各个物种中，编码同一氨基酸的不同同义密码子的频率非常不一致可能的原因：密码子对应的同功tRNA丰度的不同系统发育分析软件介绍相关软件Phylip软件包介绍由华盛顿大学遗传学系开发，免费的系统发育分析软件包。目前最广泛使用的系统发生分析程序，主要包括以下几个程序组：分子序列组，距离矩阵组，基因频率组，离散字符组，进化树绘制组。访问及免费下载地址： HYPERLINK /phylip.html /phylip.html获得的结果文件中，文本文件outfile3显示如下：树文件outtree3.tre用TREEVIEW软件打开显示： 第三节 病毒的起源与进化提纲病毒的基础知识病毒的起源病毒

14、或遗传物质从它的前身大分子中独立出来进行自主复制和进化的时候,称为病毒起源。当病毒获得了决定自身繁殖和命运的遗传信息量时，它就获得了新的分类地位成为独立的遗传元件。无论是病毒还是类病毒都不具有独立进行生物合成的能力，它们都是细胞的寄生物，因此在进化上病毒的出现不可能早于细胞；病毒能在种间传递核酸序列，因而它在生物进化上起着重要作用。现今流行的进化顺序观点是： 生物大分子 细胞 病毒认为病毒是细胞的演化产物，其主要论据与论点为： 病毒的彻底寄生性; 有些病毒（如腺病毒）的核酸与哺乳动物细胞 DNA某些片段的碱基序列十分相似。（癌基因） 病毒可以看做是DNA与蛋白质或RNA与蛋白质形成的复合(fh

15、)大分子，与细胞内核蛋白分子有相似之处。由此推论：病毒(bngd)可能是细胞在特定条件下“扔出”的一个基因组，或者是具有复制与转录能力的mRNA。这些(zhxi)游离的基因组，只有回到它们原来的细胞内环境中才能进行复制与转录。二、病毒的起源一）退化性起源（二）起源于宿主细胞中的RNA和（或）DNA成分（三）起源于具有自主复制功能的原始大分子病毒的进化病毒与机体相互作用常见病毒进化分析病毒是高度进化的生物，并且仍在不断地进化，由于病毒的大小和形态对基因组的限制，它们演化成最经济、有效的生命形式之一病毒一般只编码从宿主细胞中不能得到的功能,除功能基因外很少浪费基因组序列病毒的结构在进化过程中演变得

16、具有双重功能:蛋白质外壳一方面保护病毒在环境中的稳定性,另方面保证病毒进入细胞后能迅速脱掉外壳进行复制病毒的分类:单纯以DNA为遗传物质的病毒生活不同阶段以DNA和RNA为遗传物质的病毒单纯以RNA为遗传物质的病毒朊病毒 一般认为它们有着不同的起源和不同的进化.意义通过研究现存的病毒,希望了解病毒的起源和进化历程,预示病毒特别是人类病原病毒未来的变异和进化方向。了解随着环境因素的变化,病毒将如何变异、变异的速度、选择压力等,从而能有效地控制和避免人类和动物病毒病的爆发。病毒起源(一）退化性起源学说支持证据:一些中间型的细胞内寄生物,如立克次体，衣原体；麻风杆菌；也可解释线粒体、叶绿体的寄生原因

17、退化原则：仅保留维持自主复制的核酸、调控蛋白、与宿主生物体和复制相互作用的功能。（二）宿主细胞中RNA和(或)DNA成分的起源学说病毒独立需要条件： 复制的起始位点； 保护性蛋白外壳，使它们能在细胞外环境中存在； 对于RNA病毒，它们还需要(xyo)复制酶。1、类病毒(bngd)和卫星病毒的起源2、质粒、插入(ch r)子和转座子（DNA病毒）3、RNA病毒起源于可自主复制的 mRNAs4、反转子（ Retron）（逆转录病毒）1、类病毒和卫星病毒的起源 可能是细胞RNA获得复制原点后进化产生的类病毒是很小的杆状RNA分子，由200-400bp组成，无衣壳。在核内增殖，利用宿主细胞RNA聚合酶

18、进行复制。卫星病毒的RNA分子大小与类病毒相似，1002000 bp， 具有蛋白外壳。 植物病毒（多数） 噬菌体或动物病毒（少数）二者都完全依赖于宿主进行复制。 2、质粒、插入子和转座子质粒（Plasmid）是存在于细菌细胞质中独立于染色体而自主复制的共价、封闭、环状双链DNA分子，其自主复制所需的必要条件与病毒一样。含有抗性基因、质粒与宿主DNA进行整合和交换的基因插入子和转座子加快进化速率 转座子是大小为750-40, 000bp的DNA分子，可从DNA的一个位点转移至另一位点，是由位于转座子两端的插入子介导。 插入子带有20-40bp的反向重复序列，中间编码转座酶。 有利于病毒复制和细胞

