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1、第12章 基因组进化的分子机制 1) 1) 突变突变 2) 2) 重组重组 3) 3) 转座转座 DNA重组 DNA重组有两种方式： 1）同源重组； 2）双链断裂重组。染色体配对与交叉同源姐妹染色体的交换与重组产生的表型同源姐妹染色体的交换与重组产生的表型改变称为变异改变称为变异.变异不涉及基因或染色体的变异不涉及基因或染色体的突变突变,但能提供大量的基因型但能提供大量的基因型,是重要的进是重要的进化动力之一化动力之一. 同源重组-HolliHollidayday模型大肠杆菌同源重组过程（1 1）RecBCD酶酶与与线线性性分分子子的的未未端端结结合合然然后后解解旋旋，随随后后朝朝前前寻寻找找
2、第第一一个个8碱碱基基基基序序5 GCTGGTGG 3，又又称称叉叉点点（chisite）。大大肠肠杆杆菌菌基基因因组组平平均均6kb有有一一个个叉叉点点。RecBCD的的核核酸酸酶酶在在离离叉叉点点3端端约约56个个核核苷苷酸酸处处切切开开单单链链产产生生游游离离单单链链未未端端，然然后后侵侵入入基基因因组组同同源区段内部。源区段内部。重组时DNA单链侵入同源双链RecA与与DNA结结合合后后形形成成一一个个蛋蛋白白质质包包裹裹的的DNA纤纤丝丝，侵侵入入同同源源双双螺螺旋旋DNA形形成成D 环环结结构构。D 环环的的中中间间产产物物是是一一个个三三链链（triplex），侵侵入入的的多多聚
3、聚核核苷苷酸酸位位于于完完整整的的双双螺螺旋旋主主沟沟内内并并与与其其配配对对的的核苷酸碱基建立氢键连接。核苷酸碱基建立氢键连接。 分叉前移的机制叉点前移在叉点前移在5-A/TTG/C-3顺序优先停止顺序优先停止,该顺序在大肠杆菌基因组中该顺序在大肠杆菌基因组中经常出现经常出现.当当RuvAB复合物离开叉点后复合物离开叉点后,两个两个RuvC蛋白取而代之蛋白取而代之,并完并完成成Holliday结构的解体任务结构的解体任务.交叉交叉DNA中的异源配对双链必需交互切中的异源配对双链必需交互切割才能彼此分开割才能彼此分开,切割事件在切割事件在5-A/TTG/C-3顺序的顺序的T和和G/C之间之间.
4、转 座1）DNA转座转座2）RNA转座转座HIV病毒的结构逆转录病毒RNARNA基因组(1)(1)逆转录病毒RNA的逆转录(1)逆转录病毒RNA的逆转录(2)逆转录病毒转座非LTRLTR逆转子转座第第13章章 基因组进化的模式基因组进化的模式1)遗传系统的产生遗传系统的产生2)基因组进化的模式基因组进化的模式遗传系统的产生遗传系统的产生1)RNA世界世界2)复制复制,转录转录,翻译翻译系统的产生系统的产生3)生命三界生命三界RNA世界1)1986年年,WalterGilbert发明了发明了“RNAWorld”这一名词这一名词,用来表示前生命时期携带信息并具有催化功能的用来表示前生命时期携带信息
5、并具有催化功能的RNA分子分子.2)1986年年,ThomasCech首次发现具有自我催化的首次发现具有自我催化的RNA分分子子,四膜虫四膜虫rRNA分子可以自我剪切分子可以自我剪切.3)1989年年,JackSzostak提供实验证据提供实验证据,表明体外表明体外RNA分分子可以催化复制子可以催化复制.3)1990年年,SidneyAltman等发现等发现,大肠杆菌大肠杆菌RNaseP的的RNA亚基可以催化亚基可以催化tRNA前体剪切前体剪切.4)1992年年,HarryNoller证实核糖体证实核糖体RNA(rRNA)具有催化具有催化肽键形成的功能肽键形成的功能.由于发现具有催化功能的由于
6、发现具有催化功能的RNA,ThomasCech和和SidneyAltman共享共享1992诺贝尔化学奖诺贝尔化学奖.RNA World学说的奠基人学说的奠基人AltmanAltman的贡献是发现的贡献是发现RNase P, RNase P, 一个由一个由RNARNA分分子和蛋白质组成的酶子和蛋白质组成的酶, , 催化大肠杆菌催化大肠杆菌tRNAtRNA前体前体的加工的加工. . 该酶的催化活该酶的催化活性是由性是由RNARNA分子执行的分子执行的. .Thomas CechThomas Cech首次发现首次发现具有自我催化的具有自我催化的RNARNA分分子子, , 四膜虫四膜虫rRNArRNA
7、分子可分子可以自我剪切以自我剪切. .RNA世界的特征1）具有催化活性的）具有催化活性的RNA分子称为核酶（分子称为核酶（ribozyme）；）；2）核酶催化的生化反应包括：）核酶催化的生化反应包括：自我剪接自我剪接内含子内含子I型，型，II型和型和III型型RNA分子具有的功能分子具有的功能.催化切断其它催化切断其它RNA在在mRNA和和rRNA的加工中的加工中URNA分子可催化切除内含子；分子可催化切除内含子；合成多肽键合成多肽键这是这是rRNA分子的重要功能之一；分子的重要功能之一；催化核苷酸的合成催化核苷酸的合成在试管中合成的在试管中合成的RNA分子已证明可分子已证明可以完成合成核糖核
