分子生物學張海紅第1213章 基因組進化的機制與模式

1、 1) 1) 突變突變 2) 2) 重組重組 3) 3) 轉座轉座 dna重組有兩種方式： 1）同源重組； 2）雙鏈斷裂重組。同源姐妹染色體的交換與重組產生的表型同源姐妹染色體的交換與重組產生的表型改變稱為變異改變稱為變異. 變異不涉及基因或染色體的變異不涉及基因或染色體的突變突變, 但能提供大量的基因型但能提供大量的基因型, 是重要的進是重要的進化動力之一化動力之一.recbcd酶與線性分子的未端結合然后解旋，隨后朝酶與線性分子的未端結合然后解旋，隨后朝前尋找第一個前尋找第一個8堿基基序堿基基序5 gctggtgg 3，又稱，又稱叉點（叉點（chi site）。大腸桿菌基因組平均）。大腸桿菌

2、基因組平均6 kb有一個有一個叉點。叉點。recbcd的核酸酶在離叉點的核酸酶在離叉點3端約端約56個核苷個核苷酸處切開單鏈產生游離單鏈未端，然后侵入基因組酸處切開單鏈產生游離單鏈未端，然后侵入基因組同源區(qū)段內部。同源區(qū)段內部。reca與與dna結合后形成一個蛋白質包裹的結合后形成一個蛋白質包裹的dna纖纖絲，侵入同源雙螺旋絲，侵入同源雙螺旋dna形成形成d 環(huán)結構。環(huán)結構。d 環(huán)環(huán)的中間產物是一個三鏈（的中間產物是一個三鏈（triplex），侵入的多聚），侵入的多聚核苷酸位于完整的雙螺旋主溝內并與其配對的核核苷酸位于完整的雙螺旋主溝內并與其配對的核苷酸堿基建立氫鍵連接。苷酸堿基建立氫鍵連接。

3、叉點前移在叉點前移在5-a/ttg/c-3順序優(yōu)先停止順序優(yōu)先停止,該順序在大腸桿菌基因組中該順序在大腸桿菌基因組中經常出現經常出現. 當當ruvab復合物離開叉點后復合物離開叉點后, 兩個兩個ruvc蛋白取而代之蛋白取而代之,并完并完成成holliday結構的解體任務結構的解體任務. 交叉交叉dna中的異源配對雙鏈必需交互切中的異源配對雙鏈必需交互切割才能彼此分開割才能彼此分開, 切割事件在切割事件在5-a/ttg/c-3順序的順序的t和和g/c之間之間. 1）dna轉座轉座 2）rna轉座轉座1) 遺傳系統的產生遺傳系統的產生2) 基因組進化的模式基因組進化的模式1) rna世界世界2)

4、復制復制, 轉錄轉錄, 翻譯翻譯 系統的產生系統的產生3) 生命三界生命三界1) 1986年年, walter gilbert發(fā)明了發(fā)明了“rna world”這一名詞這一名詞,用來表示前生命時期攜帶信息并具有催化功能的用來表示前生命時期攜帶信息并具有催化功能的rna分子分子.2) 1986年年, thomas cech首次發(fā)現具有自我催化的首次發(fā)現具有自我催化的rna分分子子, 四膜蟲四膜蟲rrna分子可以自我剪切分子可以自我剪切.3)1989年年, jack szostak提供實驗證據提供實驗證據, 表明體外表明體外rna分分子可以催化復制子可以催化復制.3) 1990年年, sidney

5、 altman等發(fā)現等發(fā)現, 大腸桿菌大腸桿菌rnase p 的的rna亞基可以催化亞基可以催化trna前體剪切前體剪切.4) 1992年年, harry noller證實核糖體證實核糖體rna(rrna)具有催具有催化肽鍵形成的功能化肽鍵形成的功能.由于發(fā)現具有催化功能的由于發(fā)現具有催化功能的rna, thomas cech 和和 sidney altman 共享共享1992 諾貝爾化學獎諾貝爾化學獎.altmanaltman的貢獻是發(fā)現的貢獻是發(fā)現rnase p, rnase p, 一個由一個由rnarna分分子和蛋白質組成的酶子和蛋白質組成的酶, , 催化大腸桿菌催化大腸桿菌trnatr

6、na前體前體的加工的加工. . 該酶的催化活該酶的催化活性是由性是由rnarna分子執(zhí)行的分子執(zhí)行的. .thomas cechthomas cech首次發(fā)現首次發(fā)現具有自我催化的具有自我催化的rnarna分分子子, , 四膜蟲四膜蟲rrnarrna分子可分子可以自我剪切以自我剪切. .1）具有催化活性的）具有催化活性的rna分子稱為核酶（分子稱為核酶（ribozyme）；）；2）核酶催化的生化反應包括：）核酶催化的生化反應包括： 自我剪接自我剪接 內含子內含子i型，型，ii型和型和iii型型rna分子具有的功能分子具有的功能. 催化切斷其它催化切斷其它rna 在在mrna和和rrna的加工中

7、的加工中u rna 分子可催化切除內含子；分子可催化切除內含子； 合成多肽鍵合成多肽鍵 這是這是rrna