第11章基因组的进化

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,*,第十一章 基因组的进化,第一节 基因组进化的分子基础,第二节 基因组进化的模式,第一节 基因组进化的分子基础,1.,突变,1.1,突变的机制,自发的错误,(spontaneous error),，在复制过程中这些突变逃脱了,DNA,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。,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，会将这一变异一直保留下去。,第一节 基因组进化的分子基础,1.,突变,1.1,突变的效应,突变对基因组的影响,同义突变 错义突变 终止突变 连读突变 移码突变,突变对多细胞生物的影响,功能丧失突变,（,loss-of-function mutation,）：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。,功能获得性突变,（,gain-of-function mutation,）：这类突变不常见，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,2.,重组,2.1,同源重组,Holliday,模型,Holliday,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,（,Meselson Radding,模型）,2,条同源,DNA,分子,A,B,a,b,DNA,分子间单链交换组成异源双链,DNA,连接酶,A,B,a,b,Holliday,结构,分叉迁移,A,B,a,b,A,B,a,b,形成叉口,(chi),垂直分割,相互交换,水平分割,同源重组的,Holliday,模型,第一节 基因组进化的分子基础,AB,ab,Ab,aB,第一节 基因组进化的分子基础,2.,重组,2.2,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,(site-specific recombination),。,2.3,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,3.1DNA,转座,3.2,逆转录转座,第二节 基因组的进化模式,DNA,POP,BOB,att,位点,细菌,DNA,BOP,POB,噬菌体基因组整合到大肠杆菌染色体,DNA,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,）。,第一节 基因组进化的分子基础,哺乳动物,DNA,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。,RPA,RAD50,MRE11,NBS1,RAD52,RAD54,RAD51,1.,同源搜寻,2.,单链侵入,3.DNA,合成,DNA,连接酶,解离酶,同源重组,第二节 基因组进化的模式,1.,遗传系统的起源,1.1RNA,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,1.1RNA,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,RNA,世界,RNA,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,1.2,基因组的起源,编码,RNA,分子转变为第一个,DNA,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 dA,T C G dC dG dA,RNA,拷贝,DNA,RNA,第二节 基因组进化的模式,1.,遗传系统的起源,1.2,基因组的起源,RNA,世界如何转变为,DNA,世界？,为什么会出现,RNA,向蛋白质的转变？,RNA,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,RNA,与蛋白质的分工逐渐明朗，进而提高了整个生化系统的效率。,RNA,的编码功能转移到更为稳定的,DNA,是一种必然趋势。,OH,OH,OH,5,3,RNA,一级结构,第二节 基因组进化的模式,1.,遗传系统的起源,1.2,基因组的起源,RNA,世界向,DNA,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。,2.,新基因的产生,2.1,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,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 基因组进化的模式,2.,新基因的产生,2.1,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,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：,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：,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,第二节 基因组进化的模式,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.DNA,放大,B.,姐妹染色体之间的不等交换,A.,不等交换,复制叉,2.,新基因的产生,2.2,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,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,第二节 基因组进化的模式,Cys,Asp,Phe,Leu,His,Cys,Y,His,Zn,Cys,Asp,Phe,Leu,His,Cys,Y,His,Zn,N,C,987654321,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,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,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,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,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,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,DNA,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,联会,(synapsis),与外源,DNA,片段整合,(integration),：,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,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,3.,非编码顺序的扩张,3.1,非编码,DNA,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,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 基因组进化的模式,3.,非编码顺序的扩张,3.3,内含子的起源,3.3.1,群、,群和,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 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。,