遗传学第八章

Chapter8Genomeevolution1整理ppt1.基因组：最初的100亿年2.新基因的获得3.非编码DNA与基因组进化内容2整理ppt1.基因组：最初的100亿年宇宙学家们认为宇宙起源于大约140亿年前原火球发生的大爆炸。此后的40亿年间，大爆炸产生的星云开始凝集形成各种星系。大约46亿年前，太阳系及其行星出现。大约35亿年前，陆地开始出现，产生了最早的细胞生命。第一个星系出现3整理ppt1.基因组：最初的100亿年原始地球的大气层的气体成分与今天不大一样，其中最丰富的气体是甲烷和氨气，氧气含量很低。重建远古大气的实验表明，在甲烷-氨混合气体中放电会导致化学合成一系列氨基酸，如丙氨酸、甘氨酸、缬氨酸等。此外，还能合成氰化氢和甲醛，它们可以参与进一步反应以生成其它氨基酸、嘌呤、嘧啶以及少量糖。因此，在远古光化层中可以积累一些生化分子的构成组件。1.1基因组的起源4整理ppt由生化分子的构成组件多聚化而形成生物大分子的过程可能发生在海洋中，也有可能发生在云中水滴的浓缩和干燥过程中。对生命起源的研究最初为这样一个问题所困惑：在进化中要求多核苷酸和多肽必须协调作用，才能形成自身复制的生化系统。因为蛋白质是催化生化反应所必需的，但它自身不能复制；多核苷酸能自身复制并指导蛋白质的合成，但上述功能都必需蛋白质的辅助。1.1基因组的起源A.最早的生化系统以RNA为中心5整理ppt20世纪80年代中期，一个重大的突破就是人们发现RNA具有催化活性，这类酶被成为核酶。核酶可进行三类生化反应：自身切割；切割其它RNA；合成肽键。在体外实验中，人工合成的RNA分子已经证明可以合成核糖核苷酸，合成和复制RNA分子，合成多肽等。这些催化性质的发现解决了多核苷酸-多肽假说的困境，它表明最初的生化系统可能完全是以RNA为核心的。1.1基因组的起源A.最早的生化系统以RNA为中心6整理ppt最近几年来，RNA世界的观点逐渐形成：RNA最初以一种缓慢随意的方式复制，RNA作为模板，互补的核苷酸结合的上面，这些核苷酸再自发的发生多聚化。这种互补多聚化过程可能是很不精确的，会产生多种RNA序列。1.1基因组的起源A.最早的生化系统以RNA为中心早期RNA世界中RNA分子的复制原始模板早期的RNA分子自发多聚化新的互补拷贝7整理ppt在产生的多种RNA序列中，会有一种或几种产物具有早期核酶的特性，可用于指导更精确的复制。可能在某种形式的自然选择作用下，效率最高的复制系统逐渐处于主导地位。复制精确性的提高，使得RNA增加长度而不会丧失序列特异性，从而具有更复杂的催化功能。早期的RNA分子被称作原基因组，它描述了那些能自我复制并指导简单的生化反应的分子。1.1基因组的起源A.最早的生化系统以RNA为中心8整理pptRNA世界是如何发展成DNA世界的呢？第一个主要的改变可能是蛋白酶的发展进化，它们补充并最终取代了核酶的大多数催化活性。由RNA催化向蛋白质催化的转变使得RNA原基因组功能发生根本变化，即RNA原基因组失去它们擅长的酶的功能，而转向了并不非常适合的编码蛋白质的功能。这种不适合源于RNA磷酸二酯键的相对不稳定性。因此，编码功能向更稳定的DNA的转移几乎是不可避免的，而且也并不难以实现。1.1基因组的起源B.最初的DNA基因组9整理ppt脱氧核糖核苷酸通过逆转录酶的催化反应被多聚化。通过复制互补链对DNA分子进行修复，最终获得完整的双链DNA分子。1.1基因组的起源B.最初的DNA基因组RNA分子向DNA基因组前体的转化还原10整理ppt根据这种推测，最初的DNA基因组由许多分散的分子组成，每一分子指导合成一种蛋白质，因而每个DNA都相当于一个单独的基因。这些基因连接到一起形成最初的染色体，促进了在细胞分裂时基因分配的效率，因为组织有限数目的大染色体的平均分配要比平均分配许多分散的基因容易得多。1.1基因组的起源B.最初的DNA基因组11整理ppt如果实验模拟是正确的，那么生物进化的起源阶段在早期地球的海洋或大气中一定平行发生了数次，生命的产生很可能有不止一次的机会。