19、间转移基因。转座的三种类型：复制性转座、简单转座（非复制性转座）、含有RNA中间体的复杂型复制转座3、 RNA病毒起源于可自主复制的mRNAs一般认为RNA病毒起源独立于DNA病毒。细胞mRNA获得了自我复制的能力，这种自我复制的mRNA一旦获得了编码壳蛋白的基因，一个简单的RNA病毒就诞生了。4、反转子（Retron）Retron 是在一种古细菌（介于原核生物和真核生物之间的第三类生物）中发现的遗传单元，它是仅含一个基因（逆转录酶）并且能自我复制的一段核酸分子，具有重要的基因捕获功能。Retron msDNA 从细胞捕获envelope基因 有包膜的反转录病毒(retrovirus) DNA

20、 病毒的产生（三）病毒起源于具有自主复制功能的原始大分子的学说首先是RNA的形成和复制，然后演变出RNA-蛋白介导的一系列反应，最后产生了DNA。 DNA由于比RNA稳定而最终成为遗传信息。RNA的反应性有利于它作为(zuwi)催化物而不利于它成为遗传物质。 有些分子被包装在细胞和组织中，形成宿主细胞，另一些分子则自我复制或寄生(jshng)在宿主细胞中，进化成为病毒。 这一理论认为病毒与宿主是共进化的。现今的类病毒和卫星RNA，仍保留有部分的RNA催化性能，因而被一些(yxi)学者认为是生命形式出现以前的RNA世界的化石。总而言之，病毒起源是复杂和多元化的，不同病毒有着不同的起源，至少在DN

21、A病毒和RNA病毒之间是如此，随着更多研究资料的积累，相信我们会获得更多的新证据。 目前基本的共识，那就是病毒是一个可动遗传单元，在相应的条件下进行细胞之间的定位传递。作为大分子物质，病毒起源实际就是生物大分子的起源，是当今生命科学中最重要的命题之一。三、病毒的进化 1、研究病毒进化的复杂性病毒极小,无法用常规的进化生物学方法研究进化; 病毒不像其他生物有“化石”或“遗体”可供进化研究之用; 病毒的进化有一定的随机性, 很难从病毒的现状或短暂时间内病毒演变的情况, 来推论出病毒演变的过去和未来。2、病毒进化的基础 变异是病毒进化的基础 突变（mutation）重组（recombination）

22、重排（reassortment） 基因重复（gene duplication突变 主要是指单个碱基的替换、插入或缺失。不同病毒的变异频率差异很大。变异性差异反映了寄主范围的差异。突变往往产生小的替代、插入或缺失，这是病毒的微观进化（microevolution），是病毒“准种”形成的原因。 如果环境变化大，病毒的突变率就高；如果环境稳定，病毒就进入相对稳定阶段。RNA 病毒的高突变率可以看成是一种进化策略。 重组 是复制时不同遗传株的核苷酸链间交换遗传信息片段的过程，可分为同源重组和非同源重组。在实验中能检测到的同源重组率相对较高，但实际发生的非同源重组可能比检测到的要高。 重组是宏观进化 (

23、macroevolution) ，病毒通过重组可以获得新的基因，增加对寄主的适合度，使有益性状得以产生和传播，使有害性状得以清除。 病毒(bngd)突变率高的原因：（1）突变(tbin)、重组和重排；（2）病毒(bngd)在短时间内能复制许多代；（3）在高感染复数条件下，会产生一些缺陷型病毒。细胞基因、转基因等对病毒进化的影响 a、病毒基因与细胞基因的重组 病毒和其寄主中表达的一些基因可能发生许多重组，进而产生毒性更强的新变株(种) 。如：含有28S 核糖体RNA 序列插入的流感病毒变株、含有泛素编码序列的牛病毒性腹泻病毒等的毒性均发生变化。丁型肝炎病毒(HDV)可能是由近于类病毒的祖先和一个

24、寄主基因重组进化来的。许多致癌的反转录病毒也是通过重组俘获寄主基因，进而产生毒性更强的新变株（种） 。 b、病毒基因与转基因的重组 转基因与缺陷型病毒间可以重组，重组后恢复活性。 如：花椰菜花叶病毒（CaMV） 的1841 株系本来不能侵染茄科植物，但该株系获得转基因序列后，改变了所致症状，并能侵染某些茄科植物。c、入侵病毒对病毒进化的影响 缺失的黄瓜坏死病毒RNA和番茄丛矮病毒RNA均不能自主复制，但二者混合接种植物或原生质体产生了嵌合重组体, 该重组体可以侵染植物。这表明如果植物在自然条件下受两种或多种病毒的侵染可能会产生新的病毒。 异源重组在竞争中处于劣势，因而多不能存活病毒进化的基本特