8、苷酸、以完成合成核糖核苷酸、RNA的合成。的合成。RNA催催化化活活性性的的发发现现解解决决了了以以往往关关于于先先有有多多聚聚核核苷苷酸酸还还是是先先有有多多肽肽链链的的两两难难困困境境，表表明明最最初初的的生生化化系系统统整整个个地地集集中中在在RNA。核糖体本质上是一个核酶核糖体本质上是一个核酶-RibozymeRNase P RNA与与RNA世界世界RNA可以自我复制体外体外RNA分分子可以子可以催化催化RNA复复制制试管试管RNARNA分子进化，产生活性更强的分子进化，产生活性更强的RNARNA分子。分子。See:Johnstonet,Science292:1320-1325,200
9、1. RNARNA世界向DNADNA世界的转变 支持RNA世界假说的证据1)RNA application for storing genetic 1)RNA application for storing genetic informationinformation( (编码功能编码功能) ). .2)EvidenceofRNAmolecules(ribozymes)actingaschemicalcatalysts(enzyme-like)properties(肽键合成肽键合成).3)Evidencesupportingthedenovosynthesisofnitrogen-contai
10、ningbases(nucleotides)suchasadenine,guanine,cytosine,anduracil,underancientearthconditions(碱基合成碱基合成).4)EvidenceofthedenovosynthesisoftheRNAsugar(ribose),intheformofribosephosphate,underancientearthconditions(核糖合成核糖合成).核酶核酶: 基因型和表型合为一体基因型和表型合为一体核酶所具有的碱基顺序就是它的基因型核酶所具有的碱基顺序就是它的基因型,它它的高级结构及其催化活性就是它的表型的高
11、级结构及其催化活性就是它的表型.RNA世界假说的不足1)Difficultyattachingtheribosephosphatemoleculestothenucleotidebases.Noevidencehasbeenfoundyet(核苷酸核苷酸合成困难合成困难).2)CatalyticRNAs(ribozymes)appeartoocomplextojustappearandbefullyfunctional(催化催化RNA分子结构太复分子结构太复杂杂).3)Presentribozymesfounddonotdemonstratethecapacitytofullysynthesi
12、zeRNAmolecules.Raisesquestionsintothecapacityofribozymestocauseself-replicationofRNAmolecules(已发现的核酶自身不能完全合成核酸已发现的核酶自身不能完全合成核酸).4)ShortevolutionarytimespanforthedenovosynthesisfromorganicmoleculestoRNAWorldtofulllifeforms(从从RNA到生命出现进化时间太短到生命出现进化时间太短,不到不到5亿年亿年). 基因的起源在细胞出现之前是否就有基因在细胞出现之前是否就有基因? ? 最初的
13、基最初的基因是怎么产生的因是怎么产生的? ? 基因产生的意义是什么基因产生的意义是什么? ?到目前为此对上述问题还没有一个合理的到目前为此对上述问题还没有一个合理的解释解释! !三个系统的起源关系三个系统的起源关系1)任何生命都有三个不可或缺的系统任何生命都有三个不可或缺的系统复制系统复制系统转录系统转录系统翻译系统翻译系统2)上述三个系统的起源关系上述三个系统的起源关系翻译系统最早建立翻译系统最早建立,其次是转录系统其次是转录系统,最后是复制系最后是复制系统统.没有准确高效的翻译系统没有准确高效的翻译系统,遗传信息的表达是无遗传信息的表达是无法实现的法实现的,精确复制也失去了意义精确复制也失
