ma分子进化基础

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,Fundamental s of Molecular Evolution,Wen-Hsiung,Li (The University of Texas, Houston)Dan,Graur,(Tel Aviv University),Sinauer,Associates, Inc.,PublishersSunderland, Massachusetts, 1991,Figure 21.1,分子进化分析介绍,进化：,是一种不断改进的过程。,“,每个生物每时每刻都在为,生存,进行反复的斗争，如果在复杂多变的生存条件下该生物仍然能够不断,改进,自己，那么其将有较大的生存可能性，并被自然选择所保留。被自然选择保留下来的物种都倾向于繁殖其已经被改进的新的生命形式,”,-,物种起源,18,世纪之前，,神创论和物种不变论,。,18,世纪，相信,物种是变化,的。拉马克用环境作用的影响、器官的用进废退和获得性的遗传等原理解释生物进化过程，创立了第一个比较严整的进化理论。,1859,年,达尔文,发表,物种起源,，论证了地球上现存的生物都由共同祖先发展而来，并提出自然选择学说以说明进化的原因，从而创立了,科学的进化理论,。,20,世纪,30,年代，,综合进化论,，综合了细胞遗传学、群体遗传学以及古生物学等学科的成就，进一步发展了进化理论。,20,世纪,60,年代末，,分子进化中性学说,，认为种内和种间大多数可见差异是适合度很小的随机突变的固定所决定的。,生物学家：,We have a dream,Tree of Life:,重建所有生物的进化历史并以系统树的形式加以描述,1.1 DNA,序列,1.2,基因结构,蛋白质编码的基因,(protein coding genes),，,RNA,基因，,调节基因,1.3,遗传密码,1.4,突变,1,基因结构与突变,突变，可以根据受突变事件影响的序列的长短来分类例如突变可能影响到一个核苷酸点突变（,point mutations),或几个相互邻近的核苷酸,我们也可按突变事件造成的变化类型将突变分成：替换（,substitutions),即一个核苷酸被另一个所取代；缺失（,deletions),即从中移去一个或多个核苷酸；插入（,insertions),向序列中添加一个或多个核苷酸；倒位,(inversions),即含有,2,个或多个碱基对的双链片段转动,180,。,典型真核生物的蛋白质编码基因的图示结构,群体遗传学探讨发生在群体内的遗传变化，本章将介绍某些对理解分子进化来说至关重要的群体遗传学的基本原理群体遗传学的一个基本问题是确定一个突变基因的频率在各种进化力量的影响下将如何随时间而变化,.,此外，从长期的观点看，重要的是决定一个新的突变变异型完全替代群体中的老变异型的概率以及估计替代过程将会进行得多快。与形态上的改变不同，许多分子变化好象对生物的表型只有很小的影响，所以分子变异型的频率受机遇的影响强烈。因此，在处理分子进化时机遇因素应该被考虑进去,.,2.1,等位基因频率方面的改变,进化是在群体的遗传组成方面发生变化的过程。 因此进化过程中最基本的部分是等位基因频率随时间的变化。事实上，从进化的观点看一个新突变要变得有意义就必须增加它自己的频率并最终在群体中被固定,fixed,。即在随后的世代中所有个体将共有同一种突变型等位基因。如果不增加自己的频率，那么这个突变将对该物种的进化史几乎没有影响。,对于一个要增加频率的突变型等位基因来说，必须是某些因子而不是突变来掺入作用，这些因子包括自然选择、随机遗传漂变、重组和迁徙。,为了认识进化的过程我们必须研究以上因子是如何影响等位基因频率的变化的。,本书里我们只讨论自然选择和随机遗传漂变,在涉及形态学性状的经典进化研究中自然选择被看成是进化的主要驱动力量。,与此成鲜明对比的是在分子水平上随机遗传漂变被认为在进化中起重要作用。,研究群体中的遗传变化有两种数学途径决定性的和,随机性,的决定性模型。,2.2,自然选择,自然选择,natural selection,被定义成一个群体内遗传上不同的个体或基因型的有差别的增殖。,有差别的增殖是由个体间如死亡率,能育性,生殖力交配成功和后代生活力等因子方面的差异所造成的。自然选择是个体间在与增殖有关的性状方面存在遗传变异的必然结果。,如果一个群体由在这类性状方面相互无差别的个体所组成则它将不会受到自然选择选择，导致等位基因频率随时间而变。然而，仅仅是等位基因频率从一代到另一代发生变化并不一定表示自然选择在起作用，别的过程例如随机遗传漂变也能导致等位基因频率随时间的改变。