第12章 基因组进化的分子机制
分子进化
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2.3 核酸序列 二种：简单序列：结构基因的组成部分；
重复序列：包含调节基因的顺序。 序列变化：替换、插入、缺失 在不同生物中，核酸序列的差异能反映它们之间
亲缘关系的远近。 同源基因而言，亲缘关系越近，序列差异越小。 核酸序列变化的速率在同一基因中的不同区域是有
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经历两个阶段： 60年代，蛋白质序列分析和电泳技术的引入，对不同生物
的蛋白质结构进行比较，分析它们之间的差别及差别性质。 发现特定蛋白质的氨基酸替换速度是基本恒定的。
分子钟；分子进化的中性学说 80年代，RFLP,PCR等，对不同生物的基因进行分析比较，
并对DNA序列进行比对，找出差异，以探究不同物种在进 化上的渊源与联系。基因的进化速度是稳定的。
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不破坏分子的现有结构和功能的突变发生的频 率较高。
例如，基因的内含子、假基因、卫星DNA等的 替换速率远高于基因的外显子；密码子第三位 碱基的替换率远高于第一、二位碱基。 —— 3 > 1 > 2
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4.3 新基因常来源于原有基因的重复。
基因重复在生物进化和新基因产生中起创造性的 作用。同一基因存在着两个拷贝，使一个拷贝 可积累突变并最终以一个新基因的姿态出现， 而另一个拷贝则保留物种在过渡时期生存所需 的老功能。
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建立分子钟的步骤
⑴ 选择所要比较的生物大分子种类：根据具体的研究目的和 已掌握的资料，选择进化速率相对恒定、速率大小合适、 在要比较的所有物种中都存在的生物大分子。
⑵ 选择所要比较的物种，确定各个比较组合及其所代表的进 化事件。
⑶ 获得要比较的物种的生物大分子一级结构信息；从古生物 学和地质年代学资料中获得每一个比较组合所代表的进化 事件发生的地质时间的数据。
分子生物学原理：第十二章 基因表达调控1
基本方式。
二、乳糖操纵子调节机制
结构基因：lacZ（β－半乳糖苷酶） lacY（通透酶） lacA （乙酰基转移酶）
操纵序列：O1、 O2、O3 启动子：P
CAP结合位点
调节基因：I
Lac操纵子结构及其负性调节
Lac操纵子的调节
1、阻遏蛋白的负调节
阻遏基因
DNA
I
真核基因组结构庞大
真核基因组含有大量重复序列
多拷贝序列
高度重复序列（106 次） 中度重复序列（103 ~ 104次）
单拷贝序列
真核生物以染色质的形式储存遗传信息
真核生物转录与翻译分割进行
真核基因转录产物为单顺反子
真核基因具有不连续性
真核生物线粒体DNA也储存遗传信息
二、染色质的活化
反式作用因子（trans-acting factor） ——由某一基因表达产生的蛋白质因子，与被
调节的DNA调节序列相互作用而发挥作用，这些蛋 白质分子称为反式作用因子。
反式作用因子直接作用： •直接结合DNA序列
反式作用因子间接作用： •通过蛋白质－蛋白质相 互作用发挥功能
基因表达调控的生理意义
基因表达的时间特异性和空间特异性
基因表达的持续性
管家基因
基因表达的可诱导性
诱导与阻遏
二、基因表达调控
1
多层次
DNA 基因激活 、拷贝数重排 、DNA 甲基化 RNA 转录起始、转录后加工、mRNA降解
蛋白质 蛋白质翻译、翻译后加工修饰、蛋白质降解
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在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，无论其为
II. 增强子(enhancer)
增强子是一种能够提高转录效率的顺式调控元件。
分子进化学研究分子演化和分化的原理和机制
分子进化学研究分子演化和分化的原理和机制随着科技的不断发展，研究分子进化的方法和手段也在不断更新和改进。
分子进化学是研究基因在不同时间和不同物种间的演化和分化的学科，可以在遗传育种、生命起源、基因治疗等方面发挥重要作用。
本文将介绍分子进化学研究分子演化和分化的原理和机制。
一、分子演化的原理在遗传学中，分子演化是指在基因组尺度上进行的遗传信息变异和演化的过程。
分子演化研究的主要分子技术手段是基因测序，通过对DNA和蛋白质序列的测定，可以探究不同物种之间的分子变异和演化情况。
分子演化的原理来源于基因突变和选择压力。
基因突变是指DNA序列中的突然变异，由于突变存在随机性和多样性，所以被认为是驱动分子演化的重要原因。
然而，基因突变并不是单纯的随机过程，其发生的频率和方向也会受到选择压力的影响。
选择压力是指环境和遗传机制对基因变异的选择和筛选，可以使得基因的相对频率发生变化。
具体来说，对某个基因的选择压力取决于该基因对个体在某种环境下的生存和繁殖的作用。
例如，一个基因使得某种动物在寒冷的环境中更容易生存和繁殖，那么在这种环境下这个基因的频率就会逐渐增加。
