生命起源与进化：03遗传系统的进化

1、第三章 遗传系统的进化遗传密码子的进化染色体的进化基因/基因组的进化蛋白质/蛋白质组的进化 人的其中4条染色体DNA 双螺旋图Nature vs. NurtureGeneChromosomeGenomeGenepool中心法则三联体密码体系是来源于“二联体密码”么？42=1643=64密码子第三个碱基的摇摆性一、遗传密码子的进化回顾：计算机CPU字长的变化1bit：开关2bit：复合开关4bit：与计算器相当8bit：PC机成为现实 6/7/9/10/12位机子的情况 IBM, DEC，同系列的机子也不兼容16bit：（DOS时代）32bit：现在64bit：即将最初的密码子一开始就是三联体密

2、码：二体密码 三体密码，需要替换整个翻译体系，与生物进化的规律不符合。密码子的进化规律：方法：研究tRNA的进化规律Dayhoff 发现(p48):不同生物的同种tRNA进化关联； 同种生物的不同tRNA看不出进化关系； CG含量远高于AUGNC GNYRNYRNNNNN(Y嘧啶，R嘌呤，N核苷酸)5-UCAG3-UPheSerTyrCysUPheSerTyrCysCLeuSer/ALeuSer/TrpGCLeuProHisArgULeuProHisArgCLeuProGlnArgALeuProGlnArgGAIleThrAsnSerUIleThrAsnSerCIleThrLysArgAMet

3、ThrLysArgGGValAlaAspGlyUValAlaAspGlyCValAlaGluGlyAValAlaGluGlyG三联体密码线粒体三联体密码A,C,G,TDNA is a 4-letter Text染色体显带技术a.G带，Giemsa染色可显示出富含 AT碱基对的DNA部分b.Q带，用 quinacrine mustard染色， 紫外灯下显色c. C带，显示出着丝粒异染色质d. R带，显示出富含GC碱基对的DNA部分。二、染色体的进化数目结构功能1、染色体数目的进化：同源多倍体与异源多倍体非整数倍体染色体融合人类23对染色体正常繁殖四倍体Cant breed with its pa

4、rent due to mismatch in chromosome number杂交小麦染色体融合染色体融合2、染色体结构的进化：(结构变异的形成)缺失(deficiency)重复(duplication)倒位(inversion)易位(translocation)缺失的形成断裂融合桥顶端缺失的形成(断裂)复制姊妹染色单体顶端断头连接(融合)有丝分裂后期桥(桥)新的断裂玉米缺失杂合体粗线期缺失环果蝇唾腺染色体的缺失圈缺失染色体的联会重复 duplication 重复是指染色体的片段出现多个拷贝。 重复往往可 改变基因剂量，可能造成表型的显著改变。重复的形成同源染色体的不等交换倒位的形成倒位杂

5、合体的“倒位圈”易位的形成易位杂合体粗线期十字形配对 人类二号染色体有一罗伯逊易位，在黑猩猩，大猩猩，猩猩中均无。 G带表明，人类发生罗伯逊易位的两条近端着丝粒祖先染色体在其他三类灵长类动物中仍然存在.3、染色体功能的进化：性别决定 性染色体从常染色体中分化出来三、基因与基因组的进化：内含子的起源与进化基因功能的分化和多功能新基因的起源基因组的进化基因是DNA分子中含有特定遗传信息的一段核苷酸序列，是遗传物质的最小功能单位对于编码蛋白质的结构基因来说，基因是决定一条多肽链的DNA片段现代分子生物学中基因的概念locus与site经典遗传学认为：基因是染色体上的一个点，称位点(site)。现代基

