基因组进化模式12-1

“生命的起源自然发生说”成立的基本条件
在地球形成初期的自然条件下，能够自发合成 地球生命重要生物大分子。
原始地球
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最早的生化系统
什么是生命？ 最早的生命形式是什么？
勾勒 出与现有生命系统相似的生物大分子合 成的地球化学过程， 生物大分子是如何从随机组合到有序组装，
（4）转座因子插入到基因中造成剪接模式的改变
(Wang W等，2005)。 （5）逆转录转座因子的转座以RNA为中介，通过 转录产生的大量RNA可为逆转录转座提供合成
cDNA的模板，由此发生爆发式的转座事件，使基
因组急剧扩张。 例： a 人类基因组约35％的由逆转录转座因子组成，
b 高等植物50％以上的核基因组由逆转录转座因子
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多倍体化—全基因组倍增
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Synteny in Saccharomyces cerevisiae
(Wolfe＆Shield 1997)
（2）、部分基因组倍增 Model of gene duplication
基因组进化模式
Xiaofang Xie College of Life Science Fujian Agriculture and Forestry University E-mail:xxf317@yahoo.com.cn
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基因组的进化模式
• 基因组的起源—RNA的世界 • 新基因的获得—倍增 • 非编码DNA与基因组的进化
生了该基因家族中的Gr和Ar成员(Maeda
等，1986)。
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（2）、改变基因的表达模式
当转座的位点正好紧接在基因上游的控制区，
由于破坏了原有基因DNA结合蛋白与调控顺序
的结合或与转录起始复合物的互作，可直接干
扰或关闭下游基因的表达。
（3）、转座因子中的启动子和增强子会对邻近
COLLEGE OF LIFE SCIENCE RNA基因组向DNA基因组的进化
DNA基因组： 稳定 双链
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RNA----DNA世界过渡过程 (3部曲)—
1. RNA出现；
2. RNA催化肽键形成/合成蛋白质； 3. RNA与蛋白质共同催化以RNA为模板的 遗传物质合成新的稳定性高的遗传物 质----DNA
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基因组获得新基因的途径
• 1. 基因加倍之后的趋异。（主要方式，Long M等，2003） • 2. 外显子或结构域洗牌（19%） • 3. 逆转录极其随后的趋异或重排 • 4. 外源基因水平转移(Ochman H等,2005) • 5. 基因裂变和融合(Snel B等,2000)
功能域重排的应用实例： 头孢菌素酶可使细菌对抗生素艾内酰胺产生抗
性。含有头孢菌素酶基因的细菌通常能够忍受培养 基中0.75 ug/ml的艾内酰胺。 以来自四种细菌:弗氏柠檬酸杆菌(Citrobacter
freundii)，阴沟肠杆菌(Enterobacter cloacae)，肺炎
克氏杆菌(Klebsiella pneumonia)和小肠结肠炎耶尔
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人 人类珠蛋白基因进化过程中的基因复制 800Ma 类
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500Ma
200Ma 40Ma
肌红蛋白
ζ
2
α2
α1
ε
GY AY
δ
β
α-球蛋白
β-球蛋白
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（3）. 外显子重排与蛋白质功能的实现
活性。
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功能域重排有何利用价值？
体外蛋白质进化 (Coco，2001)
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体外蛋白质进化
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在植物中，可通过多倍化获得新基因。通常形 成异源多倍体的两个物种关系密切，许多基因是共
有的。但每个亲本都拥有一些对方不具有的基因，
或至少是共有基因中的不同等位基因。 例如产面包小麦(Triticum aestivum)，
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动物的种间基因转移：
动物体的种间基因转移发生较困难，很难找 到某一类水平基因转移(horizontal gene transfer)的 例子。许多真核基因具有与古细菌或真细菌序列 相关的特点，但这被认为是反映了真核细胞的内 共生起源而不是在进化的较晚期获得基因。 但是，有证据表明，细菌基因随食物摄入而掺 入真核基因组的情况比预想的普遍(Doolittle， l998)。 逆转录病毒和转座元件在动物种间的基因转移 中起关键作用。
非编码DNA与基因组的进化
Xiaofang Xie College of Life Science Fujian Agriculture and Forestry University E-mail:xxf317@yahoo.com.cn
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1、非编码DNA的扩张
取代？
可能：多肽链有更大的可塑性 /RNA碱基配 对区段有较强的物理刚性+RNA分子短，限制 其催化反应活性。 先决条件：具有酶学活性的蛋白质的出现， 并取代核酶的大多数功能。
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编码RNA的两种进化可能
A.核酶可能进化成具有催化和编码双重功能 B.核酶合成一种编码分子
• 6. 非编码序列转变为编码序列（Levine MT等，2006）
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新基因的产生-----基因与基因组加倍
通过1-3完成：
1. 整个基因组（同源、异源多倍体—脊椎有？）；
2. 单条/部分染色体； 3. 单个/成群基因（多见，如：多基因家族）。
（1）、全基因组倍增