14、去了意义见见:CarlWoese,PNAS,96:6854,1998 基因组的起源人们推测基因组的起源可能是人们推测基因组的起源可能是: :最初的最初的DNADNA基因组由许多分散的分子组成，每一个指基因组由许多分散的分子组成，每一个指令单个蛋白质，相当于一个基因。这些基因彼此连接成令单个蛋白质，相当于一个基因。这些基因彼此连接成染色体，它们可能在编码的染色体，它们可能在编码的RNARNA转变为转变为DNADNA之前或之后之前或之后出现。由于组成了含更多基因的染色体，在细胞分裂时出现。由于组成了含更多基因的染色体，在细胞分裂时基因的分配要比分散的类型更加有效而方便，在竟争中基因的分配要比分散的
15、类型更加有效而方便，在竟争中占有优势。随着早期基因组的多次进化，彼此连接的基占有优势。随着早期基因组的多次进化，彼此连接的基因所具有的不同功能也随之发展与演变。因所具有的不同功能也随之发展与演变。这一假说还无法提供证据这一假说还无法提供证据. .生命之根在哪生命之根在哪?CarlWoese认为认为:不存在一个所谓的祖先细胞不存在一个所谓的祖先细胞,最初的细胞是最初的细胞是不稳定的不稳定的,复合的复合的,具有多向发展潜力的复具有多向发展潜力的复合物合物.达尔文进化论只探讨生命出现之后的进化达尔文进化论只探讨生命出现之后的进化规律规律,不涉及生命的起源不涉及生命的起源.生命三界生命三界特征比较特征
16、特征分分界界-l细细菌菌古细菌古细菌真核生物真核生物-l核膜核膜无无无无有有l细胞器细胞器无无无无有有l细胞壁肽聚糖细胞壁肽聚糖有有无无无无l脂膜成分脂膜成分无分枝碳氢链无分枝碳氢链具某些分枝碳氢链具某些分枝碳氢链无分枝碳氢链无分枝碳氢链RNA多聚酶多聚酶一种类型一种类型多种类型多种类型多种类型多种类型蛋白质合成起始氨基酸蛋白质合成起始氨基酸甲基甲硫氨酸甲基甲硫氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸基因内含子基因内含子无无有或无有或无有有链霉素和氯霉素抗性链霉素和氯霉素抗性 - 古细菌与真核生物更相似来自海洋火山口的古细菌詹氏甲烷球菌基因组顺序分析来自海洋火山口的古细菌詹氏甲烷球菌基因组顺序分析
17、显示，它在起源上与真核类生物更加接近：显示，它在起源上与真核类生物更加接近：1 1）古细菌的翻译系统如核糖体蛋白，延伸因子和氨酰）古细菌的翻译系统如核糖体蛋白，延伸因子和氨酰 tRNAtRNA合成酶以及转录系统均与真核生物相似，而与细合成酶以及转录系统均与真核生物相似，而与细 菌有所不同。菌有所不同。2 2）在代谢系统方面，古细菌与真细菌极为相似。人们推）在代谢系统方面，古细菌与真细菌极为相似。人们推 测，古细菌和原始真核细胞可能从原始细胞分别继承测，古细菌和原始真核细胞可能从原始细胞分别继承 了部分共同的遗传物质。了部分共同的遗传物质。真核细胞起源的假说目前有三种关于真核细胞起源的假说目前有
18、三种关于真核细胞起源的假说:1)共生假说共生假说:古细菌进入真细菌彼此互助古细菌进入真细菌彼此互助,随后古细菌形成细胞核随后古细菌形成细胞核,真细菌成为细真细菌成为细胞器胞器.2)直生假说直生假说:存在含有核膜的细菌存在含有核膜的细菌,真核细真核细胞为独立起源胞为独立起源.3)病毒假说病毒假说:病毒侵入促使了真核生物的病毒侵入促使了真核生物的形成形成.引自引自Science305:766,2004存在含有核膜的细菌病毒可能参于真核细胞进化红藻红藻(redalgae)的细胞核可以象病毒一样在细胞间转移的细胞核可以象病毒一样在细胞间转移.基因组进化的模式基因组进化的模式基因组进化的模式基因组进化的
19、模式:加倍加倍重排重排洗牌洗牌不等交换不等交换扩张与扩增扩张与扩增插入与缺失插入与缺失转座因子的作用转座因子的作用基因与基因组进化的主要方式-基因和基因组加倍在基因组进化中现有基因的加倍是最重要在基因组进化中现有基因的加倍是最重要的方式之一，它们可经由以下途径发生：的方式之一，它们可经由以下途径发生： 1 1）整个基因组加倍；）整个基因组加倍； 2 2）单条或部分染色体加倍；）单条或部分染色体加倍； 3 3）单个或成群基因加倍。）单个或成群基因加倍。酵母基因组在一亿年前经历了一次完全的加倍引自引自Goffeau,Nature430:25,2004大多数植物基因组均为多倍体大多数植物基因组均为多
20、倍体1)大多数植物基因组均由同源多倍体和异大多数植物基因组均由同源多倍体和异源多倍体组成源多倍体组成,是基因数目增加的主要是基因数目增加的主要方式方式.3)玉米染色体组由染色体基数玉米染色体组由染色体基数n=5加倍为加倍为n=10,小麦为小麦为6倍体倍体(含含A,B,D=7,n=21),油菜为异源多倍体油菜为异源多倍体(n=19),棉花棉花,烟草为烟草为多倍体多倍体,香蕉为香蕉为3倍体倍体.多细胞动物很少有多倍体多细胞动物很少有多倍体1)多细胞动物基因组很少有多倍体报道多细胞动物基因组很少有多倍体报道,产生这产生这一现象的原因可能同动物的发育模式有关一现象的原因可能同动物的发育模式有关.动动物