二、分子分化的机制分子分化是指在分子水平上，不同种群和亚种群之间在基因组等位基因频率和序列基因型上发生差异的过程。
在生物多样性研究中，分子分化常被用于解释和比较不同物种之间的进化关系、群体分化和分布范围等问题。
分子分化的机制是多样和复杂的，其涉及到分子遗传学、种群遗传学和生态学的知识。
以下是几种常见的分子分化机制。
1. 遗传漂变遗传漂变（genetic drift）是指由于随机性和样本大小等影响，在相对较小的种群中，基因组等位基因频率的发生随机变化的现象。
遗传漂变不受选择压力的影响，而是由于无规律地产生和消失等原因造成。
2. 基因流基因流（gene flow）是指由于生物个体之间的迁移和基因交流，导致不同种群或亚种群之间的基因组等位基因频率发生变化的过程。
遗传学-第十二章 表观遗传学
• 第一节 表观遗传学的分子机制
• 1. 遗传编码信息：提供生命必需蛋白质的编码模 板。
• 2. 表观遗传学信息：何时、何地、以何种方式去 应用遗传编码信息。
• DNA和染色质上的表观遗传修饰： • DNA甲基化；组蛋白修饰；RNA相关沉默（非编码
RNA）；染色质重塑。
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一、DNA甲基化机制 DNA甲基化(DNA methylation)是研究
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2.长链非编码RNA (long noncoding RNA, lncRNA)
长度超过200bp；
Xist基因17kb非编码RNA在DNA甲基化和组蛋白修饰的参与
下共同导致并维持X染色体的失活； 其他长链非编码参与RNA染色质修饰；基因组修饰；转录
激活；转录干扰；核内复制等。 位置结构分类：正义（sense);反义(antisense)；
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父亲
母亲
遗
印记基因
传
印记基因
印
印记去除
印记去除
记
精子
卵子
的
配子
形 印记形成 子代
成
基因印记过程来自父方和母方的等位基因
具有不同的甲基化模式
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（二）遗传印记的特点
①遗传印记基因遍布基因组，50多印记基因 聚集成簇形成12个染色体印记区。
②遗传印记基因的内含子小，雄性印记基因 的重组率高于雌性印记基因。
S-腺苷甲硫氨酸: S-adenosylmethionine,SAM S-腺苷同型半胱氨酸:S-adenosylhomocysteine，SAH
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• 在结构基因的5’端调控区域, CpG二连核苷常常 以成簇串联形式排列，这种富含CpG二连核苷的 区域称为CpG岛(CpG islands)，其大小为5001000bp，约56%的编码基因含该结构。
生物进化的分子机制
生物进化的分子机制生物进化是地球上生命多样性形成和发展的过程，而其中的分子机制是解释和推动生物进化的关键因素之一。
分子机制指的是生物进化过程中基因和基因组的变化，以及这些变化如何影响物种的遗传特征和适应性。
下文将探讨生物进化的分子机制，包括基因突变、基因重组、选择压力以及分子驱动力等。
1. 基因突变基因突变是生命进化的基础，它指的是基因序列发生的突然变化。
这些突变可以是点突变（单个碱基的改变）、插入或缺失（碱基插入或删除）、复制（某一段基因重复）等。
基因突变可以导致新的遗传变异，进而影响物种的适应能力和表型性状。
2. 基因重组基因重组是指在生物繁殖过程中，不同个体的基因组合重新组合形成新的基因组。
这种重组可以通过有性生殖中的交叉互换或减数分裂过程来实现。
基因重组可以将不同个体的有益基因组合到一起，促进适应性特征的产生和遗传多样性的增加。
3. 选择压力选择压力是生物进化的驱动力之一，它指的是适应环境变化所产生的选择性压力。
通过选择性压力，适应性弱的个体很可能被淘汰，而适应性强的个体则更有可能繁殖后代。
这样，有益突变基因就会在群体中逐渐积累，导致物种的进化。
4. 分子驱动力分子驱动力是指分子水平上的因素，如基因突变率、基因流动性等，它们直接影响了生物进化的速度和方向。
例如，高突变率可以增加新基因型的出现频率，从而推动进化的速度；而基因流动性则可以促进种群间的基因交流，增加遗传多样性。
总结起来，生物进化的分子机制涉及基因突变、基因重组、选择压力和分子驱动力等多个要素。
这些要素相互作用，共同推动着生物种群的进化，并导致生物多样性的增加。
进一步研究生物进化的分子机制，有助于我们更好地理解生命起源、进化过程以及物种适应能力的形成。
基因组的进化
POP’ BOB’
att位点
细菌DNA
BOP’
POB’
λ噬菌体基因组整合到大肠杆菌染色体DNA中
第一节
RPA
基因组进化的分子基础
RAD50 MRE11 NBS1
RAD52 RAD54
RAD51
哺乳动物DNA双链断裂重组模型
2.单链侵入 3.DNA合成
1.同源搜寻
DNA连接酶
解离酶
