基因组进化模式

关于基因组进化模式基因组的进化模式基因组的起源—RNA的世界新基因的获得—倍增非编码DNA与基因组的进化

COLLEGEOFLIFESCIENCE第2页,共52页，2024年2月25日，星期天基因组进化

起源进化基因组进化生命的起源基因组起源

COLLEGEOFLIFESCIENCE第3页,共52页，2024年2月25日，星期天生命起源上帝创造说自然发生说地球起源说外星起源说

COLLEGEOFLIFESCIENCE第4页,共52页，2024年2月25日，星期天

COLLEGEOFLIFESCIENCE第5页,共52页，2024年2月25日，星期天“生命的起源自然发生说”成立的基本条件

在地球形成初期的自然条件下，能够自发合成地球生命重要生物大分子。原始地球

COLLEGEOFLIFESCIENCE第6页,共52页，2024年2月25日，星期天最早的生化系统什么是生命？

最早的生命形式是什么？

勾勒出与现有生命系统相似的生物大分子合成的地球化学过程，生物大分子是如何从随机组合到有序组装，显示部分生命相关的生化特性的

COLLEGEOFLIFESCIENCE第7页,共52页，2024年2月25日，星期天

遗传/生命起源Q1:蛋白质？不能自我复制Q2:DNA?需要酶的共同存在/催化Q3:RNA?可能1.具有催化活性（核酶=rRNA&tRNA）1980sdisco.(自我剪接、催化其它RNA、合成多肽键、催化核苷酸合成等)；2.具备生命分子的两种属性：以自身为模板--自我复制，为遗传信息传递的载体；催化活性表型作用

COLLEGEOFLIFESCIENCE第8页,共52页，2024年2月25日，星期天特点：（1）新链自发聚合（2）碱基配对不严谨，错配较多。

COLLEGEOFLIFESCIENCE最初的生化系统可能以RNA为核心第9页,共52页，2024年2月25日，星期天原基因组(protogenome)：由RNA组成的早期生命系统的基因组称为原基因组(protogenome)特点：

能自我复制并指导简单的生化反应的那些分子。这些反应可能包括释放自由能的能量代谢，如现在我们所看到的一样，是基于核糖核苷酸ATP和GTP磷酸-磷酸键水解之上的，并可能在脂膜中分室进行，形成最初的细胞样结构。

COLLEGEOFLIFESCIENCE第10页,共52页，2024年2月25日，星期天基因组的起源Q4:具有核酶活性的RNA，为何要被蛋白质取代？可能：多肽链有更大的可塑性/RNA碱基配对区段有较强的物理刚性+RNA分子短，限制其催化反应活性。先决条件：具有酶学活性的蛋白质的出现，并取代核酶的大多数功能。

COLLEGEOFLIFESCIENCE第11页,共52页，2024年2月25日，星期天编码RNA的两种进化可能A.核酶可能进化成具有催化和编码双重功能B.核酶合成一种编码分子

COLLEGEOFLIFESCIENCE第12页,共52页，2024年2月25日，星期天基因组的起源Q5:具有自我复制功能的RNA，为何要被DNA

取代？1.RNA的磷酸酯键受到2’-OH基团的非直接效应稳定性差；2.转变容易：核糖核苷酸2’-OH基团还原成脱氧核苷酸在逆转录酶作用下，RNADNA.3.DNA更稳定。

COLLEGEOFLIFESCIENCE第13页,共52页，2024年2月25日，星期天RNA基因组向DNA基因组的进化DNA基因组：稳定双链

COLLEGEOFLIFESCIENCE第14页,共52页，2024年2月25日，星期天RNADNA世界过渡过程(3部曲)—1.RNA出现；2.RNA催化肽键形成/合成蛋白质；3.RNA与蛋白质共同催化以RNA为模板的遗传物质合成新的稳定性高的遗传物质DNA

COLLEGEOFLIFESCIENCE第15页,共52页，2024年2月25日，星期天基因组的进化模式

—新基因的获得

COLLEGEOFLIFESCIENCE第16页,共52页，2024年2月25日，星期天生命复杂程度与基因组复杂程度的同步：

时间生物类群基因数量

35亿年前原核生物1000-200014亿年前真核生物~100005亿年前原始脊椎动物~40000（寒武纪末）

COLLEGEOFLIFESCIENCE第17页,共52页，2024年2月25日，星期天基因组获得新基因的途径1.基因加倍之后的趋异。（主要方式，LongM等，2003）2.外显子或结构域洗牌（19%）3.逆转录极其随后的趋异或重排4.外源基因水平转移(OchmanH等,2005)5.基因裂变和融合(SnelB等,2000)6.非编码序列转变为编码序列（LevineMT等，2006）

COLLEGEOFLIFESCIENCE第18页,共52页，2024年2月25日，星期天新基因的产生基因与基因组加倍通过1-3完成：整个基因组（同源、异源多倍体—脊椎有？）；单条/部分染色体；单个/成群基因（多见，如：多基因家族）。

