基因组的进化课件

第十一章基因组的进化第一节基因组进化的分子基础第二节基因组进化的模式第十一章基因组的进化第一节基因组进化的分子基础1第一节基因组进化的分子基础1.突变1.1突变的机制自发的错误(spontaneouserror)，在复制过程中这些突变逃脱了DNA聚合酶的校正而保留在新合成的子链中。但在下一轮DNA复制时，子代链与祖代链在错配的位置将发生碱基代换。来自亲代DNA分子的某一单链，在复制时以这条已发生碱基改变的单链作为模板合成新链。由此产生的子代DNA中，会将这一变异一直保留下去。第一节基因组进化的分子基础1.突变2第一节基因组进化的分子基础1.突变1.1突变的效应突变对基因组的影响同义突变错义突变终止突变连读突变移码突变突变对多细胞生物的影响功能丧失突变（loss-of-functionmutation）：通常是一个减弱或消除蛋白质活性的突变造成的结果。多数功能丧失突变是隐性性状。功能获得性突变（gain-of-functionmutation）：这类突变不常见，突变必须提供一种异常的蛋白质活性。

第一节基因组进化的分子基础1.突变3第一节基因组进化的分子基础2.重组2.1同源重组——Holliday模型

Holliday模型描述的重组发生在2个同源双链分子之间，也包括彼此间只有小段区域同源的分子或同一分子中2个同源区段之间的重组。

在一条单链产生缺口单链侵入D环形成异源双链同源重组的起始（MeselsonRadding模型）第一节基因组进化的分子基础2.重组在一条单链产生缺口42条同源DNA分子ABabDNA分子间单链交换组成异源双链DNA连接酶ABabHolliday结构

分叉迁移ABabABab形成叉口(chi)垂直分割相互交换水平分割同源重组的Holliday模型第一节基因组进化的分子基础ABabAbaB2条同源DNA分子ABabDNA分子间单链交换组成异源双链D5第一节基因组进化的分子基础2.重组2.2位点专一性重组

区段之间存在广泛的同源性并非重组的必要前提，在2个DNA分子之间有时只有很短的共同序列也能起始重组过程，这类重组称为位点专一性重组(site-specificrecombination)。2.3双链断裂重组模型

基因转换(geneconversion)的DNA双链断裂重组模型。3.转座3.1DNA转座3.2逆转录转座第一节基因组进化的分子基础2.重组6第二节基因组的进化模式λDNAPOP’BOB’att位点细菌DNABOP’POB’λ噬菌体基因组整合到大肠杆菌染色体DNA中λ噬菌体基因组和大肠杆菌基因组各有一个att位点，每个都有一个称为O的相同的中间顺序和两侧顺序组成。

大肠杆菌O两侧序列为B和B’（表示bacterialattsite)，噬菌体O两侧序列为P和P’（表示phageattsite）。第二节基因组的进化模式λDNAPOP’att位点细菌7第一节基因组进化的分子基础哺乳动物DNA双链断裂重组模型

此机制中合成的DNA都是以同源分子区段作为模板从断裂处开始拷贝，这是基因转换的分子基础。因为由外切核酸酶从缺口处开始切除的单链顺序现在由未切割的同源分子单链所取代。酵母中交配型的基因转换具有类似的机制。RPARAD50MRE11NBS1RAD52RAD54RAD511.同源搜寻2.单链侵入3.DNA合成DNA连接酶解离酶同源重组第一节基因组进化的分子基础哺乳动物DNA双链断裂重组8第二节基因组进化的模式1.遗传系统的起源1.1RNA世界

由于具有催化活性RNA的发现，关于生命系统起源的研究才发生了根本性的改变。称为核酶的RNA包括rRNA和tRNA可以完成多种生化反应：(1)自我剪接，三种内含子的加工能力；(2)催化切断其他RNA，如mRNA和rRNA的加工中切除内含子；(3)合成多肽键，这是rRNA分子的重要功能之一；(4)催化核苷酸的合成。

RNA催化活性的发现解决了以往关于先有多聚核苷酸还是先有多肽链的两难困境，表明最初的生化系统整个地集中在RNA。第二节基因组进化的模式1.遗传系统的起源9第二节基因组进化的模式1.遗传系统的起源1.1RNA世界初始RNA分子新互补拷贝自发多聚体化初始模板核苷酸早期RNA世界RNA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RNA序列。第二节基因组进化的模式1.遗传系统的起源初始RNA分10第二节基因组进化的模式1.遗传系统的起源1.2基因组的起源编码RNA分子转变为第一个DNA分子第一个拷贝的DNA分子