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。
基因组进化的分子基础
Байду номын сангаас
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。
Kringle结构
使TPA与血纤维蛋 白结合，激活TPA 组织血纤维蛋白 溶酶原激活因子
使TPA与血纤维 蛋白凝块结合
使TPA刺激细胞增生 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
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一起
细菌的接合转移机制
当整合的F 因子在OriT 处
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。
生物遗传进化的分子机制
生物遗传进化的分子机制随着科学技术的发展，人们对于生物遗传进化的认识也越来越深入。
其中，分子机制的探讨成为了当前生物遗传进化研究的重要课题之一。
本文将从分子水平上介绍生物遗传进化的分子机制，涉及到基因、DNA、RNA和蛋白质等方面的知识。
1. 基因的变异和突变基因是生物随传代相传的单位。
基因的变异和突变是造成生物进化的主要原因之一。
具体来说，基因变异指的是在基因水平上的变化，例如某个基因在进化过程中，会出现复制、转移、选择、等位基因的增加或减少等变异现象。
而基因突变则是指基因序列的错误复制或变异，将导致基因失效或功能丧失，甚至可引发疾病。
2. DNA的突变和修复DNA是生物的遗传物质，在细胞核中以双螺旋形式存储。
DNA的突变也是造成生物遗传进化的重要因素之一。
DNA的突变主要有点突变、缺失突变、插入突变和倒位突变等。
通常情况下，细胞会通过自身的修复机制来纠正DNA的错误差异。
但一旦修复机制失效，就可能导致遗传物质的突变而引发严重后果。
3. RNA和蛋白质的合成和调控RNA是DNA的镜像副本，参与到氨基酸的拼接中，最终形成蛋白质，进而参与到细胞内的各种生理活动中。
在生物遗传进化的过程中，RNA和蛋白质的合成以及调控也是非常重要的。
RNA“剪接”机制可以选择不同的剪接方式，产生不同的RNA和蛋白质，随着时间推移，这些变异的RNA或蛋白质会形成新的遗传性状，最终导致生物进化。
4. 基因测序和进化树近年来，高通量基因测序技术的快速发展为人们研究生物进化提供了新的技术手段。
通过对不同物种基因组的测序，科学家可以比较不同物种之间的基因差异和演化路径。
同时，研究者还可以通过构建基因进化树，进一步了解不同物种之间的亲缘关系和演化过程。
通过基因测序和进化树的分析，可以更加系统地研究生物演化的分子机制，促进生物学的发展。
总之，生物遗传进化的分子机制是复杂而又精细的系统。
正是这些复杂机制的作用，才促进了生物物种的多样性与优胜劣汰的竞争，推动着生命在漫长的进化历程中不断变化和进步。
分子进化与分子改造课件
序列比较 源于同一祖先DNA/氨基酸序列的两
条DNA/氨基酸序列，考察二者的差异。
序列差异
分子进化 以累计在DNA/氨基酸分子上的历史
信息为基础研究分子水平的生物进化过程和机制。
进化过程中分子突变的痕迹。
分子系统发育学（Molecular Phylogenetics）
分子系统学（Molecular
生物大分子进化速率相对恒定
随时间的改变主要表现为核苷酸、蛋白质一级结构的改变
不同物种同源大分子的分子进化速率大体相同，例如人与马的血
红蛋白氨基酸序列差异0.8×10-9/AA.a，人与鲤鱼0.6×10-9/AA.a
分子进化速率远远比表型进化速率稳定
生物大分子进化保守
功能重要的大分子在进化速率上明显低于那些功能不重要的
的进化速率r(t)
6、由此可以推断未知进化事件的发生时间
分子进化与分子改造课件
关于分子钟的讨论和争议
1、对长期进化而言，不存在以恒定速率替换的生物大分
子一级结构（基因功能的改变、基因数目的增加）
2、不存在通用的分子钟
3、争议
分子钟的准确性
中性理论（分子钟成立的基础）
分子进化与分子改造课件
分子进化与分子改造课件
分子进化与分子改造课件
三、分子钟
根据分子系统学研究与古生物学资料相结合，建立推论生
物进化事件发生的时间表。
假定分子进化速率r恒定，则分子进化改变量（替代数目
或替代率）与进化时间成正比。以两条序列为例：
d=2rt
其中，t是进化时间，d是这两条序列每个位点的替代数目
高三生物分子遗传与进化知识点梳理
高三生物分子遗传与进化知识点梳理一、引言在高中生物的学习中，分子遗传与进化是一个十分重要的部分。
它不仅涉及到生物学的基础知识，还联系着生物进化的根本规律。
通过对这一部分知识的学习，我们可以更深入地了解生物的奥秘，也为学习后续的生物学知识打下坚实的基础。
二、分子遗传学基础2.1 基因与DNA基因是生物体内负责遗传信息传递的基本单位，是由DNA序列组成的。
DNA 是双螺旋结构，负责储存和传递生物体的遗传信息。
2.2 遗传信息的传递遗传信息的传递主要通过两个过程：转录和翻译。
转录是指DNA序列转化为mRNA序列的过程，而翻译是指mRNA序列转化为蛋白质序列的过程。
2.3 遗传变异遗传变异是指基因在复制或传递过程中产生的变化。
主要有三种类型：突变、重组和基因流。
