新基因起源与进化

伴随基因组数据大量积累，人们越来越认识到不一样生物在基因组大小及基因数目上存在巨大差异。从仅含470个基因支原体Mycoplasma

genitalium到约含3万多个基因人类基因组，相差达数十倍；即使是果蝇等分化时间很短近缘物种，其基因种类和数目也不尽相同。这种差异引出一个根本性生物学问题：基因是怎样产生？新基因起源与进化第1页假如搞清基因形成和固定机理，科学家就能深入探讨物种形成和分子进化、物种进化之间关系，也能依据基因产生规律设计新生物活性药品。所以说，研究基因起源机制，实际上是探究生命演变根源，同时也含有主要应用科学意义。新基因起源与进化第2页■被称为“生命编码”基因序列，统计着最原始最真实生命进化信息。

但已经取得基因组数据中，大多数基因产生太早，在漫长进化时间中积累大量突变，早已湮没了大部分主要进化信息。许多关于新基因起源细节伴随漫长进化年代都丢失了。与那些古老基因相比，年轻基因因为产生时间短，保留了大量进化过程中主要信息，能够提供给人们新基因进化早期结构、序列信息，有利于推断其起源机制及进化力量，是研究新基因产生理想材料。

新基因起源与进化第3页所以，科学家迫切需要一些年轻新基因起源实例，作为近距离观察新基因起源分子机制和进化动力学过程研究材料。

新基因起源与进化第4页新基因起源研究现实状况人们对新基因起源问题兴趣，能够追溯到上世纪30年代。Haldane和Muller提出：经过基因重复能够产生新基因。今后伴随分子生物学试验伎俩进步和遗传学发展，染色体重复、基因家族和断裂基因等大量试验现象进入人们视野，在此基础上提出了一些新基因产生假说。20世纪80年代中期以后大规模基因组序列信息取得以及分子进化和群体遗传学理论成熟，更使得在基因组水平理论预测成为可能。新基因起源与进化第5页然而因为基因组中大多数基因产生太早，在漫长进化时间中积累大量突变早已湮没了大部分主要进化信息，不论是基因最初产生分子机制或是随即在群体中扩散并最终固定下来群体动力学过程，都已无法直接观察和检测。20世纪90年代以前，相关这一问题探讨基本上是构想性或理论性。人们迫切需要能够取得一些年轻新基因起源实例，使人们能够以试验伎俩近距离观察并说明新基因起源分子机制和进化动力学过程。新基因起源与进化第6页1993年，华裔学者龙漫远在果蝇中发觉了第一个年轻基因—Jingwei基因（约2.5My），才使以实证方法研究新基因起源分子机制成为可能，对新基因发生研究掀开了新一页。近年来，又有大约20来个新基因被报道，包含司芬克斯（sphinx）基因和猴王基因等。

新基因起源与进化第7页新基因起源与进化第8页新基因产生与进化

（Sourcesandevolutionofnewgenes）

研究一个新基因起源两个步骤首先，我们要知道一个新基因结构在自然界某一生物个体产生突变步骤。其次，我们需要知道这一单一个体新基因扩散到一个物种全部个体固定过程。新基因起源与进化第9页AFGP,antifreezeglycoprotein;CGβ,chorionicgonadotropinβpolypeptide;Cid,centromereidentifier;DAF,decay-acceleratingfactor;HLA-DR-1,majorhistocompatibilitycomplexDR1;PGAM3,phosphoglyceratemutase3;Pgk2,phosphoglyceratekinase2;PMCHL,pro-melanin-concentratinghormone-like;RNASE,ribonuclease;Sdic,sperm-specificdyneinintermediatechain;UEV,tumoursusceptibilitygene.新基因产生分子机制新基因起源与进化第10页①外显子重排（exonshuffling）■外显子重排是指由来自不一样基因2个或多个外显子相互接合，或基因内部外显子产生重复而形成新基因结构。