核苷酸脱氧核糖核苷酸TACT还原

dAdCdGGTACdTdCdATCGdCdGdARNA拷贝DNARNA第二节基因组进化的模式1.遗传系统的起源编码RNA分11第二节基因组进化的模式1.遗传系统的起源1.2基因组的起源

RNA世界如何转变为DNA世界？为什么会出现RNA向蛋白质的转变？

RNA的催化活性转移到蛋白质是RNA原始基因组功能的根本性改变，使RNA与蛋白质的分工逐渐明朗，进而提高了整个生化系统的效率。RNA的编码功能转移到更为稳定的DNA是一种必然趋势。

OHOHOH5´3´RNA一级结构第二节基因组进化的模式1.遗传系统的起源OHOHOH12第二节基因组进化的模式1.遗传系统的起源1.2基因组的起源

RNA世界向DNA世界的过渡可以概括为：地球上最早出现的生物大分子为RNA，RNA同时具有催化与编码两种功能。RNA可以催化肽键形成并合成蛋白质，此后RNA与蛋白质联手以RNA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聚分子，RNA、蛋白质和DNA的分工基本定形：RNA的编码功能由DNA取代，催化功能转移到蛋白质，RNA自身则称为传达遗传信息的中介分子。第二节基因组进化的模式1.遗传系统的起源132.新基因的产生2.1基因与基因组加倍整个基因组加倍单条或部分染色体加倍单个或成群基因加倍

全套基因组的加倍可使基因数目急剧增加酵母基因组在1亿年前经历了一次完全的加倍植物基因组中的异源多倍体第二节基因组进化的模式2.新基因的产生第二节基因组进化的模式142.新基因的产生2.1基因与基因组加倍单个基因以及基因群加倍在进化过程中经常出现

不等交换：位于同源染色体上不同位置的相似核苷酸顺序之间发生的重组事件，其结果是在重组的区段产生1段DNA重复。

姐妹染色体之间的不等交换：与上述的不等交换机制相同，只是发生在同一染色体的1对姐妹染色单体之间。

DNA放大：在细菌和其他单倍体生物中，复制泡内2条子链DNA之间发生不等交换使1条链的某一段顺序加倍。某些基因重复并不产生多样性第二节基因组进化的模式2.新基因的产生第二节基因组进化的模式15重复序列同源染色体配对重复第二节基因组进化的模式C.DNA放大B.姐妹染色体之间的不等交换A.不等交换复制叉重复序列同源染色体配对重复第二节基因组进化的模式C.162.新基因的产生2.2外显子洗牌与蛋白质创新功能域加倍功能域或外显子洗牌体外蛋白质进化2.3DNA水平转移原核生物中的DNA水平转移真核生物中的DNA水平转移2.4基因冗余第二节基因组进化的模式2.新基因的产生第二节基因组进化的模式17CysAspPheLeuHisCysYHisZnCysAspPheLeuHisCysYHisZnNC987654321PolⅢ基因转录因子TFⅢA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CysAspPheLeuHisCysYHisZnCysA18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指形模块Kringle结构纤连蛋白组织血纤维蛋白溶酶原激活因19供体菌F菌毛蛋白与受体菌接触时，参与交配的细菌开始被联系在一起细菌的接合转移供体菌F菌毛蛋白与受体菌接触时，参与交配的细菌开始被联系在20

当整合的F因子在OriT处产生切刻后，染色体DNA的转移就开始了。首先转移的是一段短的F-DNA，接下来是染色体DNA，直到两细菌分离时转移停止。细菌的接合转移机制当整合的F因子在OriT处产生切刻后，染21供体(donor)DNA与受体(receptor)细胞结合(binding)：结合发生在受体细胞特定部位(结合点)对供体DNA片段有一定要求结合是一个可逆过程DNA摄取：当细菌结合点饱和之后，细菌开始摄取外源DNA往往只有一条DNA单链进入细胞(单链摄入)，另一条链在膜上降解联会(synapsis)与外源DNA片段整合(integration)：整合指单链转化DNA与受体DNA对应位点置换，稳定掺入到受体DNA中的过程，实际上就是遗传重组过程研究整合的分子机制也就是研究遗传重组的分子机制细菌的转化机制供体(donor)DNA与受体(receptor)细胞结合(22基因组的进化课件233.非编码顺序的扩张3.1非编码DNA的作用

