动物进化的分子基础动物基因和基因复制

动物进化的分子基础动物基因和基因复制

从没有动物到脊柱，从形态特征和解剖结构，都发生了重大变化。这是动物进化历史上一次质的飞跃。从脊索、背神经管、咽鳃裂、位于腹面的心脏、肛后尾到由中胚层形成的内骨骼,无一不是脊椎动物区别于无脊椎动物的特征。脊椎动物是由无脊椎动物进化而来,这已是不争的事实。但对于无脊椎动物如何进化至脊椎动物,进化是怎样发生的,产生进化的内因是什么还存在着争议。无论从形态上还是解剖结构上,脊椎动物普遍比无脊椎动物更复杂,各器官系统之间的作用更协调。这就要求脊椎动物拥有比无脊椎动物更多的功能蛋白,有更高效、更精密的调控系统,这就从根本上要求脊椎动物有更多可编码蛋白质的基因。这些基因从哪里来?这些基因是如何进化的?这些问题已经成为许多生物学家研究和争论的焦点。Ohno在研究中发现文昌鱼每个细胞内单倍体DNA含量为0.6pg,与最小的脊椎动物基因组大小相近,但却是海鞘基因组的4倍,而鱼类却平均含有1pg的基因组DNA。因此Ohno认为在尾索动物(海鞘等)从脊椎动物祖先分化出来之后,脊椎动物的基因组发生了复制,而且很可能是通过染色体加倍完成的。因此,在其出版的《EvolutionbyGeneDuplication》中他认为:脊椎动物的进化至少经历了两轮整体的基因组复制(2R学说)。基于以上研究,许多生物学家认为脊椎动物细胞中DNA含量的增加是导致其进化的内因。尽管Ohno认为在脊椎动物进化的历史中发生过2～3轮的基因组复制,然而基因组的复制在脊椎动物谱系进化中是否发生过仍然是一个倍受争议的话题。伴随着难以推断的时间间隔使寻找早期多倍体化存在证据(如:片段的复制)的工作进一步复杂化。而且,2R学说推测的复制发生时间比在啤酒酵母(Saccharomycescerevisiae)和阿拉伯芥(Arabidopsisthaliana)中的复制更早,大约在7亿6千万年～4亿2千万年前。因此复制所留下的片段可能已被染色体重排打乱。所以2R学说推测下的基因组复制至今未被证实过。12对大量复制基因在复制发生时间上的作用关于2R学说,有数种证据支持。McLysaght等报道了在人类基因组发现的244个含有4个以上同源基因的复制片段,以此证明在脊椎动物谱系上至少发生过一轮的基因组复制。Panopoulou等基于对脊椎动物基因组中与无脊椎动物相关基因家族的基因的数量和在基因组中的排列顺序进行了研究,结果支持2R学说。另外一些研究者从对大量复制基因在复制发生时间上大致相同的研究支持在脊椎动物进化中发生过整体基因组的复制。另有一些研究者持不同意见。Lynch和Conery推测复制基因的出现频率大约为0.01个/基因/百万年。因此,在1亿年中,单个基因的复制数量应该大致等于该物种的基因总量。所以如果在大于1亿年的时间间隔情况下,我们就可能将大量单个基因的复制误认为整个基因组的复制。Robinson-Rechavi等在2001年对所有已发表的辐鳍鱼类三个代表性目的鱼类基因和新测序的核受体基因进行系统分析时发现,近代复制(recentduplication,4亿3千万年～8千万年前)的基因往往是人们研究较多的基因(已有5个目以上的鱼类被测序),而早期复制(ancestralduplication,7亿5千万年～4亿3千万年前)的基因往往是研究较少的基因。这样就有可能将近代复制鉴定为早期复制,因为对于早期复制,我们缺乏足够的数据作为判断。24基因簇的复制在人类基因组中发现的4个拷贝的进化同源区为2R学说提供了一些早期进化的证据,尽管这些区域的起源仍有争议。Hughes等设计了一种方法以检测大规模复制是否能为含有哺乳动物Hox基因簇的4个拷贝的进化同源区提供解释。他们研究了Hox基因簇所在的染色体区域的42个基因家族,结果显示其中竟有32个基因家族的复制与Hox基因簇的复制不是同时发生的,这个结果似乎与2R学说相去甚远。然而Larhammar等在仔细分析了Hughes等的研究后认为,要分析Hox基因簇所在的染色体的其他基因家族与Hox基因簇的连锁关系,首先应选用在复制之后没有发生染色体重排、基因移位或丢失的基因家族,而Hox基因本身就曾经出现过高频率的重排和移位,并存在着复杂的进化历史。