1、第12章 基因組進(jìn)化的分子機(jī)制,1) 突變 2) 重組 3) 轉(zhuǎn)座,DNA重組,DNA重組有兩種方式： 1）同源重組； 2）雙鏈斷裂重組。,染色體配對(duì)與交叉,同源姐妹染色體的交換與重組產(chǎn)生的表型 改變稱為變異. 變異不涉及基因或染色體的 突變, 但能提供大量的基因型, 是重要的進(jìn) 化動(dòng)力之一.,同源重組-Holliday模型,大腸桿菌同源重組過(guò)程（1）,RecBCD酶與線性分子的未端結(jié)合然后解旋，隨后朝前尋找第一個(gè)8堿基基序5GCTGGTGG3，又稱叉點(diǎn)（chi site）。大腸桿菌基因組平均6 kb有一個(gè)叉點(diǎn)。RecBCD的核酸酶在離叉點(diǎn)3端約56個(gè)核苷酸處切開單鏈產(chǎn)生游離單鏈未端，然后侵入

2、基因組同源區(qū)段內(nèi)部。,重組時(shí)DNA單鏈侵入同源雙鏈,RecA與DNA結(jié)合后形成一個(gè)蛋白質(zhì)包裹的DNA纖絲，侵入同源雙螺旋DNA形成D環(huán)結(jié)構(gòu)。D環(huán)的中間產(chǎn)物是一個(gè)三鏈（triplex），侵入的多聚核苷酸位于完整的雙螺旋主溝內(nèi)并與其配對(duì)的核苷酸堿基建立氫鍵連接。,分叉前移的機(jī)制,叉點(diǎn)前移在5-A/TTG/C-3順序優(yōu)先停止,該順序在大腸桿菌基因組中 經(jīng)常出現(xiàn). 當(dāng)RuvAB復(fù)合物離開叉點(diǎn)后, 兩個(gè)RuvC蛋白取而代之,并完 成Holliday結(jié)構(gòu)的解體任務(wù). 交叉DNA中的異源配對(duì)雙鏈必需交互切 割才能彼此分開, 切割事件在5-A/TTG/C-3順序的T和G/C之間.,轉(zhuǎn) 座,1）DNA轉(zhuǎn)座 2）

3、RNA轉(zhuǎn)座,HIV病毒的結(jié)構(gòu),逆轉(zhuǎn)錄病毒RNA基因組(1),逆轉(zhuǎn)錄病毒RNA的逆轉(zhuǎn)錄(1),逆轉(zhuǎn)錄病毒RNA的逆轉(zhuǎn)錄(2),逆轉(zhuǎn)錄病毒轉(zhuǎn)座,非LTR逆轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)座,第13章 基因組進(jìn)化的模式,1) 遺傳系統(tǒng)的產(chǎn)生 2) 基因組進(jìn)化的模式,遺傳系統(tǒng)的產(chǎn)生,1) RNA世界 2) 復(fù)制, 轉(zhuǎn)錄, 翻譯 系統(tǒng)的產(chǎn)生 3) 生命三界,RNA世界,1) 1986年, Walter Gilbert發(fā)明了“RNA World”這一名詞,用來(lái)表示前生命時(shí)期攜帶信息并具有催化功能的RNA分子. 2) 1986年, Thomas Cech首次發(fā)現(xiàn)具有自我催化的RNA分子, 四膜蟲rRNA分子可以自我剪切. 1989年

4、, Jack Szostak提供實(shí)驗(yàn)證據(jù), 表明體外RNA分子可以催化復(fù)制. 3) 1990年, Sidney Altman等發(fā)現(xiàn), 大腸桿菌RNase P 的RNA亞基可以催化tRNA前體剪切. 4) 1992年, Harry Noller證實(shí)核糖體RNA(rRNA)具有催化肽鍵形成的功能. 由于發(fā)現(xiàn)具有催化功能的RNA, Thomas Cech 和 Sidney Altman 共享1992 諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng).,RNA World學(xué)說(shuō)的奠基人,Altman的貢獻(xiàn)是發(fā)現(xiàn)RNase P, 一個(gè)由RNA分子和蛋白質(zhì)組成的酶, 催化大腸桿菌tRNA前體的加工. 該酶的催化活性是由RNA分子執(zhí)行的. Th