三、分子进化3.1 生物进化理论生物进化理论是指生物种群在长时间内通过自然选择、基因流、突变和重组等过程逐渐发生变化的过程。
3.2 分子钟分子钟是一种通过比较生物体内特定分子的序列差异来推断生物种群分化时间的方法。
3.3 生物地理分布与进化生物地理分布与进化是指生物种群在不同地理区域的分布及其进化历程。
四、进化的分子机制4.1 自然选择自然选择是指生物个体在生存和繁殖过程中，适应环境的个体更容易生存和繁殖，从而使得有利基因在种群中逐渐积累。
4.2 基因流与基因漂变基因流是指生物种群间的基因交流，而基因漂变是指生物种群内基因频率的随机变化。
4.3 非随机交配非随机交配是指生物个体在繁殖过程中，不是所有的配对都是等可能的，这会影响种群的基因频率。
五、实例分析以人类为例，我们可以通过研究人类基因组的变异和重组，了解人类的进化历程。
同时，通过比较人类与其他生物的基因序列，我们还可以推断出它们之间的亲缘关系。
六、总结分子遗传与进化是生物学中的重要部分，通过学习这一部分知识，我们可以更深入地了解生物的奥秘，也为学习后续的生物学知识打下坚实的基础。
注意: 本文档旨在提供一个详细的知识点梳理，供您参考和学习。
动物进化的分子机制
动物进化的分子机制动物的进化是一个长期的过程，不断经历适应环境、适应需求的变化。
在进化过程中，动物体内的分子机制起着关键作用。
本文将探讨动物进化的分子机制，并分析其在演化中的重要性。
一、基因突变与进化基因突变是动物进化的基础。
通过基因突变，动物体内的基因序列会发生变化。
这些变化可以是点突变、缺失、插入、重复等，进而引起基因的功能变化。
基因突变可导致新的表型特征出现，并对物种的生存环境产生适应性变化。
例如，猿类到人类的进化中，关键的基因突变会导致头骨、颈椎、脊柱等骨骼结构的改变，使人类能够直立行走。
二、全基因组测序与演化研究全基因组测序技术的发展为研究动物进化提供了重要工具。
通过对动物基因组的测序，可以了解各个物种之间的遗传关系，并揭示它们的进化历程。
在全基因组测序的基础上，可以进行大规模的比较基因组学研究，发现共有基因、功能基因以及特定物种的基因等。
这种方法不仅帮助我们了解动物群体的演化轨迹，还能为保护濒危物种和人类疾病的研究提供重要线索。
三、基因调控的演化基因的调控是指基因在不同环境和组织中的表达方式。
不同物种之间的基因表达调控差异，可以反映它们的进化关系和适应环境的能力。
基因调控的演化主要通过突变导致转录因子结合位点的变化，从而调控基因的转录。
这种调控的差异可以解释为什么不同动物在形态和生理上有差异，以及为什么它们能够适应不同的环境和生活方式。
四、蛋白质演化与新功能的出现蛋白质的演化是进化过程中的关键因素。
蛋白质通过基因突变和选择等力量，不断调整其结构和功能，以适应变化的环境。
新蛋白质的出现往往意味着新的功能的出现，为动物进化提供了机会。
例如，角蛋白的演化促使进化出角的结构，使得动物在躲避捕食者和进行生殖竞争时能够更好地适应环境。
五、性选择与物种的进化性选择是进化中的重要力量之一。
通过交配选择，物种中的优势特质得以传递下去，而劣势特质则会逐渐被淘汰。
性选择的过程中，分子遗传机制起着重要的作用，它可以决定性状的表达方式、配对选择和后代的生存能力。
分子生物学(张海红)第12-13章 基因组进化的机制与模式
多细胞动物很少有多倍体
1) 多细胞动物基因组很少有多倍体报道, 产生 这一现象的原因可能同动物的发育模式有关. 动物发育为封闭式, 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胚胎发 育产生致命的影响. 2) 植物的发育是开放式, 营养器官不断地重复 地产生, 生殖器官与营养器官是同源的, 因而 可以忍受多倍体带来的基因剂量不平衡的干 扰. 此外植物细胞可直接从外界吸收营养, 降 低了器官和组织彼此间相互依赖的程度.
2R假说
Susumu Ohno在 1970年首次提出 2R假说.他认为, 在脊椎动物进化 中, 曾经发生过 2次全基因组水 平的加倍. 比较 基因组顺序表 明, 无脊椎动物 基因成员在哺 乳动物35000个 基因中平均有 两个同源基因.
Bioessays. 2005 Sep;27(9):937-45
核糖体本质上是一个核酶--Ribozyme
RNase P
RNA 与 RNA 世界
RNA可以自我复制
体外 RNA分 子可以 催化 RNA复 制
See: Johnston et, Science 292: 13201325, 2001.
试管RNA分子进化，产生活性更强的RNA分子。
RNA
世 界 向
重 组 时 DNA 单 链 侵 入 同 源 双 链
RecA 与 DNA 结合后形成一个蛋白质包裹的 DNA 纤 丝，侵入同源双螺旋DNA形成D环结构。 D环 的中间产物是一个三链（triplex），侵入的多聚 核苷酸位于完整的双螺旋主沟内并与其配对的核 苷酸碱基建立氢键连接。
分叉前移的机制
叉点前移在5‘-A/TTG/C-3’顺序优先停止,该顺序在大肠杆菌基因组中 经常出现. 当RuvAB复合物离开叉点后, 两个RuvC蛋白取而代之,并完 成Holliday结构的解体任务. 交叉DNA中的异源配对双链必需交互切 割才能彼此分开, 切割事件在5‘-A/TTG/C-3’顺序的T和G/C之间.