,基因型的适合度,fitness,，通常用,w,表示，是一个关于该个体的生存和增殖能力的尺度，不过由于一个群体的大小通常受其所处环境的负载容量限制，所以某一个体的进化成功不是由其绝对适合度,absolute fitness,而是由其与群体中其他基因型相比的相对适合度,(relative fitness),所决定的。,在自然界不能预期一个基因型的适合度在所有世代和所有环境条件下保持不变，然而，对每种基因型指定一个恒定的适合度值我们就可以得出一些简单的理论公式，它们对理解由自然选择导致的群体遗传结构变化的动力学是很有用的。,2.3,随机遗传漂变,正如上面提到的自然选择不是引起等位基因改变的唯一因子，等位基因频率变化也可因机遇而产生。,虽然在这种情况下变化不是有方向性的而是随机的，产生等位基因频率的随机波动的一个重要因子，是生殖过程中配子的随机取样，之所以出现取样问题是因为在自然界中绝大多样情况下任一个世代中可用配子的数目都远大于下一世代所产生的成年个体数，换句话说只有一小部分配子成功地发育到成体。,随机遗传漂变的最终结果是一个等位基因的固定以及所有别的基因的丢失。要不发生这样的结果，除非通过象突变或迁移这样的过程，使等位基因不断地向群体中输入或者由某种平衡选择积极地维持着多态现象。,2.4,有效群体大小,2.5,基因替换,新突变在群体内不断地产生着，结果基因替换不断地发生，用一个等位基因替代另一个，而有时它自己又被一个新的等位基因所替代。,2.6,遗传多态性,如果一个基因座位在群体中有两个或更多的等位基因存在，则它就被说成是多态性的,polymorphic,。,测度某一群体的多态性程度的最简单方法之一是通过将多态性基因座位数用所取样本的基因座位总数来除，以算出多态性基因座位的平均比例。,2.7,新达尔文学说与中性突变假说,新达尔文主义,(neo-Darwinism),的那种理论框架，根据该学说虽然突变被看成是遗传变异的根本源，但自然选择却在决定群体的遗传构成并在基因替换的过程中被认为起着决定性的作用。,中性学说,neutral theory of molecular evolution,极力主张分子水平上的大多数进化变化以及物种内的大多数变异性既不是由有利等位基因的正选择也不是由平衡选择所造成的； 而是由选择上呈中性或近中性的突变型等位基因的随机遗传漂变所造成的。从理论意义上讲，中性并不意味着所有等位基因的适合度完全相等。它的意思只是说这些等位基因的命运很大程度上是由随机遗传漂变所决定的。换句话说，选择可能会起作用但它的强度太弱以至于不能抵消机遇作用的影响。要使这种情况成为事实，一个等位基因的选择优势度或劣势度的绝对值必须小于,1/(2Ne),其中,Ne,为有效群体大小。,中性论者和选择论者间争论的本质涉及突变型等位基因的适合度值的分布问题，两种学说都认为大多数新突变是有害的，并且它们很快被从群体中清除，所以它们对替换速率和群体内的多态性的量都没有什么贡献。不同的是关于非有害突变中中性突变的相对比例问题，选择论者主张很少的突变是选择中性的。中性论者却认为大多数非有害突变都是有效中性的。,前,20,年时间里关于中性突变假说的激烈争论给分子进化带来了很大影响。,首先，它导致了在考虑分子变化的进化动力学时随机漂变的作用不容忽视这一点得到普遍承认。,第二，分子生物学和群体遗传学间综合通过分子进化和遗传多态性，只是同一现象的两个侧面。这一概念的导入而大大加强。,Kimurra,和,Ohta,1971,虽然争论仍在继续，但任何令人满意的进化学说必须与分子水平上进化过程的这两个方面一致，这一点现在已得到承认。,3,核苷酸顺序中的进化变化,3.1 DNA,序列中的核苷酸替换,朱克斯和坎托,Jukes,和,Cantor,1969,的一参数模型,one-parameter model,和木村,(Kimura ,1980),的两参数模型,(two-parameter model),3.2,两,DNA,序列间的核苷酸替换数,核苷酸替换常常是从那些有共同起源的分子的成对比较中推断出来的。,两个核苷酸序列相互分岐以后每一个都将积累核苷酸替换。,两个同源序列的比较涉及对缺失和插入位置的鉴别问题，因为两个品系从其共同祖先分岐演化以来，任何一个中都可能发生这类变化这一过程称为顺序线性排比,sequence alignment,点阵法,顺序距离法,How do you extract this information from an alignment?,Figure 21.4,3.4,核苷酸替换数的间接估计,在估计两序列间核苷酸替换数方面最完全的解决可通过比较它们的核苷酸顺序而得到。不过替换数也可从其他类型的分子数据，象限制酶图谱或者,DNA-RNA,杂交得到的数据，间接地推断出来。