5、omas Cech首次發(fā)現(xiàn)具有自我催化的RNA分子, 四膜蟲rRNA分子可以自我剪切.,RNA世界的特征,1）具有催化活性的RNA分子稱為核酶（ribozyme）； 2）核酶催化的生化反應(yīng)包括： 自我剪接 內(nèi)含子I型，II型和III型RNA分子具有的功能. 催化切斷其它RNA 在mRNA和rRNA的加工中U RNA 分子可催化切除內(nèi)含子； 合成多肽鍵 這是rRNA分子的重要功能之一； 催化核苷酸的合成 在試管中合成的RNA分子已證明可 以完成合成核糖核苷酸、RNA的合成。 RNA催化活性的發(fā)現(xiàn)解決了以往關(guān)于先有多聚核苷酸還是先有多肽鏈的兩難困境，表明最初的生化系統(tǒng)整個(gè)地集中在RNA。,核糖體本

6、質(zhì)上是一個(gè)核酶-Ribozyme,RNase P RNA與RNA世界,RNA可以自我復(fù)制,體外RNA分子可以催化RNA復(fù)制,試管RNA分子進(jìn)化，產(chǎn)生活性更強(qiáng)的RNA分子。,See: Johnston et, Science 292: 1320- 1325, 2001.,RNA世界向DNA世界的轉(zhuǎn)變,支持RNA世界假說(shuō)的證據(jù),1)RNA application for storing genetic information(編碼功能). 2) Evidence of RNA molecules (ribozymes) acting as chemical catalysts (enzyme-li

7、ke) properties (肽鍵合成) . 3) Evidence supporting the de novo synthesis of nitrogen-containing bases (nucleotides) such as adenine, guanine, cytosine, and uracil, under ancient earth conditions (堿基合成). 4) Evidence of the de novo synthesis of the RNA sugar (ribose), in the form of ribose phosphate, unde

8、r ancient earth conditions (核糖合成).,核酶: 基因型和表型合為一體,核酶所具有的堿基順序就是它的基因型, 它 的高級(jí)結(jié)構(gòu)及其催化活性就是它的表型.,RNA世界假說(shuō)的不足,1) Difficulty attaching the ribose phosphate molecules to the nucleotide bases. No evidence has been found yet (核苷酸 合成困難). 2) Catalytic RNAs (ribozymes) appear too complex to just appear and be fully

9、 functional (催化RNA分子結(jié)構(gòu)太復(fù) 雜) . 3) Present ribozymes found do not demonstrate the capacity to fully synthesize RNA molecules. Raises questions into the capacity of ribozymes to cause self-replication of RNA molecules (已發(fā)現(xiàn)的核酶自身不能完全合成核酸). 4) Short evolutionary time span for the de novo synthesis from or

10、ganic molecules to RNA Worldto full life forms (從RNA到生命出現(xiàn)進(jìn)化時(shí)間太短, 不到5億年).,基因的起源,在細(xì)胞出現(xiàn)之前是否就有基因? 最初的基 因是怎么產(chǎn)生的? 基因產(chǎn)生的意義是什么? 到目前為此對(duì)上述問(wèn)題還沒(méi)有一個(gè)合理的 解釋!,三個(gè)系統(tǒng)的起源關(guān)系,1) 任何生命都有三個(gè)不可或缺的系統(tǒng) 復(fù)制系統(tǒng) 轉(zhuǎn)錄系統(tǒng) 翻譯系統(tǒng) 2) 上述三個(gè)系統(tǒng)的起源關(guān)系 翻譯系統(tǒng)最早建立, 其次是轉(zhuǎn)錄系統(tǒng), 最后是復(fù)制系 統(tǒng). 沒(méi)有準(zhǔn)確高效的翻譯系統(tǒng), 遺傳信息的表達(dá)是無(wú) 法實(shí)現(xiàn)的, 精確復(fù)制也失去了意義 見: Carl Woese, PNAS, 96:6854,