21、发育为封闭式物发育为封闭式,胚胎发育时几乎所有未来的胚胎发育时几乎所有未来的器官原基均在同一时间产生器官原基均在同一时间产生,需要高度协调需要高度协调.多倍体带来的基因剂量的不平衡会对胚胎发多倍体带来的基因剂量的不平衡会对胚胎发育产生致命的影响育产生致命的影响.2)植物的发育是开放式植物的发育是开放式,营养器官不断地重复地营养器官不断地重复地产生产生,生殖器官与营养器官是同源的生殖器官与营养器官是同源的,因而可因而可以忍受多倍体带来的基因剂量不平衡的干扰以忍受多倍体带来的基因剂量不平衡的干扰.此外植物细胞可直接从外界吸收营养此外植物细胞可直接从外界吸收营养,降低了降低了器官和组织彼此间相互依赖
22、的程度器官和组织彼此间相互依赖的程度.2R假说假说Bioessays.2005Sep;27(9):937-45SusumuOhno在在1970年首次提出年首次提出2R假说假说.他认为他认为,在脊椎动物进化在脊椎动物进化中中,曾经发生过曾经发生过2次全基因组水次全基因组水平的加倍平的加倍.比较比较基因组顺序表基因组顺序表明明,无脊椎动物无脊椎动物基因成员在哺基因成员在哺乳动物乳动物35000个个基因中平均有基因中平均有两个同源基因两个同源基因.脊椎动物脊椎动物基因组是否发生过整体加倍?尽管已在酵母和植物中发现基因组加倍的证据，但尽管已在酵母和植物中发现基因组加倍的证据，但对脊椎动物是否出现过全基
23、因组的加倍，目前还存对脊椎动物是否出现过全基因组的加倍，目前还存在不少争论。有些分子生物学家认为，大约在不少争论。有些分子生物学家认为，大约1 1亿年亿年前酵母基因组加倍时脊椎动物也发生了同样事件。前酵母基因组加倍时脊椎动物也发生了同样事件。他们的理由是，人类基因组中他们的理由是，人类基因组中HOXHOX基因簇有基因簇有4 4份拷份拷贝，分别位于贝，分别位于2 2，7 7，1212和和1717号染色体。其他作者则号染色体。其他作者则认为，这些重复只是一些独立的事件，不足以表明认为，这些重复只是一些独立的事件，不足以表明整个基因组的加倍。整个基因组的加倍。确证脊椎动物基因组的2R假说2R假说认为
24、，在无颌类脊椎动物（假说认为，在无颌类脊椎动物（jawlessvertebrate）出现之前和出现之后分别出现过）出现之前和出现之后分别出现过一次全基因组的加倍，即脊椎动物有过两次全一次全基因组的加倍，即脊椎动物有过两次全基因组加倍基因组加倍.GenomeResearch11:667670,20012008年年6月完成文昌鱼的基因组序列测序月完成文昌鱼的基因组序列测序.对文昌对文昌鱼和脊椎动物基因组中保留下来的鱼和脊椎动物基因组中保留下来的17个先祖脊个先祖脊索动物连锁群进行染色体虚拟重建索动物连锁群进行染色体虚拟重建.结果证实结果证实在有颌类脊椎动物演化过程中在有颌类脊椎动物演化过程中,确实
25、发生了两确实发生了两轮整基因组加倍现象。轮整基因组加倍现象。2R假说是正确的假说是正确的.Nature453,1064-1071,2008文昌鱼的基因组文昌鱼的基因组分析对脊椎动物分析对脊椎动物进化的启示进化的启示对文昌鱼基因组的最新分析表明对文昌鱼基因组的最新分析表明，5.5亿年以来进化进程中脊椎动亿年以来进化进程中脊椎动物比原始祖先的基因组多出四倍物比原始祖先的基因组多出四倍的拷贝量。将人类的的拷贝量。将人类的23个染色体个染色体与文昌鱼的与文昌鱼的19个同源色体进行对个同源色体进行对比分析发现，两个基因组有比分析发现，两个基因组有17个个共同的祖先留下的片段。因此，共同的祖先留下的片段。
26、因此，可以肯定的说，在可以肯定的说，在5.5亿年前，人亿年前，人类和文昌鱼共同的祖先有类和文昌鱼共同的祖先有17个个同同源染色体。祖先的源染色体。祖先的17个同源染色个同源染色体上每一个的基因在脊椎动物的体上每一个的基因在脊椎动物的进化过程中增加了拷贝量，变为进化过程中增加了拷贝量，变为二倍体，而大部分的常规的二倍体，而大部分的常规的“管管家基因家基因”都失去了拷贝。某些基都失去了拷贝。某些基因的拷贝量的增加使得脊椎动物因的拷贝量的增加使得脊椎动物获得更多的新功能并进化形成我获得更多的新功能并进化形成我们所知的脊椎动物们所知的脊椎动物 Partitioning of the human chr
27、omosomes into segments with defined patterns of conserved synteny to Branchiostoma floridae佛罗里达文昌鱼佛罗里达文昌鱼 scaffolds. Numbers 117 at the top represent the 17 reconstructed ancestral chordate linkage groups, and letters ad represent the four products resulting from two rounds of genome duplication. Co