关于它在疾病、发育和演化中的重要性有越来越多的证据。此外，非编码DNA对于DNA损伤的修复，DNA转座，促进细胞分裂方面也有重要作用。3.2转座因子和基因组进化从进化的角度观察，转座因子对生物有潜在的价值，但从短期效果分析，转座因子常常产生不利的后果，因为转座因子插入到基因编码区导致基因的失活。正是基于这一原因，大多数细胞中转座因子的活性因甲基化而受到抑制。第二节基因组进化的模式3.非编码顺序的扩张第二节基因组进化的模式243.非编码顺序的扩张3.3内含子的起源3.3.1Ⅰ群、Ⅱ群和Ⅲ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。3.3.2GU-AG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。第二节基因组进化的模式

对原始真核生物贾弟虫基因组研究表明：内含子进化大约发生在20亿年前——早于真核生物分化为不同分支的时间。3.非编码顺序的扩张第二节基因组进化的模式25第十一章基因组的进化第一节基因组进化的分子基础第二节基因组进化的模式第十一章基因组的进化第一节基因组进化的分子基础26第一节基因组进化的分子基础1.突变1.1突变的机制自发的错误(spontaneouserror)，在复制过程中这些突变逃脱了DNA聚合酶的校正而保留在新合成的子链中。但在下一轮DNA复制时，子代链与祖代链在错配的位置将发生碱基代换。来自亲代DNA分子的某一单链，在复制时以这条已发生碱基改变的单链作为模板合成新链。由此产生的子代DNA中，会将这一变异一直保留下去。第一节基因组进化的分子基础1.突变27第一节基因组进化的分子基础1.突变1.1突变的效应突变对基因组的影响同义突变错义突变终止突变连读突变移码突变突变对多细胞生物的影响功能丧失突变（loss-of-functionmutation）：通常是一个减弱或消除蛋白质活性的突变造成的结果。多数功能丧失突变是隐性性状。功能获得性突变（gain-of-functionmutation）：这类突变不常见，突变必须提供一种异常的蛋白质活性。

第一节基因组进化的分子基础1.突变28第一节基因组进化的分子基础2.重组2.1同源重组——Holliday模型

Holliday模型描述的重组发生在2个同源双链分子之间，也包括彼此间只有小段区域同源的分子或同一分子中2个同源区段之间的重组。

在一条单链产生缺口单链侵入D环形成异源双链同源重组的起始（MeselsonRadding模型）第一节基因组进化的分子基础2.重组在一条单链产生缺口292条同源DNA分子ABabDNA分子间单链交换组成异源双链DNA连接酶ABabHolliday结构

分叉迁移ABabABab形成叉口(chi)垂直分割相互交换水平分割同源重组的Holliday模型第一节基因组进化的分子基础ABabAbaB2条同源DNA分子ABabDNA分子间单链交换组成异源双链D30第一节基因组进化的分子基础2.重组2.2位点专一性重组

区段之间存在广泛的同源性并非重组的必要前提，在2个DNA分子之间有时只有很短的共同序列也能起始重组过程，这类重组称为位点专一性重组(site-specificrecombination)。2.3双链断裂重组模型

基因转换(geneconversion)的DNA双链断裂重组模型。3.转座3.1DNA转座3.2逆转录转座第一节基因组进化的分子基础2.重组31第二节基因组的进化模式λDNAPOP’BOB’att位点细菌DNABOP’POB’λ噬菌体基因组整合到大肠杆菌染色体DNA中λ噬菌体基因组和大肠杆菌基因组各有一个att位点，每个都有一个称为O的相同的中间顺序和两侧顺序组成。

大肠杆菌O两侧序列为B和B’（表示bacterialattsite)，噬菌体O两侧序列为P和P’（表示phageattsite）。第二节基因组的进化模式λDNAPOP’att位点细菌32第一节基因组进化的分子基础哺乳动物DNA双链断裂重组模型

此机制中合成的DNA都是以同源分子区段作为模板从断裂处开始拷贝，这是基因转换的分子基础。因为由外切核酸酶从缺口处开始切除的单链顺序现在由未切割的同源分子单链所取代。酵母中交配型的基因转换具有类似的机制。RPARAD50MRE11NBS1RAD52RAD54RAD511.同源搜寻2.单链侵入3.DNA合成DNA连接酶解离酶同源重组第一节基因组进化的分子基础哺乳动物DNA双链断裂重组33第二节基因组进化的模式1.遗传系统的起源1.1RNA世界