生物进化的分子机制和演化过程
生物进化的分子机制和演化过程生物进化是生命的基本规律之一，它描述了物种在时间和空间上的变化。
生物进化涵盖了遗传、生态、行为和地质等多个领域的知识，是现代生物学的重要分支之一。
本文将分别从分子机制和演化过程两个方面，来探讨生物进化的内在机制和外在表现。
一. 分子机制生物进化是由遗传变异的积累和选择的作用造成的。
其中，遗传变异可以分为突变和重组两类。
突变是基因在DNA分子水平上的变化，包括点突变、插入突变和缺失突变等，它们可以导致基因拼写错误或改变基因的结构和功能。
重组是基因在DNA分子水平上的重组，它可以导致同一个物种中不同个体基因组合的变化。
选择是由生物与环境之间的相互作用形成的。
环境的压力如食物、气候等会对生物产生影响，在生存和繁殖中产生选择作用，从而影响基因的分布和生物种群的演化。
在分子机制方面，近些年来，DNA测序技术的发展使得研究生物进化的分子遗传学越来越深入和准确。
比如研究人和类猿之间的分子进化关系，发现两者的DNA序列上的差异很小，只有0.1%左右。
同时也有许多DNA序列高度相似的物种，却在外部形态、生物学习性等方面存在明显的差异。
进化基因学的另一个领域是母系遗传，即通过母亲传递遗传物质（mtDNA）来研究物种之间的关系。
比如分析不同大陆狗的mtDNA，可以了解到它们的起源和进化过程。
二. 演化过程演化过程是物种的遗传性状和环境的相互作用导致的生物进化表现。
一方面，演化过程通过选择作用，使得适应环境的基因逐渐变得优先；另一方面，随机变异和遗传漂变则使得基因变异的难以预测。
物种演化的过程中，一个重要的概念是进化速率。
进化速率是指生物在单位时间内经历的遗传变化和形态进化的速度。
一个物种的演化速率受到多种因素的影响，如环境的压力、交配系统、基因突变效应等。
在演化过程中，有几个值得我们留意的观点。
首先，在一些环境中，生物的形态和行为可能会出现类似的适应性进化。
比如，会飞的昆虫的翅膀形态和鸟类的羽毛等结构表明相似的适应性进化。
生物化学第12章-分子生物学常用技术
第十二章分子生物学常用技术及应用【授课时间】3学时【目的要求】1．掌握基因工程与重组DNA技术相关概念，核酸分子杂交、探针、PCR、DNA 芯片技术、基因诊断和基因治疗的概念。
2．熟悉重组DNA技术、PCR的基本原理及基本反应步骤。
3．了解基因工程在医学中的应用，PCR 的主要用途。
4．了解DNA芯片技术的原理与方法，基因诊断与基因治疗的应用。
【教学内容】1．一般介绍：基因工程2．一般介绍：核酸分子杂交技术3．一般介绍：聚合酶链反应4．一般介绍：DNA芯片技术5．一般介绍：基因诊断与基因治疗【授课学时】3学时第十二章分子生物学常用技术及应用第一节基因工程第二节核酸分子杂交技术第三节聚合酶链反应第四节 DNA芯片技术第五节基因诊断与基因治疗第一节基因工程噬菌体(bacteriophage，phage)是感染细菌的一类病毒，因其寄生在细菌中并能溶解细菌细胞，所以称为噬菌体。
用于感染大肠杆菌的λ噬菌体改造成的载体应用最为广泛。
（一）目的基因的制备目的基因是指所要研究或应用的基因，也就是需要克隆或．基因组DNA文库cDNA文库．聚合酶链式反应（polymerase chain reaction．化学合成（二）目的基因与载体的连接将目的基因或序列插入载体，主要通过DNA（二）Northern 印迹杂交Northern 印迹杂交是指将待测RNA 样品经电泳分离后转移到固相支持物上，然后与标记的核酸探针进行杂交，检测的方法。
其基本原理和基本过程与印迹杂交主要用于检测各种基因转录产物的大小、转录的量及其变化。
（三）斑点及狭缝印迹杂交分子杂交实验①②③目录三、探针的标记（一）探针的特征探针的特点：①要加以标记、带有示踪物，便于杂交后检测，②应是单链，若为双链用前需先行变性为单链；③具有高度特异性，只与靶核酸序列杂交；④标记的探针应具有高灵敏度、稳定、标记方法简便、安全。
（二）探针的种类及制备探针第四节 DNA芯片技术第五节基因诊断与基因治疗。
医学-细菌基因组进化的分子机制与调控假说
• 完整的细菌基因组进化依次包括 : 原始前体 分子形成 、 基因组的原始起源 、 功能性
染色体和质粒基因组的形成( 细胞形成和物 种起源) 、 细菌基因组的继续进化( 物种分 化) 。 本文主要讨论原始细菌功能基因组形 成后的进化事件 ,并介绍一个细菌基因组稳
定性和变异性之间动态平衡的自发调控的 调控假说。
一点突变与细菌基因组进化
• 所谓点突变是指由于细菌基因组 DN A 中的一个 或数个核苷酸的改变而造成的 DNA序列变异 , 包 括单碱基置换 、一个或数个碱基的插入或缺失 。 本文特指与细菌进化有关的 , 在细菌正常生长条 件下和正常生命活动中所自发产生的并能产生表 型效应的点突变 。 自发性点突变可以产生于某个 基因的功能域 , 或整个基因 、或由多个基因组成 的功能系统 , 引发现有基因的修饰 、失活 、转录 表达的差异调控等 , 使得细菌个体在功能性状上 产生适应性变化 , 在自然选择压力下 , 那些对种群 发展有利的个体得以保持下来 , 并经过多代遗传 繁殖在种群中扩展开来 , 该种细菌作为一个整体 达到了适应性进化的目的 。