然而，所有现存的生物似乎从单一的起源衍生而来。比如：虽然遗传密码不是完全通用的，但在所有已研究的生物体中绝大部分遗传密码是一样的；如果生物的起源不止一个，我们可以预测应当有两种或更多种非常不同的密码。1.1基因组的起源C.生命的独特性何在？12整理ppt生物多起源是可能的，而现代生命又只从其中一种衍生而来，这表明在某一时期这种独特的生化系统开始占据主导地位。这种主导系统可能最早发展出蛋白质类的酶的方法，因而也可能最先采用了DNA基因组。蛋白质类酶和DNA基因组所拥有的更大的催化潜能和更稳定的复制能力使这些细胞与那些仍含有RNA原基因组的细胞相比具有很明显的优势，这些细胞能够繁殖的更快，并在营养竞争中胜出。1.1基因组的起源C.生命的独特性何在？13整理ppt2.新基因的获得虽然古老的化石记录很难做出明确的解释，但还是有令人信服的证据表明，35亿年前生化系统已进化为细胞，其外形与今天的细菌相似。根据化石的记录，人们看到大约14亿年前，出现了第一个真核细胞——单细胞结构的藻类。生命的进化多细胞藻类640多细胞动物530寒武纪巨变，生物大爆发，产生了许多新种类生物。大灭绝陆栖昆虫、动植物恐龙，白垩纪4.5类人动物14整理ppt形态的进化伴随着基因组的进化。当沿着进化树前进时，我们会看到基因组越来越复杂，新基因的数目也逐渐增加。在基因数目增加过程中，经历过两次基因爆发：第一次跃迁发生在14亿年前真核生物出现时，从典型原核生物的5000个或更少的基因增加到大多数真核生物的10000个或更多的基因；第二次跃迁是随着最初的脊椎动物的出现产生的，当时是在寒武纪结束不久，每种原脊椎动物可能含有至少30000个基因。基因组获得新基因有两种主要途径：(1)通过基因倍增获得新基因；(2)从其它物种获得新基因。2.新基因的获得15整理ppt2.1通过基因倍增获得新基因基因倍增在基因组进化中发挥重要作用的观点于1970年首次提出。基因倍增的最初结果是出现两个完全一样的基因。在选择压力的作用下，其中一个保持原来的序列或至少相似的序列，从而继续提供原有的单基因编码的蛋白质功能。对于第二个基因可能存在以下三种结果：(1)可能承受同样的选择压力，保持序列不变，这样可以加快基因产物的合成速率，有利于物种进化。(2)不受选择压力的作用，积累随机突变而失活，变成假基因。（较常见）（移码突变和无义突变）2.新基因的获得16整理ppt(3)在偶然情况下，突变并不引起基因失活，而产生对机体有用的新的基因功能。（不常见）基因倍增的三种结果两个基因保持相似一个基因失活17整理ppt2.1通过基因倍增获得新基因大量证据能证明很多基因是由于基因倍增而产生的。针对前面讲的第一种情况，大量基因家族的存在就是证据，家族成员间具有相同或相似的序列。最突出的例子就是rRNA基因，在生殖支原体中只有2个拷贝，而在爪蟾中则有500多个拷贝；相同基因的多拷贝现象反映了在细胞周期的某个阶段对于rRNA快速合成的需要。如果家族中的一个成员获得了有利突变，这个突变很有可能在家族成员间散播开来，这可以通过基因转变来实现，即基因的部分或全部序列由基因的另一个拷贝代替。A.基因组序列为过去的基因倍增提供了广泛的证据18整理ppt2.1通过基因倍增获得新基因在前面讲的第三种情况中，倍增基因积累的突变使基因具有了新的、有用的功能。多基因家族再次为我们提供了证据：在珠蛋白家族中，由于基因倍增的作用产生了新的基因，它们在生物体不同的发育阶段起作用。当我们比较其它基因的序列时，可以观察到相似的进化模式：比如胰蛋白酶和糜蛋白酶基因15亿年前起源于同一个祖先基因，现在胰蛋白酶在精氨酸和赖氨酸处切割蛋白质，而糜蛋白酶在丙氨酸、色氨酸和酪氨酸处切割蛋白质。在基因组的进化过程中，由一个基因进化产生了两种功能互补的蛋白质产物。A.基因组序列为过去的基因倍增提供了广泛的证据19整理ppt人类珠蛋白超家族的进化祖先珠蛋白8亿年前，第一次基因倍增神经珠蛋白5.5亿年前，第二次基因倍增细胞珠蛋白血红蛋白肌红蛋白5亿年前，第三次基因倍增20整理ppt在生物进化过程中，不仅存在单个基因的倍增，还存在基因簇的倍增。