25、征 1）“新”病毒不断产生，而且基本上是从另一种宿主的病毒演化而来。 病毒 自然宿主 人流感病毒的亚型 禽、猪、马 汉坦病毒 （出血热病毒） 啮齿类（老鼠） 登革热病毒 蚊子 埃博拉病毒 猴 人类免疫缺陷病毒 灵长类（2） 新病毒产生后，在新的宿主以较快的速度进行变异，充分增加其多样性。（3） 新病毒稳定后，病毒的毒力大多处在中等水平上（具有选择优势）。 （4） 病毒的进化既有一定的随机性，又受到一定的选择(xunz)压力而呈现一定的方向性和稳定性。 （5） 病毒(bngd)的各个基因以及基因的各个部分，在进化上具有不同的进化特征。 如：流感病毒外壳蛋白和内部蛋白病毒(bngd)进化的根本目的

26、病毒进化的根本目的是增加病毒的多样性。通过跨宿主转移的方式是较为快速、高效扩增病毒多样性的方式，比完全产生一个新病毒更容易，也有利于病毒在更广泛的宿主环境中进行数量上的扩增和种类上的发展。病毒的多样性一开始在宿主体内发展较快。新病毒稳定后,病毒的毒力大多处在中等水平。病毒进化的研究方法病毒基因组特别小,进化快,受干扰因素少, 是一种研究进化问题的很好材料。研究病毒的进化的方法：通过序列同源性、基因组排列顺序、基因组的基因组成等方面构建病毒的进化树。 单基因的进化树并不一定代表病毒的进化树，多个基因串联所获得的进化树比单基因的进化树具有更好的稳定性。 研究基因组成的演化对揭示基因的起源及病毒与宿

27、主之间的关系具有重要意义。（1）病毒核酸序列测定PCR 扩增、纯化后可直接测序，用于序列分析。（2）查找相似的序列采用BLAST 服务器检索, 可查找不同来源病原体的相似序列（3）计算序列的同源性大小并制作进化树一组相关病毒的进化史称为种系发生, 常以分叉的进化树表示 两个枝端的毒株在其起点处有着共同的祖先。毒株的亲缘关系的远近以树枝的长短表示。进化树的推导受多种因素的影响：一方面由于快速测序技术的发展, 毒株序列数据积累很多, 样本越多它们之间种系关系中可能的排列组合方式呈指数增加, 从中可能推导出的树的种类就越多, 这就给分析工作增加了难度。另一方面毒株的样本收集不全也会使得出的进化树与真

28、实的情况有差异。根据遗传距离推导进化树：是最经典的方法, 最初用于分类学的研究。它由不同毒株的核苷酸序列的差异推导出两毒株的遗传距离, 再由多组遗传距离数据推导出种系发生关系。7、DNA、RNA病毒的变异与进化 影响病毒基因组产生进化的主要力量是突变和重组。由于病毒变异频率快、短时间能复制许多代、会产生一些缺陷性病毒,导致病毒变异快. 变异导致病毒生物功能的巨大变化.从而改变了病毒与宿主细胞的关系(gun x),面对新宿主的选择压力成为迫使病毒进化的原因之一。意义(yy)1.研制(ynzh)减毒活疫苗 。2.应用于基因工程。是利用病毒表面抗原的基因，以制备疫苗或诊断用抗原。如乙型肺炎病毒编码表

29、面抗原的DNA片段已在酵母菌中表达；探索病毒作为基因工程载体的可能性，以治疗人类遗传疾病或创造动物新品种的目的。DNA病毒的进化由于基因组大小的限制所产生的进化约束基因的倍增:病毒的外壳对病毒的基因组的大小产生了限制,而病毒基因组上很少有非编码序列存在.许多基因家族是靠基因倍增和漂移所产生,但因基因组缺少空间,这类基因会在病毒进化中丢失。非必需基因:病毒通过非必需基因进化出一种导致免疫反应弱化的机制,使子代病毒的产量提高,从而达到长期慢性或持续性生长.如腺病毒的E3糖蛋白基因.RNA病毒的进化RNA病毒可以看作是一类特殊的mRNA分子 正链病毒:基因组能直接翻译成蛋白质，不含蛋白质的基因组有感

