基因组的进化课件

第十一章 基因组的进化第一节第一节 基因组进化的分子基础基因组进化的分子基础第二节第二节 基因组进化的模式基因组进化的模式第十一章 基因组的进化第一节 基因组进化的分子基础1第一节第一节 基因组进化的分子基础基因组进化的分子基础1.突变突变1.1突变的机制突变的机制自发的错误自发的错误(spontaneous error)，在复制过程中这些突变逃脱，在复制过程中这些突变逃脱了了DNA聚合酶的校正而保留在新合成的子链中。但在下一轮聚合酶的校正而保留在新合成的子链中。但在下一轮DNA复制时，子代链与祖代链在错配的位置将发生碱基代换。复制时，子代链与祖代链在错配的位置将发生碱基代换。来自亲代来自亲代DNA分子的某一单链，在复制时以这条已发生碱基改变分子的某一单链，在复制时以这条已发生碱基改变的单链作为模板合成新链。由此产生的子代的单链作为模板合成新链。由此产生的子代DNA中，会将这一变中，会将这一变异一直保留下去。异一直保留下去。第一节 基因组进化的分子基础1.突变2第一节第一节 基因组进化的分子基础基因组进化的分子基础1.突变突变1.1突变的效应突变的效应突变对基因组的影响突变对基因组的影响 同义突变同义突变 错义突变错义突变 终止突变终止突变 连读突变连读突变 移码突变移码突变突变对多细胞生物的影响突变对多细胞生物的影响功能丧失突变功能丧失突变（loss-of-function mutation）：通常是一个减弱或）：通常是一个减弱或消除蛋白质活性的突变造成的结果。多数功能丧失突变是隐性性状。消除蛋白质活性的突变造成的结果。多数功能丧失突变是隐性性状。功能获得性突变功能获得性突变（gain-of-function mutation）：这类突变不常见，）：这类突变不常见，突变必须提供一种异常的蛋白质活性。突变必须提供一种异常的蛋白质活性。第一节 基因组进化的分子基础1.突变3第一节第一节 基因组进化的分子基础基因组进化的分子基础2.重组重组2.1同源重组同源重组Holliday模型模型 Holliday模型模型描述的重组发生在2个同源双链分子之间，也包括彼此间只有小段区域同源的分子或同一分子中2个同源区段之间的重组。在一条单链产生缺口单链侵入D环形成异源双链同源重组的起始同源重组的起始（Meselson Radding模型）第一节 基因组进化的分子基础2.重组在一条单链产生缺口42条同源DNA分子ABabDNA分子间单链交换组成异源双链DNA连接酶ABabHolliday结构 分叉迁移ABabABab形成叉口(chi)垂直分割相互交换水平分割同源重组的同源重组的Holliday模型模型第一节第一节 基因组进化的分子基础基因组进化的分子基础ABabAbaB2条同源DNA分子ABabDNA分子间单链交换组成异源双链D5第一节第一节 基因组进化的分子基础基因组进化的分子基础2.重组重组2.2位点专一性重组位点专一性重组 区段之间存在广泛的同源性并非重组的必要前提，在2个DNA分子之间有时只有很短的共同序列也能起始重组过程，这类重组称为位点专一性重组位点专一性重组(site-specific recombination)。2.3双链断裂重组模型双链断裂重组模型 基因转换(gene conversion)的DNA双链断裂重组模型。3.转座转座3.1DNA转座转座3.2逆转录转座逆转录转座第一节 基因组进化的分子基础2.重组6第二节第二节 基因组的进化模式基因组的进化模式DNAPOPBOBatt位点细菌DNABOPPOB噬菌体基因组整合到大肠杆菌染色体噬菌体基因组整合到大肠杆菌染色体DNA中中 噬菌体基因组和大肠杆菌基因组各有一个att位点，每个都有一个称为O的相同的中间顺序和两侧顺序组成。大肠杆菌O两侧序列为B和B（表示bacterial att site)，噬菌体O两侧序列为P和P（表示phage att site）。第二节 基因组的进化模式DNAPOPatt位点细菌7第一节第一节 基因组进化的分子基础基因组进化的分子基础哺乳动物哺乳动物DNA双链断裂重组模型双链断裂重组模型 此机制中合成的DNA都是以同源分子区段作为模板从断裂处开始拷贝，这是基因转换的分子基础。因为由外切核酸酶从缺口处开始切除的单链顺序现在由未切割的同源分子单链所取代。