Hox基因簇的进化文昌鱼脊椎动物有鳍魟鱼21整理ppt2.1通过基因倍增获得新基因基因倍增可以有以下几个途径：(1)不等位交换：一对同源染色体上不同位置的相似核苷酸序列间产生的重组。不等位交换的结果是重组后的一条染色体上一段DNA被倍增。B.多种过程可以导致基因倍增22整理ppt2.1通过基因倍增获得新基因(2)不等位姐妹染色单体互换：同一染色体的一对姐妹染色单体上不同位置的相似核苷酸序列间产生的重组。与不等位交换发生机制相同。B.多种过程可以导致基因倍增23整理ppt2.1通过基因倍增获得新基因(3)DNA扩增：DNA复制时，来自复制泡中的两个子代DNA分子发生不等位重组，从而导致基因倍增。B.多种过程可以导致基因倍增24整理ppt2.1通过基因倍增获得新基因(4)复制滑移：DNA复制时，模板链和子代链发生相对移动，使部分模板链被重复复制或者被遗漏。基因相对较短时可以用这种方式进行基因倍增。B.多种过程可以导致基因倍增亲代分子子一代分子子二代分子复制滑移的结果增加的重复单位25整理ppt2.1通过基因倍增获得新基因这四种途径都会导致串联倍增，即两个倍增片段在基因组上相邻，这和我们观察到的很多基因家族分布的模式一致。当然多基因家族的成员并不总是排列在一起，比如人类基因组中有三种功能性的醛缩酶，各自位于不同的染色体上。这些拷贝可能曾经是串联排列，后因大规模的染色体重排而散开，也有可能由基因倍增过程本身而产生，比如通过逆转座进行基因倍增。B.多种过程可以导致基因倍增26整理ppt2.1通过基因倍增获得新基因(5)通过逆转座进行基因倍增当一个基因的mRNA被反转录成cDNA后再重新插入基因组，如果插入的位点不含有启动子序列，那么插入的序列不能被转录，形成已加工的假基因。如果插入的位点位于另一个基因启动子附近，就会获得转录活性，这种方式产生的基因倍增被称为反转录基因（retrogene），它一般不包含内含子。最近，人们发现反转录基因也可能是完整的基因，它不仅包括内含子，还包括部分或全部的启动子序列。B.多种过程可以导致基因倍增27整理ppt2.1通过基因倍增获得新基因产生这种完整的反转录基因时，逆转录的模板不是mRNA，而是由于错误的启动子而产生的反义RNA，即与mRNA互补的RNA分子。B.多种过程可以导致基因倍增反义RNA中的内含子区域不再含有内含子剪接序列，所以不会被剪接体剪切，内含子会一直保留。28整理ppt2.1通过基因倍增获得新基因前面介绍的过程产生的都是较小的DNA倍增片段，长度一般在几十kb左右。那么，有没有可能存在着更长片段的倍增呢？当减数分裂产生配子的过程发生了错误，从而导致配子是二倍体而不是单倍体时，基因组倍增就有可能发生。如果两个二倍体配子融合，将会产生同源多倍体（autopolyploid），此时四倍体细胞核中含有每条染色体的四个拷贝。同源多倍体通常可以存活，在植物中并不罕见。如：香蕉（3）；马铃薯（4）。C.全基因组倍增也是可能的29整理ppt同源多倍化的基础间期前期I正常减数分裂配子是单倍体异常减数分裂配子是二倍体前期II30整理ppt同源多倍体不能与其亲本间杂交前期I两个同源染色体形成二价体第三个染色体没有同源染色体因而三倍体生物是不育的。31整理ppt2.1通过基因倍增获得新基因同源多倍性并不直接导致新基因数目增加，增加的只是每一基因的额外拷贝。但它的确为新基因增加提供了可能性，因为额外基因并不是细胞功能必需的，它们可以积累突变，变成新基因。既然这样，我们能不能从现存基因组中找到由于基因倍增而获得大量新基因的证据呢？D.对当代基因组的分析为基因组倍增提供了证据32整理ppt2.1通过基因倍增获得新基因可以预见，获得这样的证据将相当困难，因为来自基因组倍增的许多额外基因拷贝会退化，在DNA序列中不再可见。那些进化出新功能的基因会保留下来，也能被鉴定出来，但我们很难分辨它们是来自全基因组倍增，还是仅是小片段的倍增。要标记出一次基因组倍增，就必须发现大的多组基因倍增，两个组合中基因的排布顺序还必须相同。