6、因概念认为：基因是DNA分子带有遗传信息的碱基序列区段；基因是由众多碱基对构成，此时将一个碱基对称为基因的一个位点(site)；而将基因在染色体上的位置则称为座位(locus)。根据其是否具有转录和翻译功能可以把基因分为三类第一类是编码蛋白质的基因，它具有转录和翻译功能，包括编码酶和结构蛋白的结构基因以及编码阻遏蛋白的调节基因第二类是只有转录功能而没有翻译功能的基因，包括tRNA基因和rRNA基因第三类是不转录的基因，它对基因表达起调节控制作用，包括启动基因和操纵基因大肠杆菌的色氨酸操纵子色氨酸操纵子乳糖操纵子诱导物：乳糖或乳糖类似物IPTG（异丙基-D-硫代半乳糖苷） 现在知道乳糖操纵子除需

7、诱导物外，还需cAMP和cAMP受体蛋白（CAP），当cAMP与CAP结合成复合物时，这复合物能与结合到启动子上的阻遏蛋白结合以解除阻遏作用，促使转录的起始。 结构基因操纵基因启动子RNA聚合酶CAPcAMP复合物CAP cAMPGCATPcAMP5-AMP腺苷酸环化酶磷酸二酯酶CAPcAMPCAP复合物结构基因分解代谢产物启动子操纵基因分解代谢产物阻遏，即葡萄糖效应的机制：配体与受体结合交换GTP/GDP（G蛋白活化）结合并激活AC（腺苷酸环化酶）生成cAMP（第二信使） 激活PKA 发挥作用 蛋白激酶A(PKA)途径（cAMP-PKA途径）第二信使cAMP激活蛋白激酶A(PKA)的机制分解

8、代谢产物抑制葡萄糖与乳糖内含子的进化：(p212)I类内含子II类内含子III类内含子核tRNA内含子古细菌内含子 基因功能的分化和多功能：突变重叠基因选择性剪接基因共享选择性剪接免疫球蛋白免疫球蛋白的基本结构IgG, IgD, IgE为单体分子CLCLCH1VLVLVHVHCH2CH3C端N端恒定区可变区FC 段Fab段铰链区补体结合Fc受体结合抗原结合部位免疫球蛋白的基因及其表达 B细胞中有H、和 链3个编码Ig基因的连锁群，每个基因库中又有许多彼此连锁的(V、C）基因，以及若干连接（J）基因和多样性（D）基因，这些基因经过重排后进行表达，不同的基因重排和表达，决定了Ig的多样性和能针对多

9、种进行反应的特异性。小鼠轻链基因库的组成小鼠轻链基因库的组成小鼠重链基因库的组成轻链基因的重排、RNA处理和蛋白质表达的过程重链基因的重排、RNA处理和蛋白质表达的过程基因共享 基因产物有不只一种功能。如鸟类的e-眼晶体蛋白与乳酸脱氢酶B由同一基因编码。蛋白质类的感染颗粒 （Proteinoceous Infectious Particle, Prion）一名C J 病患者的大脑皮层切片，可以看到脑组织里的海绵状空斑。PrP scPrP c 看来， PrP 蛋白不是病鼠才有。而且，PrP sc 的出现不是调节基因起作用的结果。正常小鼠得病小鼠 分别把 Prnp 基因在正常和染病小鼠中的表达产物

10、称为：对 PrP c 和PrP sc 两种蛋白质做结构分析。 都是由 208 个氨基酸残基组成的疏水性很强糖蛋白。 氨基酸序列 RNA剪辑 翻译后修饰均无差别最后，终于找到差别 PrP c 和 PrP sc 在高级结构 上有巨大差别 PrP c PrP sc 螺旋 40 21 折叠 3 54% PrP c PrP c (上) PrP sc(下) 基因重叠有以下几种情况： （1）完全重叠 （2）部分重叠 （3）两个基因只有一个碱基重叠 一个基因终止密码子的最后一个碱 基是另一个基因起始密码子的第一 个碱基重叠基因重叠的基因尽管其重叠部分的DNA相同，但是由于将mRNA翻译成蛋白质时的读码框不一样