由于具有催化活性RNA的发现，关于生命系统起源的研究才发生了根本性的改变。称为核酶的RNA包括rRNA和tRNA可以完成多种生化反应：(1)自我剪接，三种内含子的加工能力；(2)催化切断其他RNA，如mRNA和rRNA的加工中切除内含子；(3)合成多肽键，这是rRNA分子的重要功能之一；(4)催化核苷酸的合成。

RNA催化活性的发现解决了以往关于先有多聚核苷酸还是先有多肽链的两难困境，表明最初的生化系统整个地集中在RNA。第二节基因组进化的模式1.遗传系统的起源34第二节基因组进化的模式1.遗传系统的起源1.1RNA世界初始RNA分子新互补拷贝自发多聚体化初始模板核苷酸早期RNA世界RNA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RNA序列。第二节基因组进化的模式1.遗传系统的起源初始RNA分35第二节基因组进化的模式1.遗传系统的起源1.2基因组的起源编码RNA分子转变为第一个DNA分子第一个拷贝的DNA分子

核苷酸脱氧核糖核苷酸TACT还原

dAdCdGGTACdTdCdATCGdCdGdARNA拷贝DNARNA第二节基因组进化的模式1.遗传系统的起源编码RNA分36第二节基因组进化的模式1.遗传系统的起源1.2基因组的起源

RNA世界如何转变为DNA世界？为什么会出现RNA向蛋白质的转变？

RNA的催化活性转移到蛋白质是RNA原始基因组功能的根本性改变，使RNA与蛋白质的分工逐渐明朗，进而提高了整个生化系统的效率。RNA的编码功能转移到更为稳定的DNA是一种必然趋势。

OHOHOH5´3´RNA一级结构第二节基因组进化的模式1.遗传系统的起源OHOHOH37第二节基因组进化的模式1.遗传系统的起源1.2基因组的起源

RNA世界向DNA世界的过渡可以概括为：地球上最早出现的生物大分子为RNA，RNA同时具有催化与编码两种功能。RNA可以催化肽键形成并合成蛋白质，此后RNA与蛋白质联手以RNA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聚分子，RNA、蛋白质和DNA的分工基本定形：RNA的编码功能由DNA取代，催化功能转移到蛋白质，RNA自身则称为传达遗传信息的中介分子。第二节基因组进化的模式1.遗传系统的起源382.新基因的产生2.1基因与基因组加倍整个基因组加倍单条或部分染色体加倍单个或成群基因加倍

全套基因组的加倍可使基因数目急剧增加酵母基因组在1亿年前经历了一次完全的加倍植物基因组中的异源多倍体第二节基因组进化的模式2.新基因的产生第二节基因组进化的模式392.新基因的产生2.1基因与基因组加倍单个基因以及基因群加倍在进化过程中经常出现

不等交换：位于同源染色体上不同位置的相似核苷酸顺序之间发生的重组事件，其结果是在重组的区段产生1段DNA重复。

姐妹染色体之间的不等交换：与上述的不等交换机制相同，只是发生在同一染色体的1对姐妹染色单体之间。

DNA放大：在细菌和其他单倍体生物中，复制泡内2条子链DNA之间发生不等交换使1条链的某一段顺序加倍。某些基因重复并不产生多样性第二节基因组进化的模式2.新基因的产生第二节基因组进化的模式40重复序列同源染色体配对重复第二节基因组进化的模式C.DNA放大B.姐妹染色体之间的不等交换A.不等交换复制叉重复序列同源染色体配对重复第二节基因组进化的模式C.412.新基因的产生2.2外显子洗牌与蛋白质创新功能域加倍功能域或外显子洗牌体外蛋白质进化2.3DNA水平转移原核生物中的DNA水平转移真核生物中的DNA水平转移2.4基因冗余第二节基因组进化的模式2.新基因的产生第二节基因组进化的模式42CysAspPheLeuHisCysYHisZnCysAspPheLeuHisCysYHisZnNC987654321PolⅢ基因转录因子TFⅢA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CysAspPheLeuHisCysYHisZnCysA43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指形模块Kringle结构纤连蛋白组织血纤维蛋白溶酶原激活因44供体菌F菌毛蛋白与受体菌接触时，参与交配的细菌开始被联系在一起细菌的接合转移供体菌F菌毛蛋白与受体菌接触时，参与交配的细菌开始被联系在45

当整合的F因子在Or