28、loured bars are segments of the human genome, shown grouped by ancestral linkage group (above), and in context of the human chromosomes人类染色体与文昌鱼人类染色体与文昌鱼染色体同源区段比较染色体同源区段比较基因与基因组加倍是一个动态过程1)拟拟南南芥芥基基因因组组中中约约有有75%的的区区段段发发生生了了至至少少一一次次以以上上的的重重复复，这这些些重重复复事事件件是是在在不不同同的的进进化化时时期期出出现现的的，涉涉及及的范围不同，并伴有基因的丢失。的范围不
29、同，并伴有基因的丢失。2)根根据据氨氨基基酸酸顺顺序序的的代代换换速速率率分分析析，拟拟南南芥芥基基因因组组的的重重复复区区段段可可分分成成不不同同的的年年龄龄板板块块（block），同同一一年年龄龄板板块块群群（ageclass）发生重复的进化年代近似。）发生重复的进化年代近似。3)共共有有5个个可可以以确确定定的的板板块块群群，分分别别为为B，C，D，E和和F，含含 有有 的的 ORF数数 分分 别别 为为 48%（ C） ， 39%（ D） ，11%（E）和）和3%（F）。）。4)最最近近的的重重组组事事件件发发生生在在5000万万年年前前（B板板块块），最最早早的的重重组组事事件件出出
30、现现在在2亿亿年年前前。大大多多数数重重组组事事件件发发生生在在中中生生代代（MesozoicEra，65245Mya），其其中中F板板块块出出现现的的年代代表双子叶与单子叶分化的时期。年代代表双子叶与单子叶分化的时期。 拟南芥基因组重组板块年龄组年龄组重复板块数重复板块数dA板块大小板块大小保留的重复保留的重复估计年龄估计年龄（Mya）-A2012.50.900B10.2114.50.3850C350.45149.50.15100D360.57128.00.13140E230.7160.00.11170F60.8457.80.09200-*：dA，所所有有ORF中中成成对对的的ORF氨氨基基
31、酸酸变变化化最最少少比比例例的的平平均均数数；板板块块大大小小，平平均均所所含含的的ORF数数（包包括括单单身身ORF）；保保留留的的重重复复，重重复复板板块块中中仍仍保保留留的的ORF与与推推测测的的祖祖先先ORF数数之之比比。A，可可能能系系基基因因组的误排。组的误排。脊椎动物基因组进化的主要动力在于基因的重复脊椎动物基因组进化的主要动力在于基因的重 复与趋异 重复基因的命运基因组进化中重复基因的命运基因组进化中重复基因的命运:1)由于编码顺序趋异成为具有新的生物活由于编码顺序趋异成为具有新的生物活性的基因性的基因.2)由于调控顺序的突变成为获得新的表达由于调控顺序的突变成为获得新的表达模
32、式的基因模式的基因.3)处于进化之中与祖先基因在功能上重叠处于进化之中与祖先基因在功能上重叠,表现为冗余的基因表现为冗余的基因.4)丧失功能成为假基因丧失功能成为假基因.5)在随后的进化事件中丢失在随后的进化事件中丢失.染色体重排染色体重排1)染色体重排系指染色体区段位置在染色染色体重排系指染色体区段位置在染色体内或染色体之间发生的倒位或移位事体内或染色体之间发生的倒位或移位事件件.2)染色体重排是基因组进化的主要动力之染色体重排是基因组进化的主要动力之一一.染色体重排阻止同源染色体区段的染色体重排阻止同源染色体区段的正常配对与交换正常配对与交换,促使重排区段内的突促使重排区段内的突变积累变积
33、累,是物种形成的主要原因之一是物种形成的主要原因之一.3)染色体重排染色体重排可为基因提供新的表达模式可为基因提供新的表达模式.老鼠与人类X-染色体的重排事件引自引自Pevzner,PNAS,100:7672-7677,2003重复顺序之间的交换重组1)DNA分子内重复顺序的重组分子内重复顺序的重组: 1. 反向重复顺序之间的重组导致区段倒位 2. 正向反向重复顺序之间的重组导致区段缺失2)染色体臂间重复顺序的交换重组染色体臂间重复顺序的交换重组3)染色体臂内重复顺序的交换重组染色体臂内重复顺序的交换重组4)染色体之间重复顺序的交换重组染色体之间重复顺序的交换重组4)同源染色体之间重复顺序的不