20世纪70年代，在真核生物中发觉断裂基因后，Gilbert提出，经过内含子介导重组，不一样基因外显子可发生交换，使得原基因结构发生改变，可能产生新基因。■当前已知两种外显子重排：异常重组和逆转座子介导外显子插入。另外，相邻基因间序列缺失产生基因融合也可造成外显子重排。

新基因起源与进化第11页hamsterαA-crystallingene新基因起源与进化第12页low-densitylipoprotein(LDL)receptorPatthysurveyedproteindatabasessystematicallyandshowedthatexonshufflingoccurredinmanygenesofvertebrateandinvertebrateorganisms.Newgenescreatedbyexonshufflinginplantswerealsoobserved(e.g.inpotatoesandsunflowers).新基因起源与进化第13页精卫基因(Jingwei)经过对黑腹果蝇近缘物种新基因筛选和分析，1993年，华裔学者龙漫远发觉了第一个年轻基因。他依据我国远古精卫溺死而又重生故事，把这一基因称为“精卫”基因（jingwei）。新基因起源与进化第14页新基因起源与进化第15页精卫填海又北二百里，曰发鸠之山，其上多柘木。有鸟焉,

其状如乌；文首、白喙、赤足，名曰精卫。是炎帝之少女名曰女娃，女娃游于东海，溺而不返，故为精卫。常衔西山之木石，以堙于东海。

——《山海经

·北山经》新基因起源与进化第16页新基因起源与进化第17页②基因复制（Geneduplication）基因重复是人们最早认识到新基因产生机制。

这个经典机制认为，经过重复产生冗余拷贝，因为不受或极少受到选择压力，不停积累各种突变，最终可能与原基因产生分化，形成含有新生物学功效基因，而祖先拷贝仍保持原来功效。现在科学家已经确认，基因重复是新基因产生主要起源之一。

许多新基因功效都是经过基因复制进化来，而且对不一样种生物发育程序进化起了巨大作用。一样，在染色体片断和基因组水平复制对人类新功效产生和进化也起了主要作用。新基因起源与进化第18页依据重复区域大小，基因重复可分为单个基因重复、部分基因组重复(segmentalduplication)和整个基因组重复(genomeduplication)即多倍体化。单个基因和部分基因组重复主要经过不等交换产生，而基因组重复是有丝分裂或减数分裂过程中发生错误产生。

新基因起源与进化第19页利用果蝇、酵母、线虫、鸡、鼠和人全基因组信息对基因重复频率做了保守预计，约为每基因每百万年0.01次。Saccharomyces,C.elegans,Arabidopsis,Drosophilamelanogaster,andH.sapiensPercentagesofthegenesthatbelongtoidentifiablefamiliesofduplicatesinthesegenomesare30,48,60,40,and38%ofthegenome,respectivelybyfar,themostgeneralandimportantmechanismtogeneratenewcopiesofgenesistheduplicationofgenesand/orgenomes新基因起源与进化第20页AdhandAdhrgenesofDrosophilaoneistheirsignificantsequencesimilarity(about40%aminoacididentity);theothertheircommonintron/exonstructureAdhfunctionstodetoxifydietaryalcoholsbutAdhrhasunknownfunctionAdhandAdhrwereseparatedby300bpinD.melanogaster.twokindsoftranscripts:AdhandbothgenesRecentdataontheexpressionofAdhrinD.lebanonensisandD.buzzatiisuggestthattheco-transcription

