第12章 基因组进化的分子机制
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第12章 基因组进化的分子机制
1) 突变 2) 重组 3) 转座
基因组突变的类型
1) 染色体水平的突变 染色体组变异---倍性改变 染色体数目变异---单体, 缺体, 三体, 非整倍性 染色体重排---倒位, 易位, 区段重复, 区段缺失 2) DNA水平的突变 碱基代换, 碱基缺失, 碱基插入, 顺序重复, 一般将DNA碱基顺序的突变称之位点突变.
activity, and its binding induces a conformational change that causes LexA protein to cleave itself. Because LexA protein blocks expression of many genes encoding a set of proteins mediating error-prone replication, LexA protein’s self-destruction leads to synthesis of these proteins. These proteins then assemble at the lesion and form a mutasome, an errorprone replication apparatus that allows DNA polymerase to replicate past the lesion.
动物中多倍体物种及为罕见
多细胞动物基因组缺少多倍体的原因可能同动物 的发育模式有关。动物的发育为封闭式, 胚胎 发育时几乎所有未来的器官原基均在同一时间 产生，需要高度协调。多倍体带来的基因剂量 的不平衡会对动物胚胎发育产生致命的影响。 植物的发育是开放式的, 营养器官可以不断地重 复地产生, 生殖器官与营养器官是同源的。此 外植物细胞可直接从外界吸收营养, 绝大多数 细胞都有叶绿体，可以独立进行光合作用获取 能量，降低了器官和组织彼此间相互依赖的程 度。植物这种相对独立的生长发育模式, 可以 忍受多倍体带来的基因剂量不平衡影响，减轻 自然选择的压力。
误导掺入
In tautomerization, for example, an amino group (-NH2), usually an H-bond donor, can tautomerize to an imino form (=NH) and become an H-bond acceptor. Or a keto group (C=O), normally an H-bond acceptor, can tautomerize to an enol C-OH, an H-bond donor.
引起突变的因素
1) 化学因素 化学诱变剂: 烷化剂, 硝酸盐类, 苯酚类 2) 物理因素 放射线, 紫外线. 3) 生物因素 DNA修复酶基因突变可引起许多突变
突 变 的 效 应
超突变与程序性突变—
倾向差错修复
1）许多生物种属都有一些专门负责损伤DNA复制的 多聚酶，它们可在特定的条件下以倾向差错或 无差错方式复制DNA。目前已在人细胞中发现具 有倾向差错复制的DNA多聚酶η (eta)，该酶如 发生突变，可引起着色性干皮病，这是一种皮 肤癌。 2）生物之所以选择这种高突变率的修复系统可能 同进化有关，倾向差错DNA复制在遭遇不利的生 存环境时能增加突变获得更多的多样性，使种 群得以繁衍。
染色体组变异---倍性改变
1)已知高等植物中约30-50%的物种为多倍 体. 根据被子植物和裸子植物代表性物 种EST数据的比较分析推断，现存被子 植物共同祖先的基因组曾经经历过一次 全基因组的加倍。 See: Cui L et al. Widespread genome duplications throughout the history of flowering plants, Genome Research, 2006, 16:738-749. 2)动物中多倍体物种及为罕见.
突变的效应（点突ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ）
同义突变 突变的密码子仍然指令同一氨基酸，因 而同义突变是沉默突变。 非同义突变 这类突变可改变密码子的含义，指令 一个不同的氨基酸。非同义突变又称错义突变。 终止突变 可使原来编码氨基酸的密码子变成翻译 终止密码，产生残缺的蛋白质。 连读突变（read through） 与上述突变正好相反， 终止密码变成指令某一氨基酸的密码子，使翻 译继续进行。
SOS倾向差错修复的调控
LexA蛋白抑制SOS系统基因的表达. LexA蛋白具蛋白酶活 性, RecA蛋白可激活LexA, 使其自我降解, 解除抑制.
DNA损伤时LexA蛋白应激反应
The SOS response is activated when the replication fork stalls and RecA protein binds to exposed ssDNA (or UV-damaged dsDNA). The RecA protein:DNA complex binds a protein, LexA. The LexA protein has proteolytic
复制差错造成点突变的原因
错配突变 从化学角度来看，碱基互补的方式并不特别精确。 根据概率计算，纯化学的碱基配对差错率为5-10%。 误导掺入 每一种核苷酸都有二种互变异构体（tautomer）， 它们处在动态平衡中。如果复制叉经过某一胸腺嘧啶碱基， 而后者又恰恰处在烯酮式异构体时，就会发生一次错配。 因为烯酮式胸腺嘧啶更趋向于与G而不是与A配对。稀有的 亚氨基腺嘌呤异构体优先与C而非与T配对，烯醇鸟嘌呤异 构体优先与胸腺嘧啶T配对。 滑序复制 如果模板中含有较短的重复顺序，特别容易在原 位发生插入和缺失突变，起因于重复顺序的滑序复制 （replication slippage）。滑序复制使基因组在许多位点出 现动态的重复顺序数量变化，造成子代群体在同一位点产 生许多不同的等位形式。滑序复制是动态突变的主要原因.