引言：
• 细菌基因组是指菌体细胞内染色体所含的全部DNA序列 , 其基本特点包括 : 绝大多数细菌染色体只有一个 , 一般呈 环状 ; 染色体 DNA不和蛋白质固定结合 ; 小而紧凑 , 很少 有不编码序列 , 一般很少有重复序列 ; 功能相关的基因高 度集中 , 有的构成操纵子 , 由一个启动子开始 , 转录成多 顺反子mRNA , 再翻译成相应功能的蛋白质 。细菌质粒是 独立于染色体之外的 能自我复 制的遗传物质 , 有些质粒 不具有任何表型效应 , 多数质粒含有染色体所没有的基因 , 负责编码某些功能 。本文细菌基因组的概念囊括了染色 体和质粒 。不同种细菌间基因组大小的差异在 10 倍以内 , 但不同细菌间在代谢特征 、 细胞构造 、 生活方式等表型 特征上千差万别 , 即便在亲缘关系很近的细菌间也表现出 明显的多样化特征 。 显然 , 由于细菌基因组经过长期的 进化 , 不同细菌基因组在构造与功能上存在着明显的分化 , 从而为上述多样化特征奠定了遗传基础 。
基因组结构与功能的进化机制
基因组结构与功能的进化机制随着现代科技的发展，人们对基因组的了解越来越深入。
基因组是指生物体内所有基因序列的总和，是生命的基础和载体。
基因组的结构与功能众所周知，是生物进化的重要标志，也是生物多样性的重要来源。
基因组的进化机制是什么呢？下面我们来探讨一下基因组结构与功能的进化机制。
一、基因组结构的进化机制基因组的结构包括基因的排列、数量、长度、组成等。
基因组结构的进化机制主要有以下几种：1. 基因重复基因的重复是指同一个基因或部分基因在同一基因组内重复出现的现象。
基因重复是生物进化过程中的一个重要机制，它能够增加基因组的多样性和可塑性，推动基因家族的形成和发展。
2. 基因片段的移动和删除基因片段的移动和删除是指基因组内一些基因或基因片段的移位或删除。
这种现象在真核生物中较为普遍，特别是在中等重复序列和转座子基因中。
3. 基因重组基因重组是指基因组内两个相同或不同染色体之间，或同一染色体内两段DNA序列之间的重组。
基因重组可以重新组合信息，产生新的基因组构型，增加生物的适应性和可塑性。
4. 染色体的数目和形态变化染色体的数目和形态的变化是指生物的染色体数目和形态在进化过程中的改变。
这种现象常常出现在真核生物中，比如人类染色体的二倍体和四倍体。
二、基因组功能的进化机制基因组的功能主要包括基因的表达和调控、编码蛋白质等。
基因组功能的进化机制主要有以下几种：1. 基因剪接基因剪接是指在基因转录过程中，一种含有多个外显子的前体mRNA被切割和剪接成为一个或多个较短的成熟mRNA的过程。
基因剪接能够增加基因组结构多样性和蛋白质功能多样性，是真核生物基因组功能进化的重要机制之一。
2. 新基因产生新基因是指在基因组进化过程中由基因重复、转座和基因重组等机制产生的新基因序列。
新基因的产生能够增加生物的适应性和多样性，并为生物进化提供更多的潜在资源。
3. 基因家族扩张基因家族是指同源基因的集合，这些基因往往在基因组中的位置相近，具有相似的结构和生物学功能。
生物分子的如何进化及分子进化的机制
生物分子的如何进化及分子进化的机制生物的进化是一个长期漫长的过程，而分子进化在生物学上也是至关重要的一环。
生物分子进化其实是指分子之间的进化，包括蛋白质、DNA、RNA以及其他重要的生物分子。
生物分子的进化机制可以自然选择、基因漂变和基因重组等引起的遗传变异、基因重组和自发突变等途径。
DNA是生物中最重要的分子之一，基于它的序列变化可以推测物种间的亲缘关系及进化论中的演化过程。
为了更深入的了解分子进化机制，本文将从自然选择、基因漂变和基因重组等角度分别就生物分子的进化展开讨论。
自然选择是最重要最基础的进化机制，因为它可以从已有的分子遗传物质中筛选出合适的生存策略以适应环境的变化。
自然选择能够促进基因控制的特性在种群中的扩散，从而引起种群的感应性结构。
以蛋白质来说，自然选择的作用也是极其显著的，特别是在功能结构上的调整和筛选中。
在进化过程中，蛋白质功能构架对构象的确定性等因素会受到许多滋扰。
但在自然选择的促进下，蛋白质结构能够在满足具体功能的前提下做到谨慎变化，从而在分子层面上实现自我适应，进而帮助维持生物的活力状态。
生物进行自我适应还会遇到另一个因素，那就是基因漂变。
基因漂变在生物进化中也起着非常重要的作用。
正如其名，基因漂变不是一种有意识的改变，而是通过无规律的随机变异引起的遗传变异，这也是生物演化中的一个主要驱动力之一。
除了自然选择以外，基因漂变还是维护基因多样性的重要因素之一。
在基因验人过程中，突变等随机变异也可能发生，这种随机性的遗传突变能够使噪音变得更强，成为环境适应性的重要物质基础之一。
另外，基因重组也是生物进化中一个非常重要的进化机制。
基因重组不同于基因漂变，它是通过不同个体间的重组而产生的新抗性，即一些基因特性可以通过重新排列基因而加以优化。
在有性生殖中，某些基因片段可以发生交叉互换的现象，产生新的相互联系的特征，从而把新的抗性的组合形式编码在后代的基因基础上。
这种互换基因片段的过程意味着有很多新特性的产生，并且有助于加速生物的进化过程。