11、 1998,基因組的起源,人們推測(cè)基因組的起源可能是: 最初的DNA基因組由許多分散的分子組成，每一個(gè)指 令單個(gè)蛋白質(zhì)，相當(dāng)于一個(gè)基因。這些基因彼此連接成 染色體，它們可能在編碼的RNA轉(zhuǎn)變?yōu)镈NA之前或之后 出現(xiàn)。由于組成了含更多基因的染色體，在細(xì)胞分裂時(shí) 基因的分配要比分散的類型更加有效而方便，在竟?fàn)幹?占有優(yōu)勢(shì)。隨著早期基因組的多次進(jìn)化，彼此連接的基 因所具有的不同功能也隨之發(fā)展與演變。 這一假說(shuō)還無(wú)法提供證據(jù).,生命之根在哪?,Carl Woese認(rèn)為: 不存在一個(gè)所謂的祖先細(xì)胞, 最初的細(xì)胞是 不穩(wěn)定的, 復(fù)合的, 具有多向發(fā)展?jié)摿Φ膹?fù) 合物. 達(dá)爾文進(jìn)化論只探討生命出現(xiàn)之后的進(jìn)化

12、規(guī)律,不涉及生命的起源.,生命三界,生命三界特征比較,特征 分 界 - 細(xì) 菌 古細(xì)菌 真核生物 - 核膜 無(wú) 無(wú) 有 細(xì)胞器 無(wú) 無(wú) 有 細(xì)胞壁肽聚糖 有 無(wú) 無(wú) 脂膜成分 無(wú)分枝碳?xì)滏?具某些分枝碳?xì)滏?無(wú)分枝碳?xì)滏?RNA多聚酶 一種類型 多種類型 多種類型 蛋白質(zhì)合成起始氨基酸 甲基甲硫氨酸 甲硫氨酸 甲硫氨酸 基因內(nèi)含子 無(wú) 有或無(wú) 有 鏈霉素和氯霉素抗性 -,古細(xì)菌與真核生物更相似,來(lái)自海洋火山口的古細(xì)菌詹氏甲烷球菌基因組順序分析 顯示，它在起源上與真核類生物更加接近： 1）古細(xì)菌的翻譯系統(tǒng)如核糖體蛋白，延伸因子和氨酰 tRNA合成酶以及轉(zhuǎn)錄系統(tǒng)均與真核生物相似，而與細(xì) 菌有所不同

13、。 2）在代謝系統(tǒng)方面，古細(xì)菌與真細(xì)菌極為相似。人們推 測(cè)，古細(xì)菌和原始真核細(xì)胞可能從原始細(xì)胞分別繼承 了部分共同的遺傳物質(zhì)。,真核細(xì)胞起源的假說(shuō),目前有三種關(guān)于真核細(xì)胞起源的假說(shuō): 1) 共生假說(shuō): 古細(xì)菌進(jìn)入真細(xì)菌彼此互助, 隨后古細(xì)菌形成細(xì)胞核, 真細(xì)菌成為細(xì)胞器. 2) 直生假說(shuō): 存在含有核膜的細(xì)菌, 真核細(xì)胞為獨(dú)立起源. 3) 病毒假說(shuō): 病毒侵入促使了真核生物的形成. 引自 Science 305:766, 2004,存在含有核膜的細(xì)菌,病毒可能參于真核細(xì)胞進(jìn)化,紅藻(red algae)的細(xì)胞核可以象病毒一樣在細(xì)胞間轉(zhuǎn)移.,基因組進(jìn)化的模式,基因組進(jìn)化的模式: 加倍 重排 洗牌

14、 不等交換 擴(kuò)張與擴(kuò)增 插入與缺失 轉(zhuǎn)座因子的作用,基因與基因組進(jìn)化的主要方式-基因和基因組加倍,在基因組進(jìn)化中現(xiàn)有基因的加倍是最重要 的方式之一，它們可經(jīng)由以下途徑發(fā)生： 1）整個(gè)基因組加倍； 2）單條或部分染色體加倍； 3）單個(gè)或成群基因加倍。,酵母基因組在一億年前經(jīng)歷了一次完全的加倍,引自Goffeau, Nature 430:25, 2004,大多數(shù)植物基因組均為多倍體,1) 大多數(shù)植物基因組均由同源多倍體和異 源多倍體組成, 是基因數(shù)目增加的主要 方式. 3) 玉米染色體組由染色體基數(shù)n=5加倍為n=10, 小麥為6倍體(含A, B, D=7, n=21), 油菜為異源多倍體(n=1