34、等交换同源染色体之间重复顺序的不等交换染色体重排与重复顺序有关1)比较线虫的两个种比较线虫的两个种,C.elegant和和C.briggsae,发现线虫基因组在发现线虫基因组在0.5-1.2亿年中发生了亿年中发生了4030次染色体重排事件次染色体重排事件.2)染色体重排事件包括转位染色体重排事件包括转位,倒位与转座倒位与转座.3)染色体重排事件大多数出现在基因间区染色体重排事件大多数出现在基因间区普遍的重复顺序以及重复的基因成员之普遍的重复顺序以及重复的基因成员之间间.4)线虫基因组重排的速率为果蝇的线虫基因组重排的速率为果蝇的4倍倍.见见:GenomeResearch16:875-867,2
35、002. 染色体之间的不等交换重复顺序的作用-引起染色体之间的不等交换1）重复顺序之间的配对可引起染色体内或染色体之）重复顺序之间的配对可引起染色体内或染色体之间的不等交换；间的不等交换；2）染色体内正向重复顺序之间的交换可引起缺失：）染色体内正向重复顺序之间的交换可引起缺失：3）染色体内反向重复顺序之间的交换可引起倒位；）染色体内反向重复顺序之间的交换可引起倒位；4）染色体之间重复顺序之间的交换可引起重复与缺）染色体之间重复顺序之间的交换可引起重复与缺失；失；5）基因内部重复顺序之间的不等交换可引起基因突基因内部重复顺序之间的不等交换可引起基因突变，变，如人类高胆固醇疾病。如人类高胆固醇疾病
36、。物种间染色体重排速率物种间染色体重排速率差别很大,与物种的群体大小, 世代周期的长短, 染色体的顺序组成等有关.染色体重排与Y-染色体进化1)人类人类Y-染色体系由染色体系由X-染色体进化而来染色体进化而来.2)在三亿年前人类祖先与鸟类分开之后在三亿年前人类祖先与鸟类分开之后,X-染色染色体发生了第一次倒位体发生了第一次倒位,由此开始由此开始Y-染色体的进染色体的进化化.3)人类人类Y-染色体共发生了染色体共发生了4次倒位次倒位,并伴随大量并伴随大量的基因突变与缺失的基因突变与缺失.4)Y染色体产生之际曾含有染色体产生之际曾含有1438个基因，但到目个基因，但到目前为止前为止, , 其中的其
37、中的1393个基因已经消失个基因已经消失, ,只剩下只剩下45个个基因基因,平均平均每百万年丢失每百万年丢失4.6个基因个基因.Y染色体上的蛋白质编码基因染色体上的蛋白质编码基因新的研究确认了新的研究确认了X染色体上有染色体上有1098个个蛋白蛋白质编码基因质编码基因，而这，而这1098个基因中只有个基因中只有54个个在对应的在对应的Y染色体上有相应功能的等位基染色体上有相应功能的等位基因，而且因，而且Y染色体比染色体比X染色体小得多，染色体小得多，Y染染色体上仅有大约色体上仅有大约78个基因。个基因。Y Y染色体是一个对个体生存染色体是一个对个体生存不必要的染色体不必要的染色体Y Y染色体是
38、惟一一个对个体生存不必要的染色体。染色体是惟一一个对个体生存不必要的染色体。人如果没有人如果没有X X染色体，或者没有其他任何一对常染色体，或者没有其他任何一对常染色体，就无法出生，在胚胎期就会死亡。而没染色体，就无法出生，在胚胎期就会死亡。而没有有Y Y染色体却对个体生存没有关系，比如女性都染色体却对个体生存没有关系，比如女性都没有没有Y Y染色体，却照样可以健康长寿。其他染色染色体，却照样可以健康长寿。其他染色体一般互相依靠，但是它们不依靠体一般互相依靠，但是它们不依靠Y Y染色体。人染色体。人类必须面对一个有可能导致自身灭亡的问题类必须面对一个有可能导致自身灭亡的问题 男性男性Y Y染色
39、体的功能正在逐渐退化，它所掌控的染色体的功能正在逐渐退化，它所掌控的基因正在逐渐减少基因正在逐渐减少。 袋鼠袋鼠Y染色体只有一个基因染色体只有一个基因-SRYAs a result of this process, for humans 95% of Y chromosome is unable to recombine, and Ychromosome contains only 70 to 300 working genes versus more than 1000 for X chromosome. For some other animals, the degradation of
40、Y chromosome is even more severe. For example, the Y chromosome in kangaroos contains only the SRY gene. Y染色体进化四步曲染色体进化四步曲Y染染色色体体的的进进化化Y染色体中的8个回文区段Y染色体中的染色体中的8个回文区含有性别决定基因个回文区含有性别决定基因,与雄性的发育有关与雄性的发育有关.这些回文区中这些回文区中,成对的顺序之间有成对的顺序之间有99.9%的一致性的一致性,当其中一个当其中一个重复顺发生突变时重复顺发生突变时,可由另一个重复顺提供复制模板可由另一个重复顺提供复制模板,