istheprimitivestate新基因起源与进化第21页③逆转座（Retroposition）逆转座是指转录产生RNA经过逆转录合成cDNA插入到基因组过程。因为经过逆转座产生新拷贝普通不含开启子和调控序列，使得大部分产生序列成为假基因。然而，在特殊情况下，逆转座序列经过原基因不正常转录携带有开启子，或者插入到基因组后取得外源调控序列而含有表示活性，进而可形成新表示特异性或新功效。所以一个有功效逆转录转座基因展现出一个嵌合结构－逆转录转座编码区域和一个新5’端调控序列。或是逆转录转座编码区域和一个从整合靶位点附近招募新基因片断－这会造成新嵌合机制含有和亲代基因不一样生物学功效。新基因起源与进化第22页斯芬克斯(sphinx)迄今发觉第一个年轻RNA基因——sphinx（司芬克斯）基因，sphinx发觉揭开了基因组中众多非蛋白编码RNA基因（ncRNA）起源发生研究第一页。对sphinx及其所在果蝇4号染色体深入研究推翻了遗传学界近百年一个错误认识，即该染色体无交换重组。新基因起源与进化第23页研究发觉其3’端外显子与ATP合成酶F链含有同源性，但不含内含子，其两端有短重复序列(TTCG)，而且在3’末端有poly(A)序列，这些证据指示另外显子是由ATP合成酶F链逆转座插入产生。而sphinx基因5‘端调控序列及外显子被推测是由原先已存在基因所贡献，这2部分经过外显子重排形成一新嵌合基因。sphinx基因含有各种剪切形式，而且有剪切形式含有性别表示特异性新基因起源与进化第24页斯芬克斯(sphinx)狮身人面像新基因起源与进化第25页④可移动元件（Mobileelements）Makalowski等最早描述了Alu元件能够整合进人类衰减加速因子基因（DAF）蛋白编码区。他们发觉基于可移动元件多样性并不但限于人类基因组或是Alu家族。麦克琳托克原先在玉米中发觉DNA片段移动，它们甚至能采取遗传物质全盘打乱重组或复制方式。全部这些改变，能影响基因表示，或者，使复制出基因自由地发展新功效。对人类基因序列和脊椎动物基因深入分析表明，可移动元件整合进核基因从而产生新功效可能是一个普遍机制。新基因起源与进化第26页⑤基因水平转移（genelateraltransfer）基因水平转移是指遗传物质从一个物种经过各种方式转移到另一个物种基因组中。在原核生物中，转化、转导、接合和转染等现象是频繁发生。所以，基因水平转移对原核生物基因组贡献是相当大。比如一个毛滴虫经过水平转移取得嗜血菌一个裂解酶，该裂解酶经过插入取得了24个氨基酸组成一段信号肽，其功效也所以而出现改变,使其由胞内酶变成了胞外酶。Ochman等人发觉一些细菌基因组16%是经过基因水平转移取得。尽管这种侧向、或水平基因转移能够造成同源基因交换，不过有证据表明它能够招募新基因并提供新表型；比如使良性细菌转变为病原体。thegeneencodingN-acytylneuraminatelyaseintheprotozoanTrichomonasvaginalisshares80%identitywiththeneuraminatelyasebacteriaHaemophilusinfluenzaeinproteinsequence新基因起源与进化第27页最近，侧向基因转移现象也在一个原生生物Richomonasvaginalis中观察到，令人惊奇是，在显花植物线粒体中也观察到了五个这种基因转移事件。对于真核生物，基因水平转移主要经过逆转录病毒介导，而且对基因组影响不大.这些经过水平转移产生外源基因在选择作用下，经过突变积累，功效分化，可能形成新基因。这说明，基因侧向转移可能在真核生物基因进化中起了主要作用。一样，转座元件水平转移可能携带一些基因或基因片断，这对受体生物新基因形成起了一定作用。新基因起源与进化第28页⑥基因融合/分裂（genefusion/genefission）经过中止密码子和基因上游转录终止信号删除突变和点突变，两个相邻基因能够经过通读转录融合为单个基因。相反，一个基因也能够分裂为两个单独基因。关于自然界中新基因起源，生物学界早已经有“基因分裂”猜测，但科学家一直没有找到直接证据。近期，中科院昆明动物所王文博士及其合作者一项研究结果，证实了经过基因分裂能产生新基因。许多基因融合和分裂事件在原核生物基因组中被判定出，而且已经有报道在更高等生物中也存在基因融合事件。新基因起源与进化第29页基因融合thefattyacidsynthasegeneTrypotophansynthethasegeneinfungiHisAandHisFinthehistidinepathwayGlutamylandprolyl-tRNAsynthetasegenesSp100-rsinM.musculusubiquitinandribosomalproteinsindivergedorganismsthehumanKua-UEVgenefusion新基因起源与进化第30页Thompson等人判别出了一个人类融合基因，KUA－UEV，在这个基因中，肿瘤易感基因（UEV）E2泛素连接酶变体结构域和一个最近被判别出基因KUA（脂肪酸羟化酶）经过通读转录和编码区可变剪接机制融合在一起。UEV在真核生物中保守。仅人中有B和C两个Domain，其中B与脂肪酸羟化酶KUA同源，但在果蝇和线虫中相距甚远或不在一条染色体上，而在人中仅相距几Kb。转录时跳过了KUA终止子和UEV起始密码子和Aexon，形成一个RNA。其中UEV定位核内，KUA在内膜上，KUA-UEV在胞质中新基因起源与进化第31页基因分裂猴王(monkey-king)基因家族是王文博士及其合作者在果蝇中发觉一个年轻基因家族。它们起源于约一百万年前，该基因家族经过三次重复积累了包含亲本基因在内4个基因拷贝。其中两份拷贝经过了互补退化最终实现分裂。“猴王基因”研究结果第一次说明了基因分裂是怎样实现。另外，“猴王基因”研究也表明基因调控序列能够在很短时间内产生。猴王(Mokeyking)基因新基因起源与进化第32页新基因起源与进化第33页在果蝇3个近缘种(D.simulans,D.sechellia和D.mauritiana)分开前，祖先基因(mkgp)经过逆转座形成了一个新基因，而且新基因在3个种中分别形成了与祖先基因不一样开启子，其中、sim-mkgr和sch-mkgr含有性别表示特异性在3个物种分开后，D.mauritiana中mkgp又发生了一次逆转座，形成了另一个新基因mau-mkgr3.而mau-mkgr3与mau-mkgp经过互补性部分退化，分别继承了原始mau-mkglp基因3‘和5’结构域功效