15、9), 棉花, 煙草為多倍體, 香蕉為3倍體.,多細(xì)胞動(dòng)物很少有多倍體,1) 多細(xì)胞動(dòng)物基因組很少有多倍體報(bào)道, 產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因可能同動(dòng)物的發(fā)育模式有關(guān). 動(dòng)物發(fā)育為封閉式, 胚胎發(fā)育時(shí)幾乎所有未來(lái)的器官原基均在同一時(shí)間產(chǎn)生,需要高度協(xié)調(diào). 多倍體帶來(lái)的基因劑量的不平衡會(huì)對(duì)胚胎發(fā)育產(chǎn)生致命的影響. 2) 植物的發(fā)育是開放式, 營(yíng)養(yǎng)器官不斷地重復(fù)地產(chǎn)生, 生殖器官與營(yíng)養(yǎng)器官是同源的, 因而可以忍受多倍體帶來(lái)的基因劑量不平衡的干擾. 此外植物細(xì)胞可直接從外界吸收營(yíng)養(yǎng), 降低了器官和組織彼此間相互依賴的程度.,2R假說(shuō),Bioessays. 2005 Sep;27(9):937-45,Susum

16、u Ohno在 1970年首次提出 2R假說(shuō).他認(rèn)為, 在脊椎動(dòng)物進(jìn)化 中, 曾經(jīng)發(fā)生過(guò) 2次全基因組水 平的加倍. 比較 基因組順序表 明, 無(wú)脊椎動(dòng)物 基因成員在哺 乳動(dòng)物35000個(gè) 基因中平均有 兩個(gè)同源基因.,脊椎動(dòng)物基因組是否發(fā)生過(guò)整體加倍?,盡管已在酵母和植物中發(fā)現(xiàn)基因組加倍的證據(jù)，但 對(duì)脊椎動(dòng)物是否出現(xiàn)過(guò)全基因組的加倍，目前還存 在不少爭(zhēng)論。有些分子生物學(xué)家認(rèn)為，大約1億年 前酵母基因組加倍時(shí)脊椎動(dòng)物也發(fā)生了同樣事件。 他們的理由是，人類基因組中HOX基因簇有4份拷 貝，分別位于2，7，12和17號(hào)染色體。其他作者則 認(rèn)為，這些重復(fù)只是一些獨(dú)立的事件，不足以表明 整個(gè)基因組的加

17、倍。,確證脊椎動(dòng)物基因組的2R假說(shuō),2R假說(shuō)認(rèn)為，在無(wú)頜類脊椎動(dòng)物（jawless vertebrate）出現(xiàn)之前和出現(xiàn)之后分別出現(xiàn)過(guò)一次全基因組的加倍，即脊椎動(dòng)物有過(guò)兩次全基因組加倍. Genome Research 11:667670 , 2001 2008年6月完成文昌魚的基因組序列測(cè)序.對(duì)文昌魚和脊椎動(dòng)物基因組中保留下來(lái)的17個(gè)先祖脊索動(dòng)物連鎖群進(jìn)行染色體虛擬重建. 結(jié)果證實(shí)在有頜類脊椎動(dòng)物演化過(guò)程中, 確實(shí)發(fā)生了兩輪整基因組加倍現(xiàn)象。 2R假說(shuō)是正確的. Nature 453, 1064-1071, 2008,文昌魚的基因組分析對(duì)脊椎動(dòng)物進(jìn)化的啟示,對(duì)文昌魚基因組的最新分析表明 ，5

18、.5億年以來(lái)進(jìn)化進(jìn)程中脊椎動(dòng) 物比原始祖先的基因組多出四倍 的拷貝量。將人類的23個(gè)染色體 與文昌魚的19個(gè)同源色體進(jìn)行對(duì) 比分析發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)基因組有17個(gè) 共同的祖先留下的片段。因此， 可以肯定的說(shuō)，在5.5億年前，人 類和文昌魚共同的祖先有17個(gè) 同 源染色體。祖先的17個(gè)同源染色 體上每一個(gè)的基因在脊椎動(dòng)物的 進(jìn)化過(guò)程中增加了拷貝量，變?yōu)?二倍體，而大部分的常規(guī)的“管 家基因”都失去了拷貝。某些基 因的拷貝量的增加使得脊椎動(dòng)物 獲得更多的新功能并進(jìn)化形成我 們所知的脊椎動(dòng)物,Partitioning of the human chromosomes into segments with d

19、efined patterns of conserved synteny to Branchiostoma floridae 佛羅里達(dá)文昌魚 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. Coloured bars are segments of the hum