人类基因组的分子进化过程
人类基因组的分子进化过程人类基因组是所有人类细胞中的遗传信息总和，它是由数十亿个碱基对组成的。
基因组的分子进化过程是由基因测序技术和分析方法的发展所揭示的。
进化是一种长期而不断的过程，影响每个生物的基因组。
在进化中，生物的基因组会经历许多变化，包括变异、插入、缺失、扩增、转位等。
这些变化构成了生物基因组在物种演化上的动态（例如人类与黑猩猩基因组的比较）。
这篇文章将探讨人类基因组的分子进化过程，特别是在进化中与其他成员的基因组发生的变化，为我们更好地理解人类起源和演化提供参考。
人类基因组的进化原理生物体存在遗传变异现象，是由于DNA的变异所导致的。
DNA是由四种碱基（腺嘌呤、鸟嘌呤、胸腺嘧啶和鸟嘧啶）的序列组成。
在人类进化中，这些碱基可能发生变异，导致了基因组的演化。
基因组变异可以分为两种主要形式：单核苷酸多态性（SNP）和插入/删除/重复（InDel）。
SNP描述的是基因组中的一个碱基序列更换成另一个碱基序列，这种替换通常是由DNA的复制/修复过程中的错误引起的。
此外，还有一个常见的变异是插入/删除/重复，即碱基序列的增加或减少，或者重复插入到基因组中其他地方。
这种变异可以通过许多不同的机制进行，例如转位、重组和基因家族扩张，这些机制可以使基因组变得更加复杂。
进化过程中的变异：起因和后果基因组的进化始于遗传变异，该遗传变异最初可能是由随机突变所引起的。
随机突变是指由于环境或其他因素而引起的变异，例如化学及放射性物质，或噬菌体病毒和其他来源的基因重组。
这些变异有时可以导致功能改变，例如改变基因表达、功能缺失或其他负面效应。
随着时间的推移，许多人类基因组基本上不变。
这是因为突变在基因组中的频率非常低，因此在几代中不容易积累足够的突变。
但是，一旦突变达到一定频率，就会成为新的“正常”状态，并随后传递到下一代。
这些突变可以通过自然选择加速演化进程，也可以慢慢逐渐地在漫长的时间尺度下积累。
这些变异在对个体的适应和生存优劣进行筛选时可发挥重要作用。
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酵母 基因 组在 一亿 年前 经历 了一 次完 全的 加倍
引自Goffeau, Nature 430:25, 2004
大多数植物基因组均为多倍体
1) 大多数植物基因组均由同源多倍体和异 源多倍体组成, 是基因数目增加的主要 方式. 3) 玉米染色体组由染色体基数n=5加倍为 n=10, 小麦为6倍体(含A, B, D=7, n=21), 油菜为异源多倍体(n=19), 棉花, 烟草为 多倍体, 香蕉为3倍体.
重 组 时 DNA 单 链 侵 入 同 源 双 链
RecA 与 DNA 结合后形成一个蛋白质包裹的 DNA 纤 丝，侵入同源双螺旋 DNA形成D环结构。 D环 的中间产物是一个三链（triplex），侵入的多聚 核苷酸位于完整的双螺旋主沟内并与其配对的核 苷酸碱基建立氢键连接。
分叉前移的机制
存 在 含 有 核 膜 的 细 菌
病 毒 可 能 参 于 真 核 细 胞 进 化
红藻(red algae)的细胞核可以象病毒一样在细胞间转移.
基因组进化的模式
基因组进化的模式: 加倍 重排 洗牌 不等交换 扩张与扩增 插入与缺失 转座因子的作用
基因与基因组进化的主要方式基因和基因组加倍
在基因组进化中现有基因的加倍是最重要 的方式之一，它们可经由以下途径发生： 1）整个基因组加倍； 2）单条或部分染色体加倍； 3）单个或成群基因加倍。
叉点前移在5‘-A/TTG/C-3’顺序优先停止,该顺序在大肠杆菌基因组中 经常出现. 当RuvAB复合物离开叉点后, 两个RuvC蛋白取而代之,并完 成Holliday结构的解体任务. 交叉DNA中的异源配对双链必需交互切 割才能彼此分开, 切割事件在5‘-A/TTG/C-3’顺序的T和G/C之间.
2)
3)
3) 4)
由于发现具有催化功能的RNA, Thomas Cech 和 Sidney Altman 共享1992 诺贝尔化学奖.
RNA World学说的奠基人
Altman的贡献是发现 RNase P, 一个由RNA分 子和蛋白质组成的酶, 催化大肠杆菌tRNA前体 的加工. 该酶的催化活 性是由RNA分子执行的. Thomas Cech首次发现 具有自我催化的RNA分 子, 四膜虫rRNA分子可 以自我剪切.
核糖体本质上是一个核酶--Ribozyme
RNase P
RNA 与 RNA 世界
RNA可以自我复制
Байду номын сангаас
体外 RNA分 子可以 催化 RNA复 制
See: Johnston et, Science 292: 13201325, 2001.
试管RNA分子进化，产生活性更强的RNA分子。
RNA
世 界 向
第12章 基因组进化的分子机制
1) 突变 2) 重组 3) 转座
DNA重组
DNA重组有两种方式： 1）同源重组； 2）双链断裂重组。
染 色 体 配 对 与 交 叉
同源姐妹染色体的交换与重组产生的表型 改变称为变异. 变异不涉及基因或染色体的 突变, 但能提供大量的基因型, 是重要的进 化动力之一.