41、淘汰发生淘汰发生突变的基因突变的基因.同源重组对真核基因组多态性的影响同源重组对真核基因组多态性的影响1)真核生物均有有性繁殖真核生物均有有性繁殖.2)有性繁殖的一个重要特征是基因组必需经有性繁殖的一个重要特征是基因组必需经过减数分裂过程才能产生配子体过减数分裂过程才能产生配子体.3)减数分裂时同源姐妹染色体配对减数分裂时同源姐妹染色体配对,并发生同并发生同源染色体区段的交换源染色体区段的交换.4)同源染色体区段的交换一方面可以扩大变同源染色体区段的交换一方面可以扩大变异的范围异的范围,同时也可降低同源染色体区段的同时也可降低同源染色体区段的多态性组成多态性组成.5)缺少同源染色体配对与交换可
42、积累突变缺少同源染色体配对与交换可积累突变,增增加群体中突变的比例加群体中突变的比例,促使物种形成促使物种形成.新基因的产生新基因的产生主要有以下新基因的产生主要有以下5种种方式方式:1)基因加倍之后的基因加倍之后的趋异趋异,这类基因基本保持原有的基因这类基因基本保持原有的基因功能功能,但往往获得了新的表达模式但往往获得了新的表达模式.这是新基因产生的主要方式这是新基因产生的主要方式.2)结构域结构域洗牌洗牌,即不同的结构域加倍或重组即不同的结构域加倍或重组,产生具有创产生具有创新功能的基因新功能的基因.真核生物约真核生物约19%的基因的基因产生于外显子产生于外显子洗牌洗牌.3)逆转录及其随后
43、的趋异或重排逆转录及其随后的趋异或重排.4)基因基因裂变与融合裂变与融合,由一个基因分裂成两个不同的基因由一个基因分裂成两个不同的基因,或两个或多个基因融合组成一个新的基因或两个或多个基因融合组成一个新的基因.原核生物原核生物约约0.5%的基因由此产生的基因由此产生.5)嬗变嬗变,由非编码顺序转变为编码顺序由非编码顺序转变为编码顺序.蛋白质创新-功能域加倍 蛋白质创新-功能域洗牌果蝇jingwei(精卫)基因产生于洗牌灵长类新基因的产生与重复RanPB2acquiredadomainfromtheneighboringGCC2gene,whoseproteinproductcontainsaG
44、RIPdomainthatlocalizesintracellularlytothetrans-Golginetwork.Thenewgenefamily,spanningapproximately10%ofhumanchromosome2.细菌蛋白功能域的洗牌 外显子洗牌的分子机制基因组扩张重复顺序的增加高等生物基因组重复顺序的扩张是一个极高等生物基因组重复顺序的扩张是一个极其普遍的现象其普遍的现象,这些重复顺的扩张主要起因这些重复顺的扩张主要起因于于:1)重复顺序之间的不等交换重复顺序之间的不等交换;2)DNA的转座的转座3)逆转录转座逆转录转座玉米基因组的扩张大基因组与小基因组的结构差异
45、逆转座子SINE在不同基因组中的分布Alu在灵长类基因组中的扩张Alu逆转座子在基因组中扩张的机制1)Alu逆转座子起源于逆转座子起源于7SRNA.2)7SRNA基因属于基因属于PolIII类基因类基因,含有基因含有基因内启动子内启动子.3)7SRNA转录后后借助细胞内含有的逆转转录后后借助细胞内含有的逆转录酶和整合酶插入基因组中录酶和整合酶插入基因组中.4)因逆转录整合到基因组中的因逆转录整合到基因组中的Alu成分含有成分含有内部的启动子内部的启动子,不必借助插入位点的启动不必借助插入位点的启动子即可转录子即可转录.5)7SRNA基因为组成性表达基因为组成性表达,增加了增加了Alu表表达的机
46、率达的机率.Alu逆转座子的转座不同“人种”的基因组存在大结构的差异1)人类不同种族之间基因的组成和人类不同种族之间基因的组成和DNA顺序之间只有极其微顺序之间只有极其微小的差异小的差异,99%的碱基顺序是相同的的碱基顺序是相同的.2)人类不同种族之间存在许多极其明显的表型差异人类不同种族之间存在许多极其明显的表型差异,这些差异这些差异的遗传基础何在的遗传基础何在?3)MichaelWigleratColdSpringHarborLaboratory(Genome Res.13,22912305,2003)发现发现,人类不同种族的基人类不同种族的基因组存在广泛的基因拷贝数因组存在广泛的基因拷贝
47、数,倒位倒位,缺失的多态性差异缺失的多态性差异.4)Iceland-basedcompanydeCODEGenetics报道报道(Nature Genet.37,129137,2005),在人类在人类chr 17q21.31区有两区有两个同源但不相同的涉及个同源但不相同的涉及900kb的倒位的倒位,H1和和H2.这一倒位事这一倒位事件发生在件发生在300万年前万年前.H2型在非洲人中罕见型在非洲人中罕见,在东亚人中缺在东亚人中缺少少,20%的欧洲人具有的欧洲人具有H2.统计学分析表明统计学分析表明,携带携带H2的冰岛的冰岛女性比缺少女性比缺少H2的女性可生育更多的小孩的女性可生育更多的小孩.