30、染性。 负链病毒:基因组为mRNA的互补链能，必须先转录才能翻译。 双链病毒 根据序列的同源性，RNA病毒被组合成几个超家族 同一家族的不同病毒被视为来源于同一祖先。 RNA病毒在进化史上可能只有一次起源，目前所有的RNA病毒可能是由一个原始的病毒经过分化、重组、基因复制而产生的数据表明:RNA病毒的进化速度比宿主的进化速度快主要是它的突变频率比宿主细胞大约高4个数量级快速变异率使得人们推断,现存的具有复制蛋白序列同源性的动、植物RNA病毒在进化上相互分离的时间要远晚于植物与动物分离的时间RNA病毒变异与进化的主要原因是突变,特别是点突变.此外还有缺失突变和重排多数RNA聚合酶不具备错误修复能

31、力.错误发生率高突变基因组的存在有利于病毒迅速适应各类变化着的环境两个具有分段基因组的病毒在产生子代病毒时将其遗传物质重新组合,称重排。重排是具有分段基因组的病毒进化的一个机制。在进化中,随着条件不同,病毒有时可以分散形成分段基因组,有时又可组成单一基因组,前者的优势是可以借助重排方便地进行遗传交换,而后者的优势是能将包含所有遗传信息的单一RNA分子便利地包装和运输。重组是两种不同来源的序列经过共价组合形成新的核酸序列.RNA 病毒重组现象并不普遍。四、病毒与机体相互作用进化关系对于病毒来说，基因突变的产生(chnshng)，实际上依然是由于在病毒感染过程中，病毒与宿主细胞的相互作用所形成的选

32、择诱导效应。病毒(bngd)的进化，无论其是有利于病毒的生存，还是不利于病毒的生存，或者增加病毒毒力还是减弱病毒毒力，均取决于它与宿主细胞、个体、群体相互作用的感染过程。对某些病毒而言，这类突变引起的表型变化并不明显，但对另外一些病毒，这类突变引起的表型变化极为显著(xinzh)，它常常形成直接的病毒抗原性、毒力的改变，其中最典型的例子就是流感病毒。1、病毒识别细胞受体能力的进化 病毒要感染细胞，其首要的前提条件就是结合到细胞膜上。由于病毒的表面结构较为简单，必须寻找一个相应的位于细胞表面的结合分子，也就是通常说的受体。 例如：流感病毒的受体为细胞膜表面的唾液酸分子。实际上就是蛋白分子与另一个

33、（后者可以是蛋白分子、多糖分子等）在结构构象上的对应关系，而形成空间上的相互接近，并在氢键、范德华力的作用下完成的结构结合过程。在病毒壳蛋白中的一个氨基酸的改变可以影响病毒与受体的识别，以致改变病毒的组织嗜性甚至改变其病理结果。仅能感染灵长类动物的脊髓灰质炎病毒l型Mahoney株的壳蛋白中制造一个氨基酸的突变。就可以使其能够感染啮齿类动物的小鼠。在HIV的病原学研究发现，对于HIV的来源，一个倾向性的共识就是由于猿猴免疫缺陷病毒 (SIV)在偶然的情况下感染人体后，经过人T细胞或其他细胞后发生较大的变异，形成了能够识别人CD4受体及其他趋化素受体的能力，最终形成了HIV。病毒在受体识别及结合

34、能力上的进化，对于病毒整体上与宿主相互作用后导致的全面进化，对病毒的新种的形成，对病毒感染宿主的扩大、组织嗜性的改变等都极为重要。 2、病毒进化与免疫逃逸 由于病毒结构上与受体结合的结构部位通常都是免疫学中的中和抗体所涉及的主要抗原表位，因此，这个部位在与受体结合过程中的改变也必然形成免疫逃逸效应，即机体中曾经针对此抗原表位形成的中和性抗体将对该病毒的再次入侵失去中和能力，从而使病毒在受体识别及结合能力上的变化演变为病毒在宿主群体中感染能力的变化。 免疫系统对病毒的反应 天然免疫系统，它包括多种非特异性的细胞和杀伤性因子，是在病毒侵入机体后立即做出应急反应的系统; 获得性免疫系统，它包括特异性

35、的杀伤细胞、识别辅助细胞、特异性抗体、免疫记忆性细胞等，是在病毒初次入侵后能够加以认识形成特异性反应，并在病毒再次入侵时立即识别并加以反应性清除的系统。 由此构成的对病毒的选择压力通常称为免疫选择。进化理论和实验分析表明，病毒在这样的免疫选择之下形成的本能反应就是逃避宿主(szh)的免疫防卫。这种逃避的主要方式就是利用病毒基因中序列突变的多样性。这种方式在一些病毒(如流感病毒和包括(boku)HIV在内的逆转录病毒(bngd)家族)表现出极其典型的特征。 同时，作为病毒免疫反应中重要的一部分，细胞免疫反应也以抑制病毒在机体内增殖的方式对病毒的进化形成相应的免疫选择作用。而病毒也以一种未知的方式