基因的起源
在细胞出现之前是否就有基因? 最初的基 因是怎么产生的? 基因产生的意义是什么? 到目前为此对上述问题还没有一个合理的 解释!
三个系统的起源关系
1) 任何生命都有三个不可或缺的系统 复制系统 转录系统 翻译系统 2) 上述三个系统的起源关系
翻译系统最早建立, 其次是转录系统, 最后是复制系 统. 没有准确高效的翻译系统, 遗传信息的表达是无 法实现的, 精确复制也失去了意义
同 源 重 组 Holli day
模 型
大 肠 杆 菌 同 源 重 组 过 程（
1）
RecBCD 酶与线性分子的未端结合然后解旋，随后朝 前寻找第一个 8碱基基序 5‘GCTGGTGG3’，又称 叉点（chi site）。大肠杆菌基因组平均6 kb有一个 叉点。 RecBCD 的核酸酶在离叉点 3’ 端约 56 个核苷 酸处切开单链产生游离单链未端，然后侵入基因组 同源区段内部。
DNA
世 界 的 转 变
支持RNA世界假说的证据
1)RNA application for storing genetic information(编码功能). 2) Evidence of RNA molecules (ribozymes) acting as chemical catalysts (enzyme-like) properties (肽键合成) . 3) Evidence supporting the de novo synthesis of nitrogen-containing bases (nucleotides) such as adenine, guanine, cytosine, and uracil, under ancient earth conditions (碱基合成). 4) Evidence of the de novo synthesis of the RNA sugar (ribose), in the form of ribose phosphate, under ancient earth conditions (核糖合成).
遗传系统的产生
1) RNA世界 2) 复制, 转录, 翻译 系统的产生 3) 生命三界
RNA世界
1) 1986年, Walter Gilbert发明了“RNA World”这一名 词,用来表示前生命时期携带信息并具有催化功能的 RNA分子. 1986年, Thomas Cech首次发现具有自我催化的RNA 分子, 四膜虫rRNA分子可以自我剪切. 1989年, Jack Szostak提供实验证据, 表明体外RNA分 子可以催化复制. 1990年, Sidney Altman等发现, 大肠杆菌RNase P 的 RNA亚基可以催化tRNA前体剪切. 1992年, Harry Noller证实核糖体RNA(rRNA)具有催 化肽键形成的功能.
见: Carl Woese, PNAS, 96:6854, 1998
基因组的起源
人们推测基因组的起源可能是: 最初的DNA基因组由许多分散的分子组成，每一个指 令单个蛋白质，相当于一个基因。这些基因彼此连接成 染色体，它们可能在编码的RNA转变为DNA之前或之后 出现。由于组成了含更多基因的染色体，在细胞分裂时 基因的分配要比分散的类型更加有效而方便，在竟争中 占有优势。随着早期基因组的多次进化，彼此连接的基 因所具有的不同功能也随之发展与演变。 这一假说还无法提供证据.
真核细胞起源的假说
目前有三种关于真核细胞起源的假说: 1) 共生假说: 古细菌进入真细菌彼此互助, 随后古细菌形成细胞核, 真细菌成为细 胞器. 2) 直生假说: 存在含有核膜的细菌, 真核 细胞为独立起源. 3) 病毒假说: 病毒侵入促使了真核生物的 形成.
引自 Science 305:766, 2004
生命之根在哪?
Carl Woese认为: 不存在一个所谓的祖先细胞, 最初的细胞是 不稳定的, 复合的, 具有多向发展潜力的复 合物. 达尔文进化论只探讨生命出现之后的进化 规律,不涉及生命的起源.
生 命 三 界
生命三界特征比较
特征 分 界 ——————————————————————————------------------------- 细 菌 古细菌 真核生物 -------------------------------------------------------------------------------------------------------- 核膜 无 无 有 细胞器 无 无 有 细胞壁肽聚糖 有 无 无 脂膜成分 无分枝碳氢链 具某些分枝碳氢链 无分枝碳氢 链 RNA多聚酶 一种类型 多种类型 多种类型 蛋白质合成起始氨基酸 甲基甲硫氨酸 甲硫氨酸 甲硫氨酸 基因内含子 无 有或无 有 链霉素和氯霉素抗性 － ＋ ＋ ----------------------------------------------------------------------------------------------------------
古细菌与真核生物更相似
来自海洋火山口的古细菌詹氏甲烷球菌基因组顺序分析 显示，它在起源上与真核类生物更加接近： 1）古细菌的翻译系统如核糖体蛋白，延伸因子和氨酰 tRNA合成酶以及转录系统均与真核生物相似，而与细 菌有所不同。 2）在代谢系统方面，古细菌与真细菌极为相似。人们推 测，古细菌和原始真核细胞可能从原始细胞分别继承 了部分共同的遗传物质。
核酶: 基因型和表型合为一体
核酶所具有的碱基顺序就是它的基因型, 它 的高级结构及其催化活性就是它的表型.
RNA世界假说的不足
1) Difficulty attaching the ribose phosphate molecules to the nucleotide bases. No evidence has been found yet (核苷酸 合成困难). 2) Catalytic RNA‘s (ribozymes) appear too complex to just appear and be fully functional (催化RNA分子结构太复 杂) . 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 (已发现的核酶自身不能完全合成核酸). 4) Short evolutionary time span for the de novo synthesis from organic molecules> to RNA World>to full life forms (从RNA到生命出现进化时间太短, 不到5亿年).