酵母中交配型的基因转换具有类似的机制。RPARAD50MRE11NBS1RAD52RAD54RAD511.同源搜寻2.单链侵入3.DNA合成DNA连接酶解离酶同源重组第一节 基因组进化的分子基础哺乳动物DNA双链断裂重组8第二节第二节 基因组进化的模式基因组进化的模式1.遗传系统的起源遗传系统的起源1.1RNA世界世界 由于具有催化活性RNA的发现，关于生命系统起源的研究才发生了根本性的改变。称为核酶的RNA包括rRNA和tRNA可以完成多种生化反应：(1)自我剪接，三种内含子的加工能力；(2)催化切断其他RNA，如mRNA和rRNA的加工中切除内含子；(3)合成多肽键，这是rRNA分子的重要功能之一；(4)催化核苷酸的合成。RNA催化活性的发现解决了以往关于先有多聚核苷酸还是先有多肽链的两难困境，表明最初的生化系统整个地集中在RNA。第二节 基因组进化的模式1.遗传系统的起源 9第二节第二节 基因组进化的模式基因组进化的模式1.遗传系统的起源遗传系统的起源1.1RNA世界世界初始RNA分子新互补拷贝自发多聚体化初始模板核苷酸早期早期RNA世界世界RNA分子的拷贝分子的拷贝 在RNA多聚酶进化之前，与RNA模板结合的核糖核酸能自发地聚合。这一过程很不精确，但可产生许多RNA序列。第二节 基因组进化的模式1.遗传系统的起源初始RNA分10第二节第二节 基因组进化的模式基因组进化的模式1.遗传系统的起源遗传系统的起源1.2基因组的起源基因组的起源编码编码RNA分子转变为第一个分子转变为第一个DNA分子分子第一个拷贝的DNA分子 核苷酸 脱氧核糖核苷酸T A C T 还原 dA dC dG G T A C dT dC dAT C G dC dG dARNA拷贝DNARNA第二节 基因组进化的模式1.遗传系统的起源编码RNA分11第二节第二节 基因组进化的模式基因组进化的模式1.遗传系统的起源遗传系统的起源1.2基因组的起源基因组的起源 RNA世界如何转变为世界如何转变为DNA世界？世界？为什么会出现为什么会出现RNA向蛋白质的转变？向蛋白质的转变？RNA的催化活性转移到蛋白质是的催化活性转移到蛋白质是RNA原始基因组功能的根本性改变，使原始基因组功能的根本性改变，使RNA与与蛋白质的分工逐渐明朗，进而提高了整个生蛋白质的分工逐渐明朗，进而提高了整个生化系统的效率。化系统的效率。RNA的编码功能转移到更的编码功能转移到更为稳定的为稳定的DNA是一种必然趋势。是一种必然趋势。OHOHOH53RNARNA一级结构一级结构第二节 基因组进化的模式1.遗传系统的起源OHOHOH12第二节第二节 基因组进化的模式基因组进化的模式1.遗传系统的起源遗传系统的起源1.2基因组的起源基因组的起源 RNA世界向世界向DNA世界的过渡世界的过渡可以概括为：地球上最早出现的生物大分子为RNA，RNA同时具有催化与编码两种功能。RNA可以催化肽键形成并合成蛋白质，此后RNA与蛋白质联手以RNA为模板合成DNA。这是一个关键的转变时期，生命世界的三大主要多聚分子，RNA、蛋白质和DNA的分工基本定形：RNA的编码功能由DNA取代，催化功能转移到蛋白质，RNA自身则称为传达遗传信息的中介分子。第二节 基因组进化的模式1.遗传系统的起源132.新基因的产生新基因的产生2.1基因与基因组加倍基因与基因组加倍整个基因组加倍单条或部分染色体加倍单个或成群基因加倍 全套基因组的加倍可使基因数目急剧增加全套基因组的加倍可使基因数目急剧增加酵母基因组在1亿年前经历了一次完全的加倍植物基因组中的异源多倍体第二节第二节 基因组进化的模式基因组进化的模式2.新基因的产生第二节 基因组进化的模式142.新基因的产生新基因的产生2.1基因与基因组加倍基因与基因组加倍单个基因以及基因群加倍在进化过程中经常出现单个基因以及基因群加倍在进化过程中经常出现 不等交换：不等交换：位于同源染色体上不同位置的相似核苷酸顺序之间发生的重组事件，其结果是在重组的区段产生1段DNA重复。姐妹染色体之间的不等交换：姐妹染色体之间的不等交换：与上述的不等交换机制相同，只是发生在同一染色体的1对姐妹染色单体之间。DNA放大：放大：在细菌和其他单倍体生物中，复制泡内2条子链DNA之间发生不等交换使1条链的某一段顺序加倍。