新基因起源与进化第34页在不到200万年时间里就产生了３个新组员，这在进化漫长时间尺度上，简直和孙悟空拔毛变小猴一样神奇，科学家们就形象地把这个基因家族称为“猴王基因”家族。新基因起源与进化第35页⑦从头起源（denovoorigination）尽管从原先非编码区域变为新基因这种真正从头起源很稀少。不过有很多基因一部分蛋白编码区序列是从头起源。比如，果蝇精细胞特异性肌动蛋白中链基因sadic，原先内含子一部分转变为一个编码蛋白质外显子。新基因起源与进化第36页⑧混合机制（Combinedmechanisms）新基因能够经过上述机制产生，既能够是单个机制在起作用，也能够是各种机制共同作用。jingwei基因、sphinx基因和sdic基因新基因起源与进化第37页⒉新基因进化（Evolutionofnewgenes）新生基因命运(Thefateofanewborngene.):关于基因复制命运经典观点能够追溯到J.B.S.Haldane和R.A.Fisher工作。他们认为伴随不停突变，基因复制正确一个组员最终失去功效，大多数基因复制本最终以假基因形式消亡。新基因起源与进化第38页重复基因主要进化命运

(1)因为随机突变积累,造成基因缄默或失活,即非功效化(nonfunctionalization)。(2)因为突变而取得新功效,并被选择作用所保留,即新功效化(neofunctionalization)。(3)多数重复基因命运是亚功效化(subfunctionalization),亦即基因重复以后全部拷贝都可能因为选择压力松弛而发生突变,且突变效应经常最早表示在转录调控区域,致使不一样拷贝在表示时间和器官特异性方面产生显著分化,分担了祖先基因功效,因而都被选择作用所保留。