36、反馈作用于机体细胞免疫系统，二者的相互作用形成了病毒在其复制及感染病理学特性上的改变和细胞免疫性状的改变。 一种由不断变异病原导致的疾病一种最易传播、最难控制的疾病一种常横扫全球肆虐人类的疾病一种最善变早期难于诊断的疾病不同型流感病毒抗原变异的差异：甲型流感病毒的抗原变异极为频繁，种类繁多乙型流感病毒有抗原变异，但较少丙型流感病毒没有抗原变异抗原变异的意义：逃避人群免疫主要变异的抗原：- 表面抗原HA（血凝素）的变异- 表面抗原NA（神经氨酸酶）的变异根据RNA片段变异幅度大小将抗原变异分为两类：- 抗原转换 （Antigenic Shift）- 抗原漂移 （Antigenic Drift）

37、每次全球大流行被认为是抗原转换的结果,每次局部小流行被认为是抗原漂移的结果.RNA组学及技术(jsh)生物信息(xnx)的传递中心法则(zhn xn f z)真核生物基因表达的调控DNA水平的调控 ( DNA regulation)转录水平的调控(transcriptional regulation)转录后水平的调控(post transcriptional regulation)翻译水平的调控(translational regulation)翻译后水平的调控(protein maturation)RNA组学 (RNomics)是研究细胞中snmRNAs的种类、结构和功能的科学。同一生物体内

38、不同种类的细胞、同一细胞在不同时间、不同状态下RNAs的表达具有时间和空间特异性。转录组学（transcriptomics）转录组是转录后的所有mRNA的总称。转录组学就是在基因组学后新兴的一门学科，即研究细胞在某一功能状态下所含mRNA的类型与拷贝数。基因组信息人：30,000； 果蝇Drosophila melanogaster (fly) 12,000 线虫Caenorhabditis elegans (worm) -14,000 人和鼠的蛋白质编码基因99%是共同的。 人个体间单倍体基因组的碱基差异300万个，其中1万个（0.3%）出现在蛋白质编码基因中，且绝大多数存在于密码(m m)

39、子的第3字母（密码的兼并性）。 98%转录物是非编码(bin m)蛋白RNA。RNA的种类及主要(zhyo)功能Ribosomal RNAs (rRNAs): translationTransfer RNAs (tRNAs): translation Messenger RNAs (mRNAs): protein templateNoncoding RNAs(ncRNAs): various types and functions非编码RNA的名称与缩写符号Noncoding RNAs (ncRNAs,in eukaryotes)Small RNA (sRNA, in bacteria)Sma

40、ll nuclear RNAs (snRNAs)Small nucleolar RNAs (snoRNAs)MicroRNA (miRNA)Small temporal RNAs (stRNAs) 小RNASmall interfering RNAs (siRNAs)RNA interference (RNAi)Guide RNAs (gRNAs)tRNA/mRNA (t/mRNA)随着人类基因组计划的初步完成，接下来的问题是这些基因的功能是什么、不同的基因参与了哪些细胞内不同的生命过程、基因表达的调控、基因与基因产物之间的相互作用、以及相同的基因在不同的细胞内或者疾病和治疗状态下表达水平等等

41、。因此，在人类基因组项目后，转录组的研究迅速受到科学家的青睐。转录组与基因组的区别与基因组不同的是，转录组的定义中包含了时间和空间的限定。同一细胞在不同的生长时期及生长环境下，其基因表达情况是不完全相同的。人类基因组包含有30亿个碱基对，其中大约只有2.5万个基因转录成mRNA分子，转录后的mRNA能被翻译生成蛋白质的也只占整个转录组的40%左右。同一种组织表达几乎相同的一套基因以区别于其他组织，如：脑组织或心肌组织等分别只表达全部基因中不同的30%而显示出组织的特异性。RNA分子的作用可能具有决定性意义RNA分子是生物多样性的重要体现者之一医学应用转录组谱可以提供什么条件下什么基因表达的信息