b、Unequal sister chromatid exchange: same as unequal crossing over, but involves a pair of chromatids from a single chromosome
c、Replication slippage: can amplify short regions
组成(Kumar等，1999)。
3、内含子起源 内含子发现于20世纪70年代
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研究的热点：内含子起源
（1）I群、Ⅱ群和Ⅲ群内含子多数人都认为 所有这3种可自我剪接的内含子起源于RNA世 界，并一直延续至今而未发生大的改变。 （2）在GT-AG内含子 GT-AG大量出现在真核生物基因组中，起 源存在较大分歧。
能自我复制并指导简单的生化反应的那些
分子。这些反应可能包括释放自由能的能量代 谢，如现在我们所看到的一样，是基于核糖核 苷酸ATP和GTP磷酸-磷酸键水解之上的，并可 能在脂膜中分室进行，形成最初的细胞样结构。
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基因组的起源
Q4: 具有核酶活性的RNA，为何要被蛋白质
基因的表达调控产生影响，使邻近基因的表达 完全从属于由转座因子所确定的模式(McDonad， 1995)
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例：老鼠sep基因。
sep基因编码1个免疫响应蛋白，其组织专一性的表达由 邻近逆转座因子中的增强子决定(Stavenhagn等，1988)。
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基因组进化
起 源
基因组进化
进 化
基因组起源
生命的起源
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生 命 起 源 上帝创造说
地球起源说
自然发生说
外星起源说
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基因组的起源 Q5: 具有自我复制功能的RNA，为何要被DNA 取代？
1.RNA的磷酸酯键受到2’-OH基团的非直接效应稳定性差；
2.转变容易： 核糖核苷酸2’-OH基团还原成脱氧核苷酸---在逆转录酶 作用下，RNA---DNA. 3.DNA更稳定。
如 哺乳动物中位于基因3’翻译区(3’-UTR)的分散重复顺
序MIR，它们与转录后调控有关(Lipmamn，1997)。 Hughes(2000)也谈到哺乳动物重复顺序MIR可能参与 mRNA的可变剪切及多聚腺嘌呤加尾，还可以提供蛋白 质编码信息。 观点二：大多数非编码DNA实际上并无功能,基因组之 所以能容忍其存在是因为选择压力并不作用于它们。
最初的生化系统可能以RNA为核心
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特点：
（1）新链自发聚合（2）碱基配对不严谨，错配较多。
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原基因组(protogenome)： 由RNA组成的早期
生命系统的基因组称为原基因组(protogenome)
特点：
真核生物，特别是高等真核生物基因组DNA 的绝大部分是非编码序列，如人类基因组仅有 1.5％为编码顺序。 迄今为止，我们对非编码顺序的进化及其对 基因组结构和表达的影响了解不多。大部分非编 码DNA是以相当随意的方式进化。
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非编码DNA的作用
观点一：非编码DNA具有某种尚未识别的功能；例
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Unequal crossing over: recombination between regions situated at different places on a pair of homologous chromosomes
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结构域重排(domain shuffling):当功能域（或外显子）由 不同基因中不同结构域的片段重新组合时，可形成一个 全新的功能域，具有新的功能，为细胞提供完全不同的 生物学功能。 结构域倍增:编码结构域的基因区段通过不等位交换、复 制滑移或其他已提到的DNA序列倍增方式中的某一种被
倍增，使基因变长。可能结果：蛋白更稳定或产生新的
显示部分生命相关的生化特性的
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遗传/生命起源
Q1:蛋白质？----不能自我复制
Q2:DNA?--------需要酶的共同存在/催化
Q3:RNA?--------可能
1.具有催化活性（核酶=rRNA & tRNA）1980s disco.
(自我剪接、催化其它RNA、合成多肽键、催化核苷酸合 成等)； 2. 具备生命分子的两种属性：以自身为模板--自我复 制，为遗传信息传递的载体；催化活性---表型作用
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基因组的进化模式 —新基因的获得
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生命复杂程度与基因组复杂程度的同步：
时间 35亿年前 生物类群 原核生物 基因数量 1000-2000
14亿年前
真核生物
~10000
~40000
5亿年前 原始脊椎wenku.baidu.com物 （寒武纪末）
森氏菌(Yersinia enterocolitica)的头孢菌素酶基因为
出发基因，酶基因的重排。其中效力最高的可对 200ug/ml艾内酰胺产生抗性,是原值的250倍。 证明：通过定向进化可以显著改变酶的活性。
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2、从其他物种获得新基因：异源多倍体化 （Allopolyploidy）
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2、转座因子和基因组进化
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转座因子对基因组的整体进化方面的影响： （1）最重要的是引起基因组重排，如缺失、 重复、倒位与移位。
后果：
（a）多数造成基因的丢失或加倍等有害后果 (b) 少数会带来某些益处 例如有一对LINE-1因子在大约3500万年前 的一次重组引起-球蛋白基因的加倍，产