20、an genome, shown grouped by ancestral linkage group (above), and in context of the human chromosomes,人類染色體與文昌魚染色體同源區(qū)段比較,基因與基因組加倍是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程,1) 擬南芥基因組中約有75%的區(qū)段發(fā)生了至少一次以上的重復(fù)，這些重復(fù)事件是在不同的進(jìn)化時(shí)期出現(xiàn)的，涉及的范圍不同，并伴有基因的丟失。 2) 根據(jù)氨基酸順序的代換速率分析，擬南芥基因組的重復(fù)區(qū)段可分成不同的年齡板塊（block），同一年齡板塊群（age class）發(fā)生重復(fù)的進(jìn)化年代近似。 3) 共有5個(gè)可以確定的板塊群，分別

21、為B，C，D，E和F，含有的ORF數(shù)分別為48%（C），39%（D），11%（E）和3%（F）。 4) 最近的重組事件發(fā)生在5 000萬(wàn)年前（B板塊），最早的重組事件出現(xiàn)在2億年前。大多數(shù)重組事件發(fā)生在中生代（Mesozoic Era，65 245 Mya），其中F板塊出現(xiàn)的年代代表雙子葉與單子葉分化的時(shí)期。,擬南芥基因組重組板塊,年齡組 重復(fù)板塊數(shù) dA 板塊大小 保留的重復(fù) 估計(jì)年齡 （Mya） - A 2 0 12.5 0.90 0 B 1 0.21 14.5 0.38 50 C 35 0.45 149.5 0.15 100 D 36 0.57 128.0 0.13 140 E 23 0

22、.71 60.0 0.11 170 F 6 0.84 57.8 0.09 200 - *：dA，所有ORF中成對(duì)的ORF氨基酸變化最少比例的平均數(shù)；板塊大小，平均所含的ORF數(shù)（包括單身ORF）；保留的重復(fù)，重復(fù)板塊中仍保留的ORF與推測(cè)的祖先ORF數(shù)之比。A，可能系基因組的誤排。,脊椎動(dòng)物基因組進(jìn)化的主要?jiǎng)恿υ谟诨虻闹貜?fù),脊椎動(dòng)物基因組進(jìn)化的主要?jiǎng)恿υ谟诨虻闹?復(fù)與趨異,重復(fù)基因的命運(yùn),基因組進(jìn)化中重復(fù)基因的命運(yùn): 1) 由于編碼順序趨異成為具有新的生物活性的基因. 2) 由于調(diào)控順序的突變成為獲得新的表達(dá)模式的基因. 3) 處于進(jìn)化之中與祖先基因在功能上重疊, 表現(xiàn)為冗余的基因. 4)

23、 喪失功能成為假基因. 5) 在隨后的進(jìn)化事件中丟失.,染色體重排,1) 染色體重排系指染色體區(qū)段位置在染色 體內(nèi)或染色體之間發(fā)生的倒位或移位事 件. 2) 染色體重排是基因組進(jìn)化的主要?jiǎng)恿χ?一. 染色體重排阻止同源染色體區(qū)段的 正常配對(duì)與交換, 促使重排區(qū)段內(nèi)的突 變積累, 是物種形成的主要原因之一. 3) 染色體重排可為基因提供新的表達(dá)模式.,老鼠與人類X-染色體的重排事件,引自 Pevzner, PNAS, 100:7672-7677, 2003,重復(fù)順序之間的交換重組,1) DNA分子內(nèi)重復(fù)順序的重組: 1. 反向重復(fù)順序之間的重組導(dǎo)致區(qū)段倒位 2. 正向反向重復(fù)順序之間的重組導(dǎo)致區(qū)

24、段缺失 2) 染色體臂間重復(fù)順序的交換重組 3) 染色體臂內(nèi)重復(fù)順序的交換重組 4) 染色體之間重復(fù)順序的交換重組 4) 同源染色體之間重復(fù)順序的不等交換,染色體重排與重復(fù)順序有關(guān),1) 比較線蟲的兩個(gè)種,C.elegant和C.briggsae, 發(fā)現(xiàn)線蟲基因組在0.5-1.2億年中發(fā)生了 4030次染色體重排事件. 2) 染色體重排事件包括轉(zhuǎn)位, 倒位與轉(zhuǎn)座. 3) 染色體重排事件大多數(shù)出現(xiàn)在基因間區(qū) 普遍的重復(fù)順序以及重復(fù)的基因成員之 間. 4) 線蟲基因組重排的速率為果蠅的4倍. 見: Genome Research 16:875-867, 2002.,染色體之間的不等交換,重復(fù)順序的