,限制性核酸内切酶片段模式和位点图谱,4,核苷酸替换的速率和模式,4.1,核苷酸替换的速率,核苷酸替换的速率,rate of nucleotide substitution,被定义成每年每位点的替换数。,编码区,非编码区,4.2,替换速率变异的原因,替换速率是由两个因子所决定的，突变率和一个突变的固定概率。后者又与该突变是有利的中性的还是有害的。有关由于突变率看来在一个基因内变化不大而在不同基因间则可能变化较大，所以我们将对一个基因的不同区域间的速率变异和不同基因间的速率变异分别讨论。,不同基因区域间的变异,替换速率上的差异就可归因于两种不同类型位点间纯洁化选择的强度上的差异这可用分子进化的中性学说来理解。,基因间的变异,4.3,一个正选择例子乳牛和叶猴的溶菌酶,基因组的绝大多数基因和非基因区域中核苷酸替换的速率和模式都可以通过（,1,）突变输入（,2,）中性或近中性等位基因的随机遗传漂变和（,3,）排斥有害等位基因的纯洁化选择，这三方面的结合来加以解释。,4.4,分子钟,不同进化谱系间替换速率上出现变异的原因,能用所谓世代时间效应,generation time effect,来加以解释，啮齿类的世代时间比人的要短得多，所以如果在这些生物间每世代的种系复制没有很大差别的话，则每年的种系复制的次数在啮齿类中就可能比在人类中要高许多倍。因为突变大多在复制的过程期间积累，所以复制的周期数越多则突变错误也将发生得越多。,替换速率上的差异也可部分地归因于修复系统的效率方面的差异,4.5,细胞器中,DNA,的替换速率,植物叶绿体线粒体和细胞核基因中核苷酸替换速率的比较,4.6,假基因中的核苷酸替换模式,假基因中的替换模式,4.7,同义密码子的非随机应用,有助于理解非随机应用现象的一个观察事实是一个生物中或有亲缘关系的物种中的基因一般表现出对同义密码子的选取有同样的模式。于是哺乳动物大肠杆菌和酵母的基因被归为不同的密码子应用类型。,在大肠杆菌和酵母这两个物种中密码子应用偏斜都是在高水平表达的基因中比在低水平表达的基因中更严重，,对此差异的一个简单解释是在高水平表达的基因中对翻译效率和精度的选择要强一些，所以密码子应用偏斜也就显著一些。,另一方面在低水平表达的基因中选择相对而言较弱，所以该应用模式主要受选择压力和随机遗传漂变的影响因而偏斜程度也低一些。,在大肠杆菌和酵母中，同义密码子的选取受着可用性和其他与翻译效率有关的因素的限制，这些限制结果将以纯洁化选择表现出来，从而减缓了同义替换的速率。,5,分子系统发育,5.1,分子数据对系统发育研究的影响,5.2,系统树,系统发育研究的目的是建立各生物间正确的系谱学联系和估计各生物自它们从最后一个共同祖先那里分岐以来的分岐的时间。,在系统发育研究中一组生物类群间的进化关系常用系统树,phylogenetic,tree,来图示说明，系统树是一种由节点和分枝组成的图象，其中任何两个邻近的节点都只由一个分枝来联结。,有根树和无根树,有根树和无根树,真实树和推测树,基因树和物种树,Phylogenetic,Trees,Phylogenetic,Trees,The Four Steps,of,Phylogenetic,Analysis,Alignment,- building the data model and extracting a dataset,Determining the,substitution model,- consider sequence variation,Tree,building,Tree,evaluation,Lineage tree of life on earth,5.3,系统树的构建方法,4 toes,20 teeth,10 ribs, 5 toes,round lobes, long legs,oval lobes, 16 teeth, 25,verts,8 ribs, 3 toes, short legs,X,F,H,G,4 toes, short legs, 8 ribs, 16 teeth, oval lobes,20 teeth, 5 toes, 10 ribs, round lobes, long legs,3 toes, round lobes,round lobes, 20 teeth, 25,verts,10 ribs, 5 toes, long legs,F,G,H,X,1,4,1,Tree length: 6 steps,5,2,5,Tree length: 12 steps,ATGGCT,AAGACG,AAGACT,CAGGCT,CAGGCT,T-A,G-A,T-G,A-C,4 steps,Reconstructing Lifes Tree: An