与此同时,他发现Hughes等研究的42个基因家族中,20个家族中的许多成员仍与Hox基因簇有较强的连锁关系。另外,在Hox基因簇所在的区域内还存在几个没被Hughes等分析过的基因家族。据证实,它们的进化与Hox基因簇的复制在时间上是一致的。考虑其他基因家族的复制,他认为最好的解释就是四倍体化,也即基因组的整体复制(2R学说)。但Robinson-Rechavi等对Hox基因簇是否能作为推断脊椎动物进化的依据也提出了质疑。Robinson-Rechavi等认为:Hox基因簇在脊椎动物中仅占据4个位点,根本不能以之代表整个基因组。他提出应该寻找其他更加保守、分布更加广泛的基因家族以替代Hox基因家族,比如:核受体(nuclearreceptors)基因家族等。Amores等对斑马鱼的7个Hox基因簇进行系统分析,推测在辐鳍鱼类从肉鳍鱼类分化出来后发生过一次整体的基因组复制。在斑马鱼中存在的其他同源基因可能也来自于辐鳍鱼类的祖先基因组复制。对人类MHC平行进化同源区(paralogousregion)的分析表明,它们来自于连续的区域复制(enblocduplication),发生于7亿6千万～5亿2千万年前。然而,从对人类和小鼠基因组的比较中发现了高频率的大规模基因组重排,有大约242个大规模的重排和更多数量的小规模重排。而这种重排却与一些关于保守MHC片段大小的报道相悖(4个拷贝的MHC区共含有大约1240个基因)。如果一个大规模重排在人类谱系中每一百万年发生一次,并且这种重排在各位点间随机发生,那么McLysaght等在人类基因组中发现的最大的平行进化同源区(1号染色体上一个41Mb的区域)就不太可能是早期脊椎动物基因组复制的产物。否则,就很难解释为什么这段区域在如此漫长的进化过程中仍如此保守。另外,Robinson-Rechavi等对辐鳍鱼类三个代表性目所有已知序列的基因和他们自己克隆并测序的鱼类核受体基因进行了系统分析。在所分析的37个基因家族中,仅7个家族(19%)的基因复制与基因组复制的模式一致,11个基因家族(30%)的复制发生于真骨鱼类主要类群分化之后,而且,这些复制是独立发生的。另有19个基因家族(51%)在鱼类中没有发现复制现象。同时发现,在早期复制的基因家族中有3个家族曾发生过近代复制。这样通过与发生过早期复制的7个基因家族相比较,近代基因复制的频率是早期复制的2倍。由于近代基因复制的频率如此之高,Robinson-Rechavi等猜测:可能基因的丰度在很大程度上不是由基因组复制决定的,而是由近代基因的独立复制造成的。但Escriva等在对七鳃鳗和盲鳗的33个基因家族进行了系统分析后发现至少有一次基因复制发生在七鳃鳗与有颌类分化之前或分化之后。在这些复制的基因中,至少有50%支持在脊椎动物进化早期发生过两次四倍体化。他同时发现,在其所有分析的基因家族中,没发现任何含有5个或者5个以上的平行进化同源基因(paralogousgene)。这也是对2R学说有力的证明。3复制基因的时间定位如果我们认为某条染色体来源于复制,那么我们可以用含有复制基因对(duplicategenepair)的染色体片段的分化时间来对基因组复制进行时间定位。通常使用的方法是分子钟(molecularclock)。但用一个分子钟对多种蛋白质进行分析,可能会因为所使用的蛋白质的特异性而显得不够准确。运用同义替换率进行时间定位似乎更为准确,尽管同义位点在高度分化的序列上趋于饱和。但是,即使复制基因的分化时间能被准确定位,它对基因组复制时间定位的贡献仍然很少,因为它们仅仅代表了物种早期基因组分化的时间,而不是基因组复制的时间。用系统树的方法对复制基因对和近源物种的直向进化同源基因(orthologousgene)进行时间定位的报道很多。Wang和Gu用构建系统树的方法分析了产生于脊椎动物早期或脊椎动物起源前不久的49个基因家族,每个基因家族都含有3到4个基因。他们分别对各含有3个基因的26个基因家族的第一次基因复制和第二次基因复制进行时间推算。结果表明:推算的两次大规模基因复制的时间T1(5亿9千4百万年前)和T2(4亿8千8百万年前)与2R学说非常吻合。