25、作用-引起染色體之間的不等交換,1）重復(fù)順序之間的配對(duì)可引起染色體內(nèi)或染色體之 間的不等交換； 2）染色體內(nèi)正向重復(fù)順序之間的交換可引起缺失： 3）染色體內(nèi)反向重復(fù)順序之間的交換可引起倒位； 4）染色體之間重復(fù)順序之間的交換可引起重復(fù)與缺 失； 5）基因內(nèi)部重復(fù)順序之間的不等交換可引起基因突 變，如人類高膽固醇疾病。,物種間染色體重排速率,物種間染色體重排速率差別很大,與物種的群體大小, 世代周期的長(zhǎng)短, 染色體的順序組成等有關(guān).,染色體重排與Y-染色體進(jìn)化,1) 人類Y-染色體系由X-染色體進(jìn)化而來(lái). 2) 在三億年前人類祖先與鳥類分開之后, X-染色體發(fā)生了第一次倒位, 由此開始Y-染色體

26、的進(jìn)化. 3) 人類Y-染色體共發(fā)生了4次倒位, 并伴隨大量的基因突變與缺失. 4) Y染色體產(chǎn)生之際曾含有1438個(gè)基因，但到目前為止, 其中的1393個(gè)基因已經(jīng)消失,只剩下45個(gè)基因 , 平均每百萬(wàn)年丟失4.6個(gè)基因.,Y染色體上的蛋白質(zhì)編碼基因,新的研究確認(rèn)了X染色體上有1098個(gè)蛋白 質(zhì)編碼基因，而這1098個(gè)基因中只有54個(gè) 在對(duì)應(yīng)的Y染色體上有相應(yīng)功能的等位基 因，而且Y染色體比X染色體小得多，Y染 色體上僅有大約78個(gè)基因。,Y染色體是一個(gè)對(duì)個(gè)體生存不必要的染色體,Y染色體是惟一一個(gè)對(duì)個(gè)體生存不必要的染色體。 人如果沒(méi)有X染色體，或者沒(méi)有其他任何一對(duì)常 染色體，就無(wú)法出生，在胚胎

27、期就會(huì)死亡。而沒(méi) 有Y染色體卻對(duì)個(gè)體生存沒(méi)有關(guān)系，比如女性都 沒(méi)有Y染色體，卻照樣可以健康長(zhǎng)壽。其他染色 體一般互相依靠，但是它們不依靠Y染色體。人 類必須面對(duì)一個(gè)有可能導(dǎo)致自身滅亡的問(wèn)題 男性Y染色體的功能正在逐漸退化，它所掌控的 基因正在逐漸減少。,袋鼠Y染色體只有一個(gè)基因-SRY,As 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 1

28、000 for X chromosome. For some other animals, the degradation of Y chromosome is even more severe. For example, the Y chromosome in kangaroos contains only the SRY gene.,Y染色體進(jìn)化四步曲,Y染色體的進(jìn)化,Y染色體中的8個(gè)回文區(qū)段,Y染色體中的8個(gè)回文區(qū)含有性別決定基因, 與雄性的發(fā)育有關(guān). 這些回文區(qū)中,成對(duì)的順序之間有99.9%的一致性, 當(dāng)其中一個(gè) 重復(fù)順發(fā)生突變時(shí), 可由另一個(gè)重復(fù)順提供復(fù)制模板, 淘汰發(fā)生 突變的基因

29、.,同源重組對(duì)真核基因組多態(tài)性的影響,1) 真核生物均有有性繁殖. 2) 有性繁殖的一個(gè)重要特征是基因組必需經(jīng)過(guò)減數(shù)分裂過(guò)程才能產(chǎn)生配子體. 3) 減數(shù)分裂時(shí)同源姐妹染色體配對(duì),并發(fā)生同源染色體區(qū)段的交換. 4) 同源染色體區(qū)段的交換一方面可以擴(kuò)大變異的范圍, 同時(shí)也可降低同源染色體區(qū)段的多態(tài)性組成. 5) 缺少同源染色體配對(duì)與交換可積累突變, 增加群體中突變的比例, 促使物種形成.,新基因的產(chǎn)生,新基因的產(chǎn)生主要有以下5種方式: 1) 基因加倍之后的趨異, 這類基因基本保持原有的基因功能, 但往往獲得了新的表達(dá)模式. 這是新基因產(chǎn)生的主要方式. 2) 結(jié)構(gòu)域洗牌, 即不同的結(jié)構(gòu)域加倍或重組,