D.对当代基因组的分析为基因组倍增提供了证据33整理ppt酿酒酵母基因组中一个基因倍增组合的例子同源基因的位置716在酿酒酵母中共鉴定出55个基因倍增组合，包含376对同源基因，覆盖了一半以上的基因组。这些基因都只有两个拷贝，从未出现过三个或三个以上的拷贝，表明它们是全基因组倍增的产物。此外，在拟南芥、人类和其它哺乳动物基因组中都发现有基因组倍增事件存在。34整理ppt2.1通过基因倍增获得新基因基因倍增不仅可以产生新的基因，也可以导致已有基因内部的改变。由于蛋白质大都由结构域组成，结构域编码片段的重排会产生新的蛋白质功能。E.基因组进化也包括已有基因的重排结构域由临近的核苷酸序列编码35整理ppt2.1通过基因倍增获得新基因结构域的改变主要有以下两种方式：(1)结构域倍增：编码结构域的基因区段通过不等位交换、复制滑移或其它方式倍增。倍增的结果是蛋白质结构域重复，这可能是有利的，如使蛋白质更稳定。倍增的结构域也可能因为其编码序列突变而逐渐改变，产生新的活性。值得注意的是：结构域倍增使基因变长。基因变长可能是基因组进化的普遍结果，高等真核生物的基因的平均长度大于低等生物。E.基因组进化也包括已有基因的重排36整理ppt结构域倍增37整理ppt2.1通过基因倍增获得新基因结构域的改变主要有以下两种方式：(2)结构域混排：来自完全不同基因的、编码结构域的区段结合在一起形成一个新的编码序列，它对应产生杂合或嵌合的蛋白质。这种蛋白质可能是具有不同结构特点的新的组合体，可能具有全新的生化功能。E.基因组进化也包括已有基因的重排38整理ppt结构域混排39整理ppt2.2从其他物种获得新基因基因组获取基因的第二种可能方式是从其他物种得到。比较细菌和古细菌基因组序列发现横向基因转移是在原核生物基因组进化过程中的一个主要事件。大多数细菌和古细菌的基因组中有至少数百个kbDNA即数十个基因，好像来自于另一个原核生物。2.新基因的获得40整理ppt2.2从其他物种获得新基因原核生物间的基因转移主要有以下两个方式：(1)接合：两个细菌形成物理性接触，DNA从一个细菌（供体）转移到另一个细菌（受体）。接合可使质粒在种间转移，通常使受体菌获得新的基因功能。质粒转移是很重要的，因为通过这种方式可以跨越种间障碍，在细菌菌落中传播抗生素抗性基因。2.新基因的获得41整理ppt2.2从其他物种获得新基因原核生物间的基因转移主要有以下两个方式：(2)转化：指受体细胞从环境中摄取供体细胞释放的DNA片段。只有某些细菌，特别是杆菌、假担保菌和链球菌属的成员才能有效地从周围环境中摄取DNA。与接合一样，通过转化进行的基因转移可以在任何一对原核生物之间发生，而不止在密切相关的原核生物间进行。2.新基因的获得42整理ppt到目前为止，我们注意力都集中在编码DNA的进化上，但编码DNA只占人类基因组的1.5%，因此如果不考虑非编码DNA，我们关于基因组进化的观点就很不完整。分子进化生物学家们一直对真核生物基因组存在如此大量的非编码DNA感到困惑，为什么基因组能容忍这些明显无用的DNA呢？这有4种可能：(1)这些非编码DNA包含有我们未知的非常重要的功能，如果细胞没有这些DNA就不能存活。3.非编码DNA与基因组进化43整理ppt(2)非编码DNA可能起结构性的作用，比如帮助染色质固定于核内。(3)非编码DNA可能具有分子生物学家还没有发现的广谱调节功能。(4)非编码DNA没有任何功能，由于没有选择压力存在，所以能被基因组所忍受。现在我们已经认识到非编码DNA的某些部分，如基因组上游调节区，具有重要的功能。特别对于转座元件和内含子来说，它们具有相当有趣的进化历史，在基因组进化中具有普遍重要性。3.非编码DNA与基因组进化44整理ppt3.1转座元件与基因组进化转座元件对于整体的基因组进化具有很多影响，最明显的是转座子能够启动重组事件，导致基因组重排。同一转座元件的不同拷贝具有相似的序列，因而能够启动同一染色体上的不同部分或不同染色体间的重组。3.非编码DN