新基因起源与进化第39页大部分这些进化改变是在正向达尔文选择下适应性改变。就如几个在酵母和大肠杆菌中进行新基因选择性试验所证实那样。这些研究表明新基因产生并不是人们原先认为是很稀少事件。新基因起源与进化第40页基于懒猴中发觉一个新起源线粒体假基因在不一样进化阶段选择压力研究，提出了线粒体假基因起源过程一个新假说，即经过重复产生线粒体基因组拷贝在很长时间内依然保持功效，然后再转移整合到核基因组并假基因化。

新基因起源与进化第41页动物基因中有很多逆转座基因，但长久以来，因为在拟南芥中发觉极少逆转座基因，因而形成了一个认为逆转座在植物基因和基因组进化中并不主要观念。科学家发觉，在水稻基因组中存在大量逆转座基因，其中三分之一以上逆转座基因已经取得了其它序列从而进化成了含有新功效嵌合体基因。很多这些嵌合逆转座基因也能在玉米、高梁基因组中找到，提醒逆转座基因可能在整个草类广适性进化中提供了主要基因和遗传基础。另外，也有相当一部分逆转座嵌合基因为水稻所特有，说明基因逆转座在草类基因组进化中是一个不停发生过程，而且其速率比灵长类中高了一个数量级。这些研究结果改变了人们对植物基因组进化认识，研究论文发表在《ThePlantCell》(,18:1791-1802)。

新基因起源与进化第42页NucleotideVariationAlongtheDrosophilamelanogasterFourthChromosome

WangW,ThorntonK,BerryA,LongMY

TheDrosophilamelanogasterfourthchromosome,believedtobenonrecombiningandinvariable,isaclassicexampleoftheeffectofnaturalselectionineliminatinggeneticvariationinlinkedloci.However,inachromosome-wideassayofnucleotidevariationinnaturalpopulations,wehaveobservedahighlevelofpolymorphismina;200-kilobaseregionandmarkedlevelsofpolymorphisminseveralotherfragmentsinterspersedwithregionsoflittlevariation,suggestingdifferentevolutionaryhistoriesindifferentchromosomaldomains.Statisticaltestsofneutralevolutionshowedthatafewhaplotypespredominateinthe200-kilobasepolymorphicregion.Finally,contrarytotheexpectationofnorecombination,weidentiÞedsixrecombinationeventswithinthechromosome.Thus,positiveDarwinianselectionandrecombinationhaveaffectedtheevolutionofthischromosome.新基因起源与进化第43页植物核基因水平转移分子证据被发觉河北省农林科学院谷子研究所刁现民博士“一个植物转座子基因水平转移”论文，《科学大众试验室·生物学》（PublicLibraryofSciencebiology（PLOSbiology））年基因作为遗传物质从父母传给子孙后代，是传统认识天经地义竖向遗传。作为遗传物质DNA只在同一个物种内转递。同基因竖向转递相对应，基因水平转移是指特定基因或其片段DNA序列以某种未知方式从一个物种转移到另一个物种。这是最近几年国际遗传学界新发觉。但已经有基因水平转移证据只在各种细菌和一些昆虫基因组中发觉，而且水平转移基因多是转座子基因，假如蝇P转座子基因水平转移等，高等植物线粒体基因也发觉了水平转移，但高等植物核基因从未有过水平转移报道。刁现民与美国伯克利加州大学DamonLisch博士和MichaelFreeling教授合作，克隆了狗尾草属谷子等材料MULE转座子序列，在同水稻基因组中MULE转座子对比分析中发觉了只能用水平转移来解释高度同源序列，并经过分子杂交、近旁序列变异分析等证实了水平转移存在。这是高等植物发觉首例核基因水平转移，说明高等植物核基因也能够以某种未知方式发生水平转移。新基因起源与进化第44页非编码基因占据了生物体基因数目标很大一部分，远远超出编码基因，这部分研究因为与疾病相关性，所以收到科学家瞩目，不过因为在无脊椎动物本身并没有一些非编码基因，比如cis-regulatory因子，给研究带来了很大不便。来自美国加州大学研究人