42、，并据此推断相应未知基因的功能，揭示特定调节基因的作用机制。通过这种基于基因表达谱的分子标签，不仅可以辨别细胞的表型归属，还可以用于疾病的诊断。 例如：阿尔茨海默病(Alzheimersdiseases,AD)中，出现神经原纤维缠结的大脑神经细胞基因表达谱就有别于正常神经元，当病理形态学尚未出现纤维缠结时，这种表达谱的差异即可以作为分子标志直接对该病进行诊断。同样(tngyng)对那些临床表现不明显或者缺乏诊断标准的疾病也具有诊断意义， 自闭症：目前对自闭症的诊断要靠长达十多个小时的临床评估才能做出判断。基础研究证实自闭症不是由单一基因引起(ynq)，而很可能是由一组不稳定的基因造成的一种多基

43、因病变，通过比对正常人群和患者的转录组差异，筛选出与疾病相关的具有诊断意义的特异性表达差异，一旦这种特异的差异表达谱被建立，就可以用于自闭症的诊断，以便能更早地，甚至可以在出现自闭症临床表现之前就对疾病进行诊断，并及早开始干预治疗。转录组的研究应用于临床的的另一个例子是可以将表面上看似相同的病症分为多个亚型，尤其是对原发性恶性肿瘤( xng zhng li)，通过转录组差异表达谱的建立，可以详细描绘出患者的生存期以及对药物的反应等等。反义技术导入特定的反义核酸反义RNA核酶（ribozyme）使RNA失活转录和翻译水平核酶(ribozyme)具有酶促活性的RNA称为核酶1982年，美国Thom

44、as Cech 在研究四膜虫rRNA自我剪接时发现，同时加拿大的Sidney Altman 发现RNase P分子中的RNA组分有催化活性；1989年分享了Noble 化学奖。核酶研究的意义核酶的发现，对中心法则作了重要补充；不仅拓宽了生物催化剂的领域，对传统酶学形成挑战；而且对RNA的生物学功能开创了一种历史性的新认识：RNA不仅具有储存和传递遗传信息的功能，而且还具有生物催化剂的功能，在一定程度上可以说，RNA一身兼有DNA和蛋白质两大类生物大分子的功能。利用核酶的结构设计合成人工核酶 RNA干扰 一些小的双链RNA可以高效、特异地阻断体内特定基因表达,促使RNA降解,诱使细胞表现出特定基

45、因缺失的表型,称为RNA干扰(RNA interference, RNAi,也译作RNA干预或者干涉)。RNAi的生物学意义RNAi是植物、果蝇、线虫和很可能包括哺乳动物在内的许多生物抵抗病毒感染和限制转座子运动的一种自然存在的防御机制。RNAi可以作为一种简单、有效的代替基因敲除的遗传工具，来制备特定基因缺失表型的个体, 从而研究该基因的功能.它正在功能基因组学领域掀起一场真正的革命,并将彻底改变这个领域的研究步伐,为此被SCIENCE评为2002年最重要的科研成果之一。在哺乳动物细胞中用siRNA (2123核苷酸长的小分子干扰片段(small interfering RNAs, siRN

46、As)。能高效阻断某个特定基因的表达,这项技术在疾病的基因治疗上也有光明的应用前景。特别可以用于阻断某些突变基因的表达,或者由蛋白过量表达引起的疾病。RNA干扰现象的发现 线虫中首次发现了RNAi ： 首次发现dsRNA能够导致基因沉默的线索来源于秀丽新小杆线虫(Caenorhabditis.elegans)的研究。1995年康乃尔大学的研究人员Guo和Kemphues尝试用反义RNA (antisense RNA)去阻断par1基因的表达以探讨该基因的功能,结果反义RNA的确能够阻断基因的表达,但是奇怪的是,注入正义(zhngy)链RNA(sense RNA)作为对照,也同样阻断了基因的表达

47、。 这个(zh ge)奇怪的现象直到3年后1998才被解开华盛顿卡耐基研究院的Andrew Fire和马萨诸塞大学癌症(i zhn)中心的Craig Mello首次将双链dsRNA正义链和反义链的混合物注入线虫,结果诱发了比单独注射正义链或者反义链都要强得多的基因沉默。将体外转录得到的单链纯化后注射线虫时,基因抑制效应变得十分微弱,而经过纯化的双链能够高效地特异性阻断同源基因的表达。实际上每个细胞只要很少几个分子的双链已经足够完全阻断同源基因的表达。后来的实验表明在线虫中注入双链不单可以阻断整个线虫的同源基因表达,还会导致其第一代子代的同源基因沉默。他们将这种现象称为干扰。 共抑制现象的发现