而且在大多数基因家族中,两次复制之间的时间间隔很大,所以,第一次复制产生的新基因有充足的时间在第二次复制发生之前稳定下来。这些方法基于对那些未发生复制的近源物种的平行进化同源基因进行的序列分析,效果并不十分理想。也有人将分子钟和系统分析相结合形成对基因复制时间进行更为准确的定位的方法。Gu等通过对人类基因组中749个基因家族(含有1739个复制基因)的系统分析后得出结论:脊椎动物基因组在进化早期的确发生过至少一轮复制。除此之外,小规模的复制也从没有间断过。而且基因组的整体复制和小规模的复制对脊椎动物的基因组的贡献同样重要。4基于同源基因座的复制有人认为对脊椎动物和无脊椎动物同源基因在染色体上的连锁关系和排列顺序可以为2R学说提供一些可供检测的遗传学证据。那么,分析文昌鱼和海鞘同源基因的排列顺序将成为解决关于脊椎动物起源争论的关键。文昌鱼和海鞘的基因组草图最近已公布。Panopoulou等用线虫(Caenorhabditiselegens)、果蝇(Drosophilamelanogaster)和啤酒酵母与文昌鱼和人类基因组进行系统分析时发现他们都含有同源的基因座(geneset)。从这些基因座的复制频率中发现,在文昌鱼之后这些基因座至少发生过两次复制。大量的与线虫、果蝇和酵母同源的人类CD/CDY基因在染色体上是按片段排列的。同时,这些片段中很大一部分在大鼠基因组中发生过复制。他认为这些片段是通过基因组复制而来的有力证据。这在其他的研究中也有报道。另外,如果复制后的基因在基因组中随机丢失,那么复制之前的相邻基因在复制之后就应该定位在不同的染色体上。在考虑了以上情况后,Wong等用啤酒酵母和酵母菌Kluyveromyceslactis原始基因组和发生复制的基因组之间进行了比较,发现啤酒酵母的基因组在其从K.lactis的祖先分化出来后发生过整体的复制。但Langkjaer等经过系统分析发现了在啤酒酵母物种形成前发生过复制的证据。这可以解释为在酵母菌复制片段中有原始基因复制存在,或者解释为:除进化为啤酒酵母的K.lactis祖先基因组发生了复制外,在K.lactis的谱系中也发生过类似的大规模甚至整体基因组的复制。后者可以很好说明在啤酒酵母和K.lactis之间存在邻近基因顺序排列差异显著的现象。5不同种类动物的基因组测序从基因组在历史演变中的改变方式,我们可以预料基因组复制的线索已经很难获得,因为基因组复制中产生的很多额外基因拷贝很可能已经退化成假基因,在DNA序列中已经难以辨别。那些保留下来的基因拷贝,由于对生物体是可用的或者已经进化出了新的功能,是可以被分辨的。但要判断它们是来源于基因组复制还是单个基因的复制已非常困难,因为通过基因组复制的基因应该同其来源一样是一组具有相同顺序的多个基因,可以在多大程度上在基因组中辨别这些基因取决于过去的重组对于新基因重新定位的频率。近年来,基因组测序和越来越多的分析结果表明整体基因组复制在进化中起着决定性的作用[3,4,25,32,36,37,38,39,40]。这在对啤酒酵母和阿拉伯芥的基因组比较研究中得到了充分证明。Kellis等对酵母菌Kluyveromyceswaltii和啤酒酵母基因组进行了测序,并对其含有以相同顺序排列的基因线性进化片段进行了对比。发现在啤酒酵母中含有两套K.waltii的基因组图谱,而且这两套基因组图谱的同源区互相补充。基因的排列顺序和染色体的同源片段(包括着丝粒区域)也都有很高的相似性。因此,Kellis等认为啤酒酵母是从酵母菌K.waltii的祖先通过基因组整体复制而来,随后发生了次生的染色体片段丢失。脊椎动物基因组的复制很可能也采用了与酵母菌进化相似的方式。或许这种先复制后丢失的进化模式普遍存在于动物的进化历史之中。然而,对于脊椎动物的进化人们缺少像在啤酒酵母中那样直接的证据。如果脊椎动物整体基因组的确发生过复制,据推测发生在头索动物从脊索动物主干分化之后、硬骨鱼类分化之前。这个时间可能比啤酒酵母发生复制的时间早5倍,比阿拉伯芥发生复制的时间早10倍。就目前的研究方法和技术水平,要证明这么久远的复制难度很大,要证明它没有发生过更难。文