COLLEGEOFLIFESCIENCE第19页,共52页，2024年2月25日，星期天（1）、全基因组倍增多倍体化—全基因组倍增

COLLEGEOFLIFESCIENCE第20页,共52页，2024年2月25日，星期天SyntenyinSaccharomycescerevisiae(Wolfe＆Shield1997)

COLLEGEOFLIFESCIENCE第21页,共52页，2024年2月25日，星期天Modelofgeneduplication（2）、部分基因组倍增

Unequalcrossingover:recombinationbetweenregionssituatedatdifferentplacesonapairofhomologouschromosomes

COLLEGEOFLIFESCIENCE第22页,共52页，2024年2月25日，星期天b、Unequalsisterchromatidexchange:sameasunequalcrossingover,butinvolvesapairofchromatidsfromasinglechromosome

COLLEGEOFLIFESCIENCE第23页,共52页，2024年2月25日，星期天c、Replicationslippage:canamplifyshortregions

COLLEGEOFLIFESCIENCE第24页,共52页，2024年2月25日，星期天800Ma500Ma200Ma40Ma肌红蛋白β-球蛋白α-球蛋白α2α1ζ2

δβGYAYε人类人类珠蛋白基因进化过程中的基因复制

COLLEGEOFLIFESCIENCE第25页,共52页，2024年2月25日，星期天结构域重排(domainshuffling):当功能域（或外显子）由不同基因中不同结构域的片段重新组合时，可形成一个全新的功能域，具有新的功能，为细胞提供完全不同的生物学功能。结构域倍增:编码结构域的基因区段通过不等位交换、复制滑移或其他已提到的DNA序列倍增方式中的某一种被倍增，使基因变长。可能结果：蛋白更稳定或产生新的活性。

COLLEGEOFLIFESCIENCE（3）.外显子重排与蛋白质功能的实现第26页,共52页，2024年2月25日，星期天

COLLEGEOFLIFESCIENCE第27页,共52页，2024年2月25日，星期天

COLLEGEOFLIFESCIENCE第28页,共52页，2024年2月25日，星期天

功能域重排有何利用价值？体外蛋白质进化(Coco，2001)

COLLEGEOFLIFESCIENCE第29页,共52页，2024年2月25日，星期天体外蛋白质进化

COLLEGEOFLIFESCIENCE第30页,共52页，2024年2月25日，星期天功能域重排的应用实例：头孢菌素酶可使细菌对抗生素艾内酰胺产生抗性。含有头孢菌素酶基因的细菌通常能够忍受培养基中0.75ug/ml的艾内酰胺。以来自四种细菌:弗氏柠檬酸杆菌(Citrobacterfreundii)，阴沟肠杆菌(Enterobactercloacae)，肺炎克氏杆菌(Klebsiellapneumonia)和小肠结肠炎耶尔森氏菌(Yersiniaenterocolitica)的头孢菌素酶基因为出发基因，酶基因的重排。其中效力最高的可对200ug/ml艾内酰胺产生抗性,是原值的250倍。证明：通过定向进化可以显著改变酶的活性。

COLLEGEOFLIFESCIENCE第31页,共52页，2024年2月25日，星期天2、从其他物种获得新基因：异源多倍体化（Allopolyploidy）

在植物中，可通过多倍化获得新基因。通常形成异源多倍体的两个物种关系密切，许多基因是共有的。但每个亲本都拥有一些对方不具有的基因，或至少是共有基因中的不同等位基因。例如产面包小麦(Triticumaestivum)，

COLLEGEOFLIFESCIENCE第32页,共52页，2024年2月25日，星期天动物的种间基因转移：

动物体的种间基因转移发生较困难，很难找到某一类水平基因转移(horizontalgenetransfer)的例子。许多真核基因具有与古细菌或真细菌序列相关的特点，但这被认为是反映了真核细胞的内共生起源而不是在进化的较晚期获得基因。但是，有证据表明，细菌基因随食物摄入而掺入真核基因组的情况比预想的普遍(Doolittle，l998)。逆转录病毒和转座元件在动物种间的基因转移中起关键作用。

COLLEGEOFLIFESCIENCE第33页,共52页，2024年2月25日，星期天XiaofangXieCollegeofLifeScienceFujianAgricultureandForestryUniversityE-mail:xxf317@非编码DNA与基因组的进化第34页,共52页，2024年2月25日，星期天1、非编码DNA的扩张

真核生物，特别是高等真核生物基因组DNA的绝大部分是非编码序列，如人类基因组仅有1.5％为编码顺序。迄今为止，我们对非编码顺序的进化及其对基因组结构和表达的影响了解不多。大部分非编码DNA是以相当随意的方式进化。