48、研究的早期线索早在20年前,来自于美国和荷兰的两个转基因植物实验组,在对矮牵牛(petunias)进行的研究中有个奇怪的发现:将一个能产生色素的基因置于一个强启动子后,导入矮脚牵牛中,试图加深花朵的紫颜色,结果没看到期待中的深紫色花朵,多数花成了花斑的甚至白的。这种现象命名为共抑制(cosuppression),因为导入的基因和其相似的内源基因同时都被抑制。开始这被认为是矮牵牛特有的怪现象,后来发现在其他许多植物中,甚至在真菌中也有类似的现象。Quelling现象 并非只有植物学家才注意到了这种意外的现象。意大利的Cogoni等,将外源类胡萝卜素基因导入链孢霉(Neurosporacrassa

49、),结果转化细胞中内源性的类胡萝卜素基因也受到了抑制。而在真菌转基因实验中这种共抑制现象被称为“quelling”。 随后几年,另外几个植物学家也发现了类似的现象。如Santa等,将番茄病毒复制所需的复制酶基因导入烟草中,以阻断病毒的生活周期而控制病毒的生长,但有些烟草表现出抗病毒的特性,而另外一些则相反。随后,在植物病毒实验中也观察到共抑制现象,并发现共抑制具有抗病毒功能。基因沉默 转录阶段基因沉默(transcriptional gene silencing, TGS)：对于部分植物来说,转基因引发的基因沉默可能是因为基因特异的甲基化而导致,这被称为转录阶段基因沉默. 转录后发生的基因沉默

50、(post transcriptional gene silencing, PTGS)Hamilton等,率先在发生PTGS的西红柿中检测出与被沉默基因同源的约25nt 的短片段,而未发生的西红柿则不能检出25nt的RNA在果蝇(Drosophila)中发现i Berstein E, Nature 2001,409(6818):363-366在拟南芥中发现i Wassnengger M, plant Mol Biol, 1998,37(2):349-362 在小鼠中发现i Wianny F , Nat cell Biol,2000 ,2 (2):70-75RNAi 在哺乳动物(brdngw)细

51、胞中的研究 最近, u等在实验中发现(fxin)哺乳动物细胞中同样存在RNAi 效应。他们将一种特殊构建的 siRNA （对称性3突出2nt约21nt）双链复合物通过(tnggu)阳离子脂质体转入不同的哺乳动物细胞中,包括细胞和人胚肾293细胞等,观察到了可重复的,序列特异性的 RNAi 。 siRNA的序列专一性要求非常严谨,与靶之间一个碱基错配都会显著削弱基因沉默的效果。可诱发哺乳动物细胞内的干扰素系统,它能激活两种酶,一种为蛋白激酶,激活的通过一系列的磷酸化使翻译起始因子2失活,导致翻译抑制。在另外一个途径中,长激活, 致非特异的RNA降解。 2002年5月,美国科学家Lindenbac

52、h等报道,采用21个核苷酸双链形成双链RNA,加入到感染艾滋病病毒的细胞中, 24后,可减少艾滋病病毒基因表达90%以上, 这种双链可阻断艾滋病病毒感染培养的细胞。7月Novina等用RNAi 技术实现了HIV1病毒的阻抑。 2002年7月4日,自然杂志又介绍了美国科学家McCaffrey将合成的双链和通过载体将双链形成小发夹状的双链直接注入鼠的肝脏,并将肝炎病毒与标志基因相连后感染鼠肝脏,这种双链或双链发夹状对标志基因的表达抑制分别达到81%和92.8%,表明这两种双链均可明显地抑制成体鼠肝脏内导入的肝炎病毒基因的表达。许多实验都证明利用RNAi可以直接和有效地起到抗病毒的作用。 21的双链

53、复合物在哺乳动物细胞中干预成功为基因作用的研究提供了一种新的工具,原来要花费6个月至一年的时间才能明确一个哺乳动物细胞基因如何关闭,现在只需一个星期就能明确10个基因的关闭,使工作进程大大加快。可以预见,作为一种快速关闭基因的途径,将会越来越多地用于哺乳动物基因研究。 遗传学通过基因突变筛选技术在基因水平肯定线虫中共抑制、和分享共同的基因,具有相同的作用形式,即介导的靶基因沉默。导入不仅使线虫、果蝇、小鼠和人细胞中相应基因表达抑制,也在植物中表现出同样效果,甚至把注射到线虫、锥体虫的体腔中,远距离组织及1代也可以产生同源基因抑制,同样在植物韧皮部注射可遍及扩散到整个植株体产生;,把线虫浸润到含

