医学-细菌基因组进化的分子机制与调控假说

• 综上所述 , 单就某一特定细菌来说 , 在其漫长的适 应性进化中 , 存在着一种自然选择倾向 , 使其基因 组排列特征保持一定的稳定性 , 以维持该种细菌 基本生物学功能的正常体现 。但是事物总存在着 两面性 , 因为细菌所处环境的变化 , 有时还存在着 另一种自然选择倾向 , 它使得一些染色体重排事 件 ( 必须有利于细菌的生存繁殖 ) 在种群中稳定 遗传下来 。 比如 , 某一细菌种群所处环境要求某 一基因表达出更多的产物 。 某些个体中染色体重 排使该基因重复 , 自然选择压力下, 这些个体将处 于选择优势状态 , 在种群中逐渐占据绝对优势数 量 。 相反地 , 如果自然选择压力要求某一基因表 达产物降低 , 种群中将出现缺失该基因的个体 ,多 代以后 , 整个种群将降低该基因产物的量 。
从理论上看 , 一个点突变似乎可代表着一个功能进化步骤 , 并最终累积成全新的生物功能 。但是 , 在自然选择压力下 , 通过自发性点突变而产生一个全新的生物功能是几乎不 可能的 ; 当然 , 通过众多突变的逐步积累 , 可以造成现有 生物功能向更加有利的方向进化 。 比如 , 由一个祖系基 因型abc进化至一个更有利的基因型ABC , 将是一个多步 突变积累进化过程 , 多数情况下是一次一个基因的方式 , 其 间将出现许多进 化中间体( 如aBc , aBC , 等等) 。 如 果这些进化中间体比祖系基因型 具有选择优势 , 进化步骤 将进行得相当快 。如果进化中间体与祖 系基因型相比处 于选择劣势 , 将需要相当长的时间才能最终完成 ABC基因 型完全进化 。 需要指出的是 , 虽然有时自发性点突变对 细菌基因组进化来说是必须的 , 但细菌本身必须拥有一套 修复机制使得突变率保持较低的水平 , 以便使细菌的遗传 变异保持在一个可忍受的水平 。
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 。
• 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。
自发性点突变
自发性点突变不必经任何人为处理而自然发生 , 其发生时 间和发生细胞是随机的 , 不同突变的发生彼此间是独立无 关的 , 但针对某一特定细菌基因组其突变率是相对恒定的 。 突变随机性并不代表突变的产生是没有原因的或是不可知 的 , 它仍然有其必然性 : 其一 , 在 DN A复制过程中由于个 别碱基的互变异构和环出效应造成碱基错配 ,产生单碱基 置换 ; 其二 , 内源性 DN A损伤后 , 由于错误修复而引起一 个或数个碱基的移码[ 9, 10]。某个细菌在其漫长的进化 中 , 基因组DNA序列中会自发产生许多类型的点突变 。 但某个突变的产生并不是针对细菌某个功能需要而作出的 反应 , 也就是说 , 自发突变的产生并不“ 关心” 是否会产 生表型效应及所产生的表型效应对细菌本身是否有利 。 在自然选择压力下 , 只有那些对细菌有利的突变最终能够 保持下来 , 并稳定遗传给后代 ,从而使该种细菌作为 一个 整体达到了进化的目的 。
细菌基因组进化的分子机制与 调控假说
摘要: 本文论述了细菌基因组进化的 4 个分子策略 : 点突变 , 基因组内重排 , 基因水平转移 , 基因缺失 ，从经典的达 尔文进化论角度探讨了细菌基因组进化 与表型进化的关系，并且介绍了细菌基 因组进化的调控假说。 关键词: 细菌 ; 基因组进化 ; 表型进化: 调控假说
二基因组内Biblioteka Baidu排与细菌基因组进化
• 2 . 1 染色体重排 • 在细菌长期进化中 , 存在着一种定向的进化推动力 , 使得
亲缘关系相近的几个细菌种类的染色体上基因排列次序和 方向具有高度的保守性 ,也就是说它们染色体的遗传图谱 是很相似的 。之所以基因排列次序是保守的 , 是因为染色 体上各个位点均具有其独特的功能特性 , 直接决定着位于 该位点上基因的调控特征 。这并不难理解 : ① 在染色体 复制过程中 , 基因越靠近复制起始区 , 其基因剂量( gene dosage ) 越高 。 如果一个基因靠近复制起始区 , 当复制 刚开始后 , 在细胞中这个基因将有 2 个拷贝 , 而那些远离 复制起始区的基因将一直只有 1 个拷贝 , 直至复制叉通过 该基因所处的染色体位点 。 ② 在染色体的不同部分 ,其 超螺旋密度可能不同 。 而超螺旋越松散 , 处于该区域的 基因表达活性越高 。那么 , 为什么基因排列方向又是保守 的呢 ?在许多细菌种类中 , 相当一部分基因在染色体上有 着固定的排列方向 。当细胞中染色体复制和基因转录同 时进行时 , 复制复合体和转录复合体能按照相同的方向在
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 。