1) 突变 2) 重组 3) 转座
基因组突变的类型
1) 染色体水平的突变 染色体组变异---倍性改变 染色体数目变异---单体, 缺体, 三体, 非整倍性 染色体重排---倒位, 易位, 区段重复, 区段缺失 2) DNA水平的突变 碱基代换, 碱基缺失, 碱基插入, 顺序重复, 一般将DNA碱基顺序的突变称之位点突变.
activity, and its binding induces a conformational change that causes LexA protein to cleave itself. Because LexA protein blocks expression of many genes encoding a set of proteins mediating error-prone replication, LexA protein’s self-destruction leads to synthesis of these proteins. These proteins then assemble at the lesion and form a mutasome, an errorprone replication apparatus that allows DNA polymerase to replicate past the lesion.
动物中多倍体物种及为罕见
多细胞动物基因组缺少多倍体的原因可能同动物 的发育模式有关。动物的发育为封闭式, 胚胎 发育时几乎所有未来的器官原基均在同一时间 产生，需要高度协调。多倍体带来的基因剂量 的不平衡会对动物胚胎发育产生致命的影响。 植物的发育是开放式的, 营养器官可以不断地重 复地产生, 生殖器官与营养器官是同源的。此 外植物细胞可直接从外界吸收营养, 绝大多数 细胞都有叶绿体，可以独立进行光合作用获取 能量，降低了器官和组织彼此间相互依赖的程 度。植物这种相对独立的生长发育模式, 可以 忍受多倍体带来的基因剂量不平衡影响，减轻 自然选择的压力。
误导掺入
In tautomerization, for example, an amino group (-NH2), usually an H-bond donor, can tautomerize to an imino form (=NH) and become an H-bond acceptor. Or a keto group (C=O), normally an H-bond acceptor, can tautomerize to an enol C-OH, an H-bond donor.
引起突变的因素
1) 化学因素 化学诱变剂: 烷化剂, 硝酸盐类, 苯酚类 2) 物理因素 放射线, 紫外线. 3) 生物因素 DNA修复酶基因突变可引起许多突变
突 变 的 效 应
超突变与程序性突变—
倾向差错修复
1）许多生物种属都有一些专门负责损伤DNA复制的 多聚酶，它们可在特定的条件下以倾向差错或 无差错方式复制DNA。目前已在人细胞中发现具 有倾向差错复制的DNA多聚酶η (eta)，该酶如 发生突变，可引起着色性干皮病，这是一种皮 肤癌。 2）生物之所以选择这种高突变率的修复系统可能 同进化有关，倾向差错DNA复制在遭遇不利的生 存环境时能增加突变获得更多的多样性，使种 群得以繁衍。
染色体组变异---倍性改变
1)已知高等植物中约30-50%的物种为多倍 体. 根据被子植物和裸子植物代表性物 种EST数据的比较分析推断，现存被子 植物共同祖先的基因组曾经经历过一次 全基因组的加倍。 See: Cui L et al. Widespread genome duplications throughout the history of flowering plants, Genome Research, 2006, 16:738-749. 2)动物中多倍体物种及为罕见.
突变的效应（点突ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ）
同义突变 突变的密码子仍然指令同一氨基酸，因 而同义突变是沉默突变。 非同义突变 这类突变可改变密码子的含义，指令 一个不同的氨基酸。非同义突变又称错义突变。 终止突变 可使原来编码氨基酸的密码子变成翻译 终止密码，产生残缺的蛋白质。 连读突变（read through） 与上述突变正好相反， 终止密码变成指令某一氨基酸的密码子，使翻 译继续进行。
SOS倾向差错修复的调控
LexA蛋白抑制SOS系统基因的表达. LexA蛋白具蛋白酶活 性, RecA蛋白可激活LexA, 使其自我降解, 解除抑制.
DNA损伤时LexA蛋白应激反应
The SOS response is activated when the replication fork stalls and RecA protein binds to exposed ssDNA (or UV-damaged dsDNA). The RecA protein:DNA complex binds a protein, LexA. The LexA protein has proteolytic
复制差错造成点突变的原因
错配突变 从化学角度来看，碱基互补的方式并不特别精确。 根据概率计算，纯化学的碱基配对差错率为5-10%。 误导掺入 每一种核苷酸都有二种互变异构体（tautomer）， 它们处在动态平衡中。如果复制叉经过某一胸腺嘧啶碱基， 而后者又恰恰处在烯酮式异构体时，就会发生一次错配。 因为烯酮式胸腺嘧啶更趋向于与G而不是与A配对。稀有的 亚氨基腺嘌呤异构体优先与C而非与T配对，烯醇鸟嘌呤异 构体优先与胸腺嘧啶T配对。 滑序复制 如果模板中含有较短的重复顺序，特别容易在原 位发生插入和缺失突变，起因于重复顺序的滑序复制 （replication slippage）。滑序复制使基因组在许多位点出 现动态的重复顺序数量变化，造成子代群体在同一位点产 生许多不同的等位形式。滑序复制是动态突变的主要原因.