COLLEGEOFLIFESCIENCE第35页,共52页，2024年2月25日，星期天非编码DNA的作用观点一：非编码DNA具有某种尚未识别的功能；例如哺乳动物中位于基因3’翻译区(3’-UTR)的分散重复顺序MIR，它们与转录后调控有关(Lipmamn，1997)。Hughes(2000)也谈到哺乳动物重复顺序MIR可能参与mRNA的可变剪切及多聚腺嘌呤加尾，还可以提供蛋白质编码信息。观点二：大多数非编码DNA实际上并无功能,基因组之所以能容忍其存在是因为选择压力并不作用于它们。

COLLEGEOFLIFESCIENCE第36页,共52页，2024年2月25日，星期天2、转座因子和基因组进化

COLLEGEOFLIFESCIENCE第37页,共52页，2024年2月25日，星期天

转座因子对基因组的整体进化方面的影响：（1）最重要的是引起基因组重排，如缺失、重复、倒位与移位。后果：（a）多数造成基因的丢失或加倍等有害后果

(b)少数会带来某些益处例如有一对LINE-1因子在大约3500万年前的一次重组引起

-球蛋白基因的加倍，产生了该基因家族中的Gr和Ar成员(Maeda

等，1986)。

COLLEGEOFLIFESCIENCE第38页,共52页，2024年2月25日，星期天（2）、改变基因的表达模式当转座的位点正好紧接在基因上游的控制区，由于破坏了原有基因DNA结合蛋白与调控顺序的结合或与转录起始复合物的互作，可直接干扰或关闭下游基因的表达。（3）、转座因子中的启动子和增强子会对邻近基因的表达调控产生影响，使邻近基因的表达完全从属于由转座因子所确定的模式(McDonad，1995)

COLLEGEOFLIFESCIENCE第39页,共52页，2024年2月25日，星期天

例：老鼠sep基因。

sep基因编码1个免疫响应蛋白，其组织专一性的表达由邻近逆转座因子中的增强子决定(Stavenhagn等，1988)。

COLLEGEOFLIFESCIENCE第40页,共52页，2024年2月25日，星期天（4）转座因子插入到基因中造成剪接模式的改变(WangW等，2005)。（5）逆转录转座因子的转座以RNA为中介，通过转录产生的大量RNA可为逆转录转座提供合成cDNA的模板，由此发生爆发式的转座事件，使基因组急剧扩张。例：

a人类基因组约35％的由逆转录转座因子组成，

b高等植物50％以上的核基因组由逆转录转座因子组成(Kumar等，1999)。

COLLEGEOFLIFESCIENCE第41页,共52页，2024年2月25日，星期天3、内含子起源

内含子发现于20世纪70年代

COLLEGEOFLIFESCIENCE第42页,共52页，2024年2月25日，星期天研究的热点：内含子起源（1）I群、Ⅱ群和Ⅲ群内含子多数人都认为所有这3种可自我剪接的内含子起源于RNA世界，并一直延续至今而未发生大的改变。（2）在GT-AG内含子

GT-AG大量出现在真核生物基因组中，起源存在较大分歧。

COLLEGEOFLIFESCIENCE第43页,共52页，2024年2月25日，星期天

内含子起源的主要假说：

（1）“内含子早起源”假说(intronearly)

内含子在生命起源的早期即已存在，它们在真核生物的进化中逐步丢失。

（2）“内含子晚起源”假说(intronlate)

内含子起源只是生命进化中较晚出现的事件，随后在真核生物中逐渐积累。

COLLEGEOFLIFESCIENCE第44页,共52页，2024年2月25日，星期天

“内含子早起源”假说：假说的依据：

GT-AG内含子与Ⅱ型内含子相似，因此，认为在基因组起源的极早阶段Ⅱ型内含子即已产生了GT-AG内含子，并已在基因组中大量出现。(基因外显子理论模型)

关键：证明在进化的早期阶段内含子会从细菌基因组中丢失以及如何丢失。

薄弱点：内含子丢失时破坏基因功能的可能性很高。

COLLEGEOFLIFESCIENCE第45页,共52页，2024年2月25日，星期天基因外显子理论

COLLEGEOFLIFESCIENCE早期基因组短基因短基因多结构域、单亚单位蛋白内含子第46页,共52页，2024年2月25日，星期天

“内含子晚起源”假说认为最初的基因是缺少内含子的，内含子这种结构是后来产生并在真核生物的早期侵入到基因组内部，随后在基因组中扩散。

假说的依据：

GT-AG和Ⅱ型内含子的剪接方式之间存在相似性，因而有人认为可能Ⅱ型内含子从细胞器基因组中逃逸侵入到核基因组中并最终形成今天所见到的GT-AG内含子模式。

COLLEGEOFLIFESCIENCE第47页,共52页，2024年2月25日，星期天两种假说论证的关键：

（1）对于“内含子早起源”假说：来自不同种属的同源基因内含子所占据的位置应该相似，因为这些基因都来自具有内含子的祖先基因。支持“内含子早起源”假说的早期证据来自动植物丙糖磷酸异构酶(triosephosphareisomerase)的4个内含子的分析