48、人类基因组中的倒位多态性基因的进化速率是不相同的 丹麦研究人员发现，人类和黑猩猩丹麦研究人员发现，人类和黑猩猩500500万年前在进化途中分道扬万年前在进化途中分道扬镳后，两者的基因图谱中进化最快的都是与免疫、细胞凋亡和精子发镳后，两者的基因图谱中进化最快的都是与免疫、细胞凋亡和精子发育相关的基因育相关的基因. . 丹麦哥本哈根大学的研究人员对人类和黑猩猩具有对等功能的丹麦哥本哈根大学的研究人员对人类和黑猩猩具有对等功能的1373113731个基因进行了研究，结果发现，在人类和黑猩猩的进化树中，个基因进行了研究，结果发现，在人类和黑猩猩的进化树中，与免疫、细胞凋亡和精子发育相关的基因演变的速度
49、甚至比随机突变与免疫、细胞凋亡和精子发育相关的基因演变的速度甚至比随机突变还要快。换句话说，在自然选择的过程中，这些基因是进化最快的。还要快。换句话说，在自然选择的过程中，这些基因是进化最快的。 研究人员分析，病毒和其他病原体的进化速度很快，人类免疫系研究人员分析，病毒和其他病原体的进化速度很快，人类免疫系统不断受到新出现的病毒的威胁，因此，与抵抗疾病相关的基因进化统不断受到新出现的病毒的威胁，因此，与抵抗疾病相关的基因进化迅速是理所当然的。而与细胞凋亡和精子相关的基因进化快则让研究迅速是理所当然的。而与细胞凋亡和精子相关的基因进化快则让研究人员感到意外。凋亡是细胞死亡的机制之一，是生理性细胞
50、死亡。由人员感到意外。凋亡是细胞死亡的机制之一，是生理性细胞死亡。由于细胞凋亡会减少健康成熟的精子，因此，研究人员推测，与凋亡和于细胞凋亡会减少健康成熟的精子，因此，研究人员推测，与凋亡和精子相关的基因进化快是因为精子细胞自身进化的推动。精子相关的基因进化快是因为精子细胞自身进化的推动。DNA水平转移1）处处在在一一定定进进化化地地位位的的物物种种，由由于于突突变变的的积积累累其其基基因因组组DNA顺顺序序的的组组成成带带有有明明显显的的种种属属特特征征，密密码码子子的的使使用用偏偏爱爱也也有有一一定定的的模模式式。利利用用这这种种差差异异，比比较较基基因因组组内内及及不不同同物物种种间间基基
51、因因的的顺顺序序特特征征可可推推测测它它们们的的起起源源关关系系。大大肠肠杆杆菌菌基基因因组组中中4 288个个ORF中中发发现现有有755个个来来自自沙沙门门氏氏菌菌（Salmonella），起起源源于于物物种种之之间间的的DNA水水平平转转移移。大大肠肠杆杆菌菌与与沙沙门门氏氏菌菌约约在在1亿亿年年前前分分道道扬扬鑣，之后发生了至少鑣，之后发生了至少234次水平转移事件。次水平转移事件。2）接接合合转转移移的的基基因因可可以以整整合合到到受受体体细细菌菌的的基基因因组组中中，但但通通常常这这一一过过程程是是可可逆逆的的。因因为为这这是是由由转转座座子子完完成成的的，所所以以这这种种基基因因
52、转转移移的的方方式式很很难难产产生持久性的基因组组成的变化。生持久性的基因组组成的变化。3）细菌之间第二种）细菌之间第二种DNA转移的过程为转化，这转移的过程为转化，这一过程有最大可能影响基因组的进化。少数细一过程有最大可能影响基因组的进化。少数细菌，特别是菌，特别是Bacillus,Pseudomonas和和Streptococcus属的成员有很好的机制从周围环属的成员有很好的机制从周围环境中吸收境中吸收DNA。在漫长的进化历史中，所有种。在漫长的进化历史中，所有种属都可能以这种方式从环境中获得少数基因。属都可能以这种方式从环境中获得少数基因。对有些物种而言，转化可能是基因组进化的主对有些物
53、种而言，转化可能是基因组进化的主要因素。从已经完成的原核生物基因组顺序获要因素。从已经完成的原核生物基因组顺序获知，种属之间有广泛的基因交流。例如在知，种属之间有广泛的基因交流。例如在Hyperthermophilic bacterium，产液菌，产液菌（Aquifex aeolicus）和詹氏甲烷球菌之间，）和詹氏甲烷球菌之间，Helicobacter pylori和不同的远缘细菌之间均有和不同的远缘细菌之间均有基因交流现象。这些物种之间的基因转移显然基因交流现象。这些物种之间的基因转移显然不是通过接合转移而主要是由转化产生的。不是通过接合转移而主要是由转化产生的。细菌摄取外源DNADNA的
54、机制思 考 题1)有哪些证据支持有哪些证据支持RNA世界假说世界假说?2)为何将现存生物分为三大类群为何将现存生物分为三大类群?3)什么是什么是2R假说假说?有何证据说明有何证据说明2R假说是正确的假说是正确的?4)基因组主要通过什么方式增加基因的数目基因组主要通过什么方式增加基因的数目?5)新基因的产生有哪些主要方式新基因的产生有哪些主要方式?6)什么是外显子洗牌什么是外显子洗牌?它在基因组进化中起什么作用它在基因组进化中起什么作用?7)有什么方法可以判断基因组曾经发生过整体加倍有什么方法可以判断基因组曾经发生过整体加倍?8)染色体倒位在物种进化中有何意义染色体倒位在物种进化中有何意义?9)人类人类Y染色体中反向重复结构有何生物学意义染色体中反向重复结构有何生物学意义?10)简述转座子对基因组进化的影响简述转座子对基因组进化的影响.