30、 產(chǎn)生具有創(chuàng)新功能的基因. 真核生物約19%的基因產(chǎn)生于外顯子洗牌. 3) 逆轉(zhuǎn)錄及其隨后的趨異或重排. 4) 基因裂變與融合, 由一個(gè)基因分裂成兩個(gè)不同的基因, 或兩個(gè)或多個(gè)基因融合組成一個(gè)新的基因. 原核生物約0.5%的基因由此產(chǎn)生. 5) 嬗變, 由非編碼順序轉(zhuǎn)變?yōu)榫幋a順序.,蛋白質(zhì)創(chuàng)新-功能域加倍,蛋白質(zhì)創(chuàng)新-功能域洗牌,果蠅jingwei(精衛(wèi))基因產(chǎn)生于洗牌,靈長(zhǎng)類新基因的產(chǎn)生與重復(fù),RanPB2 acquired a domain from the neighboring GCC2 gene, whose protein product contains a GRIP domai

31、n that localizes intracellularly to the trans-Golgi network. The new gene family, spanning approximately 10% of human chromosome 2.,細(xì)菌蛋白功能域的洗牌,外顯子洗牌的分子機(jī)制,基因組擴(kuò)張重復(fù)順序的增加,高等生物基因組重復(fù)順序的擴(kuò)張是一個(gè)極 其普遍的現(xiàn)象, 這些重復(fù)順的擴(kuò)張主要起因 于: 1) 重復(fù)順序之間的不等交換; 2) DNA的轉(zhuǎn)座 3) 逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座,玉米基因組的擴(kuò)張,大基因組與小基因組的結(jié)構(gòu)差異,逆轉(zhuǎn)座子SINE在不同基因組中的分布,Alu在靈長(zhǎng)類基因組中的

32、擴(kuò)張,Alu逆轉(zhuǎn)座子在基因組中擴(kuò)張的機(jī)制,1) Alu逆轉(zhuǎn)座子起源于7S RNA. 2) 7S RNA基因?qū)儆赑olIII類基因, 含有基因內(nèi)啟動(dòng)子. 3) 7S RNA轉(zhuǎn)錄后后借助細(xì)胞內(nèi)含有的逆轉(zhuǎn)錄酶和整合酶插入基因組中. 4) 因逆轉(zhuǎn)錄整合到基因組中的Alu成分含有內(nèi)部的啟動(dòng)子, 不必借助插入位點(diǎn)的啟動(dòng)子即可轉(zhuǎn)錄. 5) 7S RNA基因?yàn)榻M成性表達(dá), 增加了Alu表達(dá)的機(jī)率.,Alu逆轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)座,不同“人種”的基因組存在大結(jié)構(gòu)的差異,1) 人類不同種族之間基因的組成和DNA順序之間只有極其微小的差異, 99%的堿基順序是相同的. 2) 人類不同種族之間存在許多極其明顯的表型差異, 這些

33、差異的遺傳基礎(chǔ)何在? 3) Michael Wigler at Cold Spring Harbor Laboratory ( Genome Res. 13, 22912305, 2003)發(fā)現(xiàn),人類不同種族的基因組存在廣泛的基因拷貝數(shù), 倒位, 缺失的多態(tài)性差異. 4) Iceland-based company deCODE Genetics報(bào)道 (Nature Genet. 37, 129137, 2005) , 在人類chr 17q21.31 區(qū)有兩個(gè)同源但不相同的涉及900 kb的倒位, H1和H2. 這一倒位事件發(fā)生在300萬(wàn)年前. H2型在非洲人中罕見, 在東亞人中缺少, 20%的歐洲人具有H2. 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析表明, 攜帶H2的冰島女性比缺少H2的女性可生育更多的小孩.,人類基因組中的倒位多態(tài)性,基因的進(jìn)化速率是不相同的,丹麥研究人員發(fā)現(xiàn)，人類和黑猩猩500萬(wàn)年前在進(jìn)化途中分道揚(yáng) 鑣后，兩者的基因圖譜中進(jìn)化最快的都是與免疫、細(xì)胞凋亡和精子發(fā) 育相關(guān)的基因. 丹麥哥本哈根大學(xué)的研究人員對(duì)人類和黑猩猩具有對(duì)等功能的 13731