11、，因此，产生的蛋白质分子并不相同有些重叠的基因读码框相同，只是起始部位不同，如 SV40 DNA基因组中，编码三个外壳蛋白 VP1、VP2、VP3 基因之间有 122 个碱基的重叠，它们有一段共同的序列（如： t 抗原完全在 T 抗原基因里面）基因重叠示意图噬菌体 X174基因图HBV virionThe infectious virion is called the DANE particle.HBV的基因组结构3.2Kb不完全双链环状DNA，含4个ORFHBV 基因模式图HBsAg 感染的标志Anti-HBs 既往感染/接种疫苗Anti-HBc IgM 急性感染标志Anti-HBc IgG

12、 既往或慢性感染HBeAg 急性病毒复制，有传染性 Anti-HBe 病毒不再复制HBV-DNA 急性病毒复制，比HBeAg更准确；主要用于监测治疗反应基因突变、重叠基因基因重复（多拷贝）基因延长外显子改组新基因的起源多拷贝基因的一些拷贝可以比较随意变化，而不对生物个体原有功能产生大的影响，因而有可能获得新的功能。如rRNA基因、tRNA基因。基因延长 简单基因进化为复杂基因的一个重要途径。 （增加活性位点，提高稳定性）(DNA Shuffling)基因组进化的总趋势基因组扩增基因家族的进化及“致同进化”现象假基因的进化转座子基因的水平转移基因组的进化 (p220)计算机运算速度: 18个月增

13、长一倍;DNA序列数据: 14个月增长一倍;EMBL：核酸序列数据库基因组数据库（2014.08）http:/www.ebi.ac.uk/genomes/古细菌 172古细菌病毒 65细菌 2960真核生物 177细胞器 5413噬菌体 1695质粒 1058类病毒 58病毒 3743shutgun数据库 ftp:/ftp.ebi.ac.uk/pub/databases/embl/wgs/上面是旧的数据，新的更新到ensembl里了，/基因组(genome)： 细胞内遗传信息的携带者DNA的总体基因组中不同的区域具有不同的功能： 有些区域编码蛋白质的结构基因 有些区域复制及转录的调控信号 有些

14、区域的功能尚不清楚不同的功能区域（DNA fragment）在整个DNA分子中的分布情况进化地位高，结构复杂的生物的同类生物，最小基因组比较，符合进化程度越高，生物基因组越大。在核酸序列上的进化符合中性突变论的规律。 C值悖论生物体单倍体DNA总量称为 C值。 高等生物具有比低等生物更复杂的生命活动，所以，理论上应该是它们的C值也应该更高。但是事实上C值没有体现出与物种进化程度相关的趋势。高等生物的C值不一定就意味着它的C值高于比它低等的生物。这种生物学上的DNA总量的比较和矛盾，称为C值悖论。分类最小基因组支原体 0.58 X 106细菌 2.8 X 106酵母 3.0 X 107霉菌 5.

15、5 X 107蠕虫 1.1 X 108昆虫 0.5 X 109鸟类 0.2 X 1010两栖类 0.1 X 1010哺乳类 2.8 X 1010 整个基因组扩增 基因组多倍体变异累积新的基因组区域扩增 不等交换、转座、复制滑移基因组扩增一个基因的多个拷贝组成一个基因家族（gene family）致同进化： 基因家族的成员，通过遗传上的相互作用，所有成员作为一个整体共同进化。（变异的效应得到放大）基因家族的进化致同进化的模式：通过不等交换或基因转换，突变的基因能构在比较短的时间内扩展到整个基因家族中（如果突变基因有优势的话），相对于通常的突变-选择模式，致同进化的速度大大加快，起着放大变异效应的作用。与已知功能基因高度同源，但无功能的基因。已经测完全序列的基因组，有许多标记为putative something的CDS假基因（pseudogene）的产生：基因拷贝发生/积累有害突变，导致功能丧失；假基因本身再次重复；反转录转座（加工过的假基因） 缺内含子，有polyA尾巴导致基因组扩增；导致基因组重排。转座作用与基因组进化：基因从一物种转移到另一物种逆转录病毒穿梭质粒基因组的水平转移：同种蛋