54、有液体中或喂养表达的工程菌也可以诱发,而在植物中把吸附在表面500基因片段的金属片插入到植物中,在侵入点周围组织发生了基因沉默。因此,普遍存在于各种生物,具有抗病毒、稳定转座子及监控异常表达的生物学功能 。MicroRNA (miRNA)miRNA基本信息miRNA（MicroRNAs）： 是一种大小约2024个碱基的单链小分子RNA，是由具有发夹结构的约70-80个碱基大小的单链RNA前体(pre-miRNA)经过Dicer酶加工后生成。 miRNA是Science2002年十大科技突破之首；最早被发现的miRNA是线虫中的let-7 和lin-4。 miRNA的生成miRNA的转录(zhu

55、n l)是在RNA 聚合酶II的作用下转录出pri-miRNA, 它的长度可由数百个到数千个核苷酸. 在动物中miRNA经历两步加工过程产生出成熟的miRNA：1、通过Drosha酶（ 一种(y zhn)RNaseIII）将pri-miRNA两侧的序列切掉，释放出一段约70个核苷酸左右包含茎环结构的前体，称为pre-miRNA；2、 pre-miRNA在另外(ln wi)一种RNaseIII酶Dicer 的作用下产生成熟的miRNA。 果蝇Dicer 需要 ATP, 人类一般不需要。例如：miRNA的作用机制miRNAs参与基因表达调控，但其机制区别于siRNA。它通过与其目标mRNA分子的3

56、端非编码区域(3-untranslated-region, 3 UTR)互补匹配导致该mRNA 分子的翻译受到抑制。miRNA与靶mRNA的作用模式1、线虫的lin-4为代表，二者不完全互补结合时，主要阻遏翻译过程而对mRNA的稳定性无任何影响。目前这种最多。2、 以拟南芥miR39/miR171为代表，二者完全互补配对，类似siRNA与靶mRNA的结合，特异性的切割mRNA。如3、以let-7 果蝇/线虫为代表，上述两种模式均具备。当其与靶mRNA完全互补配对时，直接靶向切割mRNA，而不完全互补配对时起调节基因翻译的作用。miRNA的表达具有组织特异性和阶段特异性：在不同组织中表达有不同类

57、型的miRNA,在生物发育的不同阶段里有不同的miRNA表达。在真核生物中miRNA是一类大的非编码RNA基因家族，约占基因组成分的1%，是转录组中的重要组成部分。多以单拷贝、多拷贝或基因簇等多种形式存在于基因组中，绝大部分定位于基因间隔区。其转录独立于其他基因，并不翻译成蛋白质。人体约30% 的基因受miRNA 的调控。一个miRNA可以结合多个靶基因，一个靶基因也可以受多个miRNA的调控，从而形成一个复杂的调控网络。miRNA 在各个物种间具有高度的进化保守性，并且在茎部的保守性更强；但在环部可以容许更多的突变位点存在。进化关系上可能的两种推论： siRNA是miRNA的补充 miRNA

58、在进化过程中替代了siRNAEpigenetic 表观遗传学目前认为miRNA与表观遗传学存在密切关系。表观遗传学是指不涉及遗传学的特异性遗传改变。基于非基因序列改变所致基因表达水平变化。1、DNA甲基化2、 RNA干扰3、组蛋白修饰4、染色质改型miRNA的数量(shling)？Human 至2006年已鉴定出326种miRNA，234个被证实，估计(gj)还有更多，有待于发现。C. elegance 116 miRNAs genes were cloned.Drosophila melanogaster 124 miRNA genes were cloned.补充(bchng)知识RNAi

59、（RNA interference） RNA干扰，一些小的双链RNA可以高效、特异的阻断体内特定基因表达，促使mRNA降解，诱使细胞表现出特定基因缺失的表型，称为RNA干扰（RNA interference，RNAi）。它也是体内抵御外在感染的一种重要保护机制。siRNA(small interfering RNAs)： 小干扰RNA ，一种短片段双链RNA分子，能够以同源互补序列的mRNA为靶目标降解特定的mRNA，这个过程也称为RNA干扰途径（RNA interference pathway）。siRNA与microRNA是两种序列特异性地转录后基因表达的调节因子，是小RNA的最主要组成部

60、分，它们的相关性密切，既具有相似性，又具有差异性。相同点 siRNAmicroRNA长度及特征都约在22nt左右，5端是磷酸基，3端是羟基 合成的底物miRNA和siRNA合成都是由双链的RNA或RNA前体形成的Dicer酶依赖Dicer酶的加工，是Dicer的产物，所以具有Dicer产物的特点 Argonaute家族都需要Argonaute家族蛋白参与蛋白RISC组分二者都是RISC组分RISC(RNA-induced silence complex) ，其功能界限不清晰，在介导沉默机制上有重叠作用方式都可以阻遏靶标基因的翻译，也可以导致mRNA降解，即在转录水平后和翻译水平起作用 进化关系