某些基因重复并不产生多样性某些基因重复并不产生多样性第二节第二节 基因组进化的模式基因组进化的模式2.新基因的产生第二节 基因组进化的模式15重复序列同源染色体配对重复第二节第二节 基因组进化的模式基因组进化的模式C.DNA放大放大B.姐妹染色体之间的不等交换姐妹染色体之间的不等交换A.不等交换不等交换复制叉重复序列同源染色体配对重复第二节 基因组进化的模式C.162.新基因的产生新基因的产生2.2外显子洗牌与蛋白质创新外显子洗牌与蛋白质创新功能域加倍功能域或外显子洗牌体外蛋白质进化2.3DNA水平转移水平转移原核生物中的DNA水平转移真核生物中的DNA水平转移2.4基因冗余基因冗余第二节第二节 基因组进化的模式基因组进化的模式2.新基因的产生第二节 基因组进化的模式17CysAspPheLeuHisCys YHisZnCysAspPheLeuHisCys YHisZnNC987654321 Pol 基因转录因子TFA的基序组成，DNA结合功能域由9个重复的锌指组成，每个锌指基序各由1个外显子编码。功能域加倍功能域加倍CysAspPheLeuHisCys YHisZnCysA18指形模块Kringle结构纤连蛋白组织血纤维蛋白溶酶原激活因子表皮生长因子生长因子功能域 组织血纤维蛋白溶酶原激活蛋白模块组织血纤维蛋白溶酶原激活蛋白模块功能域或外显子洗牌功能域或外显子洗牌使TPA刺激细胞增生使TPA与血纤维蛋白凝块结合使TPA与血纤维蛋白结合，激活TPA指形模块Kringle结构纤连蛋白组织血纤维蛋白溶酶原激活因19供体菌F 菌毛蛋白与受体菌接触时，参与交配的细菌开始被联系在一起 细菌的接合转移细菌的接合转移供体菌F 菌毛蛋白与受体菌接触时，参与交配的细菌开始被联系在20 当整合的F 因子在OriT 处产生切刻后，染色体DNA 的转移就开始了。首先转移的是一段短的F-DNA，接下来是染色体DNA，直到两细菌分离时转移停止。细菌的接合转移机制细菌的接合转移机制 当整合的F 因子在OriT 处产生切刻后，染21w供体(donor)DNA与受体(receptor)细胞结合(binding)：结合发生在受体细胞特定部位(结合点)对供体DNA片段有一定要求结合是一个可逆过程wDNA摄取：当细菌结合点饱和之后，细菌开始摄取外源DNA往往只有一条DNA单链进入细胞(单链摄入)，另一条链在膜上降解w联会(synapsis)与外源DNA片段整合(integration)：整合整合指单链转化DNA与受体DNA对应位点置换，稳定掺入到受体DNA中的过程，实际上就是遗传重组遗传重组过程研究整合的分子机制也就是研究遗传重组的分子机制细菌的转化机制细菌的转化机制供体(donor)DNA与受体(receptor)细胞结合(22基因组的进化课件233.非编码顺序的扩张非编码顺序的扩张3.1非编码非编码DNA的作用的作用 关于它在疾病、发育和演化中的重要性有越来越多的证据。此外，非编码DNA对于DNA损伤的修复，DNA转座，促进细胞分裂方面也有重要作用。3.2转座因子和基因组进化转座因子和基因组进化 从进化的角度观察，转座因子对生物有潜在的价值，但从短期效果分析，转座因子常常产生不利的后果，因为转座因子插入到基因编码区导致基因的失活。正是基于这一原因，大多数细胞中转座因子的活性因甲基化而受到抑制。第二节第二节 基因组进化的模式基因组进化的模式3.非编码顺序的扩张第二节 基因组进化的模式243.非编码顺序的扩张非编码顺序的扩张3.3内含子的起源内含子的起源3.3.1群、群、群和群和群内含子的起源：群内含子的起源：大多数研究者都认为所有这3种可自我剪接的内含子起源于RNA世界。3.3.2 GU-AG内含子的起源内含子的起源：“内含子早起源”假说认为，内含子在生命起源的早期即已经存在，它们在真核生物的进化中逐步丢失。“内含子晚起源”假说认为，内含子在生命起源只是生命进化中较晚出现的时间，随后在真核生物中逐渐积累。第二节第二节 基因组进化的模式基因组进化的模式 对原始真核生物贾弟虫基因组研究表明：内含子进化大约发生在20亿年前早于真核生物分化为不同分支的时间。3.非编码顺序的扩张第二节 基因组进化的模式 25