example using parsimony,Phylogenetic Analysis,PCR of 133,Alu,loci,117 Ye5,13 Yc1,1 Yi6,1 Yd3,1 undefined subfamily,PNAS (2003) 22:12787-91,Alu,Elements and Hominid Phylogeny,PNAS (2003) 22:12787-91,Population Relationships Based on 100 Autosomal Alu Elements,Africa,Asia,Europe,S. India,5.4,表型学与进化枝学,5.5,枝长的估计,5.6,寻找无根树的根,5.7,物种分岐时间的估计,5.8,进化枝,鸟类爬行类和哺乳类的分枝进化图，爬行类不构成一个自然进化枝，因为它们与鸟类有共同祖先，而后者并不被包括在爬行纲中。另一方面鸟类与鳄类却构成一个自然进化枝，初龙亚纲因为它们所共有的一个共同祖先黑色方块不为任何别的生物所共有。,显示脊椎动物的个纲鸟纲爬行纲和哺乳纲间的进化关系,5.10,线粒体和叶绿体的内共生起源,分子证据绝对地支持内共生学说，,将叶绿体和原核生物的基因组与真核生物的核基因组区别开的分子特征,最根本的支持来自,rRNA,顺序数据由于,rRNA,顺序有较低的替换速率所以它们已被证明对处理涉及非常古老的进化分岐事件的问题是很有用的。,Tree of Life: 16S,rRNA,真菌,真核生物,古生菌,5.11,分子古生物学,从微克量保存下来的组织中得到的不纯样本的现在已有可能对它的片段加以定序了。,采用我们可以从博物馆标本象保存下来的有机物质主要是皮肤和肌肉严重损坏的考古学遗物甚至骨骼中找回某些特别的序列。,应用此法现在已可能建立某些已灭绝物种象南非斑驴和澳大利亚袋狼间的系统发育关系，或决定斯堪的那维亚铁器时代的沼泽地人和埃及木乃伊这些已灭绝人类群体间的祖先后裔关系，对后两个人类群体的形态学比较得到的结果比较含糊。,应用,PCR,法托马斯等已能对来自袋狼,Thylacinus,cynocephalus,和其他澳大利亚与南美有袋类的线粒体的,219,个核苷酸加以定序和比较，并且与来自有胎盘类的同源顺序比较。,应用此法他们已能在以下两种说法间作出取舍，袋狼与南美的有袋动物类群有亲缘关系，和袋狼与其他澳大利亚有袋类的亲缘关系很近。,从这些顺序比较中得出的结论是袋狼与另外两种澳大利亚有袋类几近灭绝的塔斯马尼亚魔鬼一种袋獾（,Sarcophilus,harrisii,),和澳大利亚虎猫一种袋鼬（,Dasyurus,maculatus,),有很近的亲缘关系，但与一种南美有袋类负鼠一种毛鼹（,Philanderopossum,andersoni,),只有较疏远的亲缘关系。,6,由基因重复和外显子混匀造成的进化,最先注意到基因重复在进化中的重要性的是霍尔丹,Haldane,1932,和马勒,(,Muller,1935),。,他们认为 一个基因的多余复本也许能发生引起岐化的突变， 因而最终将会以一个新基因的形式出现。,大野,Ohno,1970,以分子的， 生物化学的和细胞学的证据为凭， 把这种看法引向了极端，主张基因重复是唯一能引起新基因产生的途径。,虽然 现在已经知道还有一些别的产生新功能的方式,但大野的观点在很大程度上还是成立的。,断裂基因的发现启发了吉尔伯特，于是他提出内含子间的重组，为基因间外显子序列交换提供了一种机制 。,已经发现的许多这类外显子交换的例子表明： 这种机制在真核生物的基因（以出现新功能的形式）进化中 起着十分显著的作用 。,在大多数情况下 蛋白质水平上的域重复常指示出在,DNA,水平上出现了外显子重复 。,外显子重复是,DNA,内部重复的最重要类型之一， 真核生物的基因一般由许多外显子和内含子组成。而相邻的外显子常常是等同的或相互间非常相似的。,这些事实表明 ：现代生物中许多复合基因是通过原始基因的内部重复和随后的修饰进化而来的，这类原始基因假定只含一 个或少数几个外显子， 且只能执行简单的生物学功能。,域重复和基因的延长,对真核生物的现有基因的勘测表明： 内部重复在进化中是频繁发生的 ，这种在基因大小上的增加 或基因的延长,gene elongation ,是简单基因向复合基因进化中最重要的步骤之一。,理论上基因的延长也可通过其他方式发生， 例如 ：将一个终止密码子转变成一个有意义的密码子的突变也能使基因延长，类似地 一个外来 片段插入某一外显子中 或出现删除拼接位点的突变， 也能得到同样的结果。,6.4,基因家族的形成与新功能的获得,基因重复可能会导致产生遗传新型或新基因的结果。,变异的重复,variant repeats,由一个基因的多拷贝所构成，虽然这些拷贝相互类似，但在其顺序方面却或多或少地有一定程度的差异。,在一个基因组中属于某一群重复顺序的所有基因合起来被称为一个基因家族,gene family,或多基因家族,multigene,family,。,一个基因家族的成员通常位于同一染色体上相互间极靠近的地方。在某些情况下,一些功能性的或非功能性的家族成员可能会位于别的染色体上。,同功酶,除了不变的重复以外，高等生物的基因组还含有许多其成员相互间已发生不同程度岐化的多基因家族。,其中最能说明问题的例子是为同功酶编码的基因家族象乳酸脱氢酶醛缩酶肌酸激酶和丙酮酸激酶等。,同功酶,isozymes,是催化同样的生化反应，但在组织特异性生长、调控电泳移动性或生化特性等方面相互间可能有差别的一类酶。,注意同功酶是由不同的基因座位，通常是重复后的基因来编码的。这与异型酶,allozymes,不同后者是由同一个基因座位上的不同等位基因编码的某种酶的不同形式。,6.5,重复基因的无功能化,多余的重复基因更可能是变成无功能基因，而不是进化成一个新基因。因为有害突变远比有利突变发生得频繁。,一个重复基因的无功能化即产生一个假基因，这样产生的假基因称未加工的（,unprocessed,）,假基因这与将在第七章中讨论的经过加工的假基因相反。,6.6,基因重复的年代测定,两个基因如果它们是从一次重复事件中得来的，则称为平行相关的（,paralogous,）,。 如果它们是从一次物种形成事件中得来的，则称为垂直相关的,orthologous,。,6.7,珠蛋白基因超家族,珠蛋白超家族曾经历过所有可能发生在重复顺序家族中的进化路线，原始功能的保留，新功能的获得和某些重复中功能的丧失。,-globins and,-globins are polypeptides of hemoglobin and are coded by genes on different human chromosomes and are expressed at different times in development,Mammals,Primates,6.8,外显子混匀,有两类外显子混匀（,exon,shuffling,）,外显子重复和外显子插入。外显子重复指一个基因中的一个或多个外显子的重复，所以它是一种内部重复。,外显子插入是这样一种过程，通过该过程结构域或功能域在蛋白质之间发生交换，或者被插入一个蛋白质之中。,这两类混匀都曾在产生新基因的进化过程中被采用。,Exon shuffling via,SINE mobilization,exon 1,SINE,intron,exon 2,SINE transcription can extend past the normal stop signal,Reverse transcription creates DNA copies of both the SINE and exon 2,DNA copy of transcript,Reinsertion occurs elsewhere in the genome,SINE,exon 2,一个外显子从一个基因插入另一个基因，结果产生镶嵌或嵌合蛋白质的情况，第一个被发现的镶嵌蛋白质是组织血纤蛋白溶酶原活化因子。,外显子混匀上的相位限制,为了使一个插入某一基因的内含子中的外显子不至于引起阅读框架上的框架移动，接受基因时的相位限制就必须遵守。,Exon,duplication,Exon,shuffling,Exon,shuffling,F,EGF,K,K,K,F,F,F,F,EGF,EGF,EGF,EGF,Epidermal growthfactor gene with multipleEGF,exons,Fibronectin,gene with multiple“finger”,exons,Plasminogen,gene with a“,kringle,”,exon,Portions of ancestral genes,TPA gene as it exists today,Figure 21.15,6.9,产生新功能的变通途径,除了基因重复和外显子混匀以外，还有许多别的产生新基因或新多肽的机制。以下将考虑,3,种这样的机制。,重叠基因,一个,DNA,片段能通过用不同阅读框架来为一个以上的基因编码。,在重叠基因中非简并位点的比例要高于非重叠基因中的同类比例，这就大大降低了同义突变在总突变中的比例。,变通性的拼接,原始转录产物的变通性拼接可能会造成从同一个,DNA,片段产生不同多肽产物的结果。,基因分享,基因分享是一个基因在没有重复也没有失去原始功能的情况下，获得了并保持着第二种功能。不过基因分享可能会要求在组织特异性或发育时序性的调节系统方面发生一点变化。,基因分享最初在晶状体中发现。,基因分享可能是相当普通的现象，事实上一些酶和晶状体自身就可能有两种以上的功能。,6.10,多基因家族的协同进化,一个重复顺序家族的成员在一个物种内相互间一般是非常相似的，而来自不同物种的该家族的成员即使这些物种间亲缘关系很近，相互间也可能是很不一样的。,这一现象最先被布郎等查觉，他们是在比较来自非洲蟾蜍,Xenopus,laevis,和,X.borealis,的核糖体,DNA,时发现的,后一种蟾蜍那时曾被误认为是,X.,mulleri,。,协同进化的机制,不等价交换,unequal crossing over,和基因转变,gene conversion,近来认为是造成协同进化的两个最重要的机制,不等价交换可以发生在生殖细胞减数分裂时，某一染色体的两条姐妹染色单位体间。也可以发生在有丝分裂时的两同源染色体间，,一个交互重组的过程就是在一条染色单体或染色体中产生某一顺序的重复，而在另一条中则造成相应的缺失。,图（,a,）,展示出的例子中一次不等价交换事件导致一条子染色体上出现,3,个重复段的增幅，而在另一条上则出现,3,个重复段的缺失。,这种不等价交换的结果是两个子染色体都变得比它们的亲本染色体更为同源化。,除不等价交换和基因转变之外，还有一些其他机制象,复制滑脱,和,转座,也能造成某一家族中变异型基因的获得或丢失。,最后应注意到，协同进化不仅要求突变在该家族成员间的水平转移，同源化。而且要求突变向群体中的所有个体传播固定，所以我们还需要考虑随机遗传漂变的效应。,对在,DNA,转移和随机遗传漂变等各种机制联合作用下,多基因家族的协同进化过程,起了一个名称,，,即,分子驱动,(molecular drive),。,协同进化的进化论含意,协同进化使得某一变异型重复能传向所有基因家族的成员，这种水平地传播的能力有着深远的进化后果，因为这样一来，一个有利突变型重复就能替代所有其他重复而在该家族中固定。,于是通过协同进化，一个较小的选择优势可以变成较大的选择优势，在这方面，协同进化优于基因家族各个成员的独立进化。,关于新基因产生的传统观点是先发生一次基因重复事件，然后该重复产生的两个基因之一逐渐分化而变成一个新基因。,现已搞清该过程可能不象以前所假定的那样简单只要两个基因分岐的程度不是很大，则那个发生分化的拷贝就有可能通过不等价交换而被清除，或者通过基因转变而转化成保持原样的拷贝。,在前一种情况下，它需要再发生一次重复以产生一个新的多余拷贝。而在后一种情况下，则必须从头开始分化，所以重复基因的岐化进程可能比传统上认为的要慢得多。,为此，一个新基因从某一多余拷贝中产生的机会就减少了。另一方面基因转变也可能会阻止一个多余的拷贝长时期地成为无功能状态或者也许能有选择地使一个死基因假基因复活过来。,基因转变是一种非交互重组的过程，在此过程中两个序列相互作用的方式为其中一个被另一个转化。,从协同进化过程的观点看，基因转变中最重要的类型是非等位基因转变，即位于不同基因座位的基因间的转变而不是不同的等位基因形式间的转变。,7,由转座造成的进化,7.1,转座与反录转座,7.2,可转座因子,7.3,反转录序列,反转录基因，加工后基因,processed gene,或反录基因,(,retrogene,),是一种有功能的反转录序列 ，它产生的蛋白质与产生该反转录基因的原基因所产生的蛋白质等同或接近等同。,加工后假基因,加工后假基因,processed,pseudogene,或反转录假基因,retropseudogene,是一个失去其功能的反转录序列， 它带有一切有功能的反转录序列的标记 ，但却有一些妨碍其表达的分子缺陷 。,加工后假基因已在动物， 植物 甚至细菌中发现。,在有些情况下， 加工后假基因的数目可以超过其有功能对应物数目，达几个数量级。,乌卢和楚迪 发现,Alu,序列实际上是确定,7,的基因的加工后假基因 ，,7,在切除分泌蛋白质的信号顺序中是至关重要的， 其活性基因受着严格限制。,加工后假基因的进化,一旦加工后假基因作为基因组中的一种染色体序列而存在后， 它就是无功能的并不受一切选择的限制。 由于缺少功能 所以假基因受两种进化过程的影响,(,Graur,等,1989,b),。,第一种,涉及点突变的极迅速的积累 。这种积累最终会抹去假基因与其功能同源物间的顺序相似性 ，因为后者的进化要缓慢得多。 假基因的核苷酸组成将变得与其无功能的近邻越来越相象， 以至最终它将 混入 其中 这一过程曾被称为组成同化 （,compositional assimilation,） 。,第二种进化过程的特征是 与其功能基因相比 ，假基因会变得越来越短 这种长度缩短 （,length abridgement,）,是由于缺失超过插入而造成的。,总而言之，看来加工后基因产生的速率比它们通过缺失而被抹去的速率要快得多。,7.4,转座对宿主基因组的影响,第一,，如以上所讲到的 细菌中的转座子常常带有能给予携带者以抗生素抗性或其他抗性的基因，于是 转座子也许能使该宿主物种在某种逆境中生存。,第二,， 一个基因的表达也许会因为可转座因子存在于该基因之中或其邻近而改变。,第三,， 许多可转座因子能促成大型的基因组重排 倒位 易位 重复以及大段的缺失和插入可以经可转座因子的中介而发生。,第四,，有证据表明 某些可转座因子可能会造成突变率增加。,7.5,杂种劣势,果蝇中的杂种劣势 （,hybrid,dysgenesis,）,是由一些相关的异常遗传性状造成的症候群。 这些性状在某些相互作用的品系间的一个杂种类型中自发地诱生出来 。但在相反方向交配的杂种中则通常不会出现。,杂种劣势曾引起分子生物学家和进化生物学家的浓厚兴趣。 因为已经发现它是由可转座因子造成的， 且它的主要特征是产生阻止品系间或群体间杂交的屏障， 而这种屏障则曾被推测是物种形成的一个原因。,7.6,转座与物种形成,物种形成,speciation,或分枝进化,(,cladogensis,),，,即从一个亲本物种产生两个或多个物种 是最重要的进化过程之一， 遗憾的是， 在分子水平上 它也是我们了解得最少的进化过程之一 。,我们不知道新物种是通过什么方式而从老物种中产生的，我们所知道的只是 物种形成的过程需要在两个属于同一物种的群体间产生生殖障碍， 使得它们就不再能杂交 。,7.7,可转座因子拷贝数的进化动力学,7.8,水平基因转移,水平基因转移,horizontal gene transfer,被定义成遗传信息从一个基因组向另一个基因组特别是在两个物种之间的转移。,Gene expression alteration via a P-element mobilization in,Drosophila,P,因子在果蝇的种间的水平转移。,8,基因组的组织化和进化,8.4,真核生物基因组的重复结构,区域化的重复序列,可能既不会降低 ，也不会提高个体的适合度。 因此 这类序列的进化不受自然选择的影响， 而主要是由基因转变和不等价交换 所决定的。 这些机制将产生两种结果， 序列同质性 和 拷贝数随进化时间而大幅度波动 。,散在的重复序列,第二类高度重复的序列由散在于整个基因组中的序列所构成。 散在的高度重复序列的拷贝已在内含子基因的侧翼区域 基因间区域 和非基因 中发现， 有两大类散在的高度重复序列,LINE,，,SINE,。,Protein-coding,rRNA, and,tRNA,genes (1.5%),Human genome,Introns,andregulatorysequences (,26%),Repetitive DNA(green and teal),Figure 21.UN02,8.5,增加基因组大小的机制,基因组增加分成两种类型 ：,全局性增加,即整个基因组或它的主要部分 如染色体 重复 和,局部性增加：,即某一具体序列增殖而产生重复。 在后一种情况中， 我们又分散在的重复序列产生的机制和区域化重复序列产生的机制 。,Genome Size,Genomes of most bacteria and,archaea,range from 1 to 6 million base pairs (Mb); genomes of eukaryotes are usually larger,Most plants and animals have genomes greater than 100 Mb; humans have 3,000 Mb,Within each domain there is no systematic relationship between genome size and phenotype, 2011 Pearson Education, Inc.,Table 21.1,基因组重复,造成基因组增长的一个重要因素是基因组重复 （,genome duplication,）,或基因组加倍,(,genome,oubling,),基因组重复是在复制之后， 由于缺少所有染色单体间的分裂过程而产生的结果。,染色体重复,一个染色体的重复 或非整数倍重复 大多数是有害的 在哺乳类中 它常伴随着致死性或不育性。,基因组大小的区域性增加,基因组大小的区域性增加可由转座 和不等价交换 所引起。 前一种模式将产生散在的重复序列； 后一种则产生串联的重复序列 。也可通过获得外来而实现， 不过， 此过程的贡献与整个 大小比起来或许可忽略不计,。,8.8,脊椎动物基因组的组成上的组织化,同质段中基因的位置,基因是处在有与其自身类似的含量的片段中。,在绝大多数情况下 编码区中的 含量有高于侧区中含量的倾向，我们还看到 第三密码子位置上的 水平 平均下来高于内含子中的水平 而；后者则又比,5,和,3 ,侧区域中的水平；高,5 ,侧区中的,GC,水平又高于,3 ,侧区中的； 这或许是因为启动子及其周围区域倾向于富含 的缘故。,同质段的起源一如其被争论的那样神秘莫测,Understanding Genes and Gene Expression at the Systems Level,Proteomics,is the systematic study of all proteins encoded by a genome,Proteins, not genes, carry out most of the activities of the cell, 2011 Pearson Education, Inc.,How Systems Are Studied:,An Example,A systems biology approach can be applied to define gene circuits and protein interaction networks,Researchers working on the yeast,Saccharomyces,cerevisiae,used sophisticated techniques to disable pairs of genes one pair at a time, creating double mutants,Computer software then mapped genes to produce a network-like “functional map” of their interactions,The systems biology approach is possible because of advances in bioinformatics, 2011 Pearson Education, Inc.,Translation andribosomal functions,Nuclear-,cytoplasmic,transport,RNA processing,Transcriptionand chromatin-related functions,Mitochondrialfunctions,Nuclear migrationand proteindegradation,Mitosis,DNA replicationand repair,Cell polarity andmorphogenesis,Protein folding,glycosylation, andcell wall biosynthesis,Secretionand vesicletransport,Metabolismand amino acidbiosynthesis,Peroxisomal,functions,Glutamatebiosynthesis,Serine-relatedbiosynthesis,Amino acid,permease,pathway,Vesiclefusion,Figure 21.5,Figure 21.5a,Translation andribosomal functions,Nuclear-,cytoplasmic,transport,RNA processing,Transcriptionand chromatin-related functions,Mitochondrialfunctions,Nuclear migrationand proteindegradation,Mitosis,DNA replicationand repair,Cell polarity andmorphogenesis,Protein folding,glycosylation, andcell wall biosynthesis,Secretionand vesicletransport,Metabolismand amino acidbiosynthesis,Peroxisomal,functions,Glutamatebiosynthesis,Serine-relatedbiosynthesis,Amino acid,permease,pathway,Vesiclefusion,Metabolismand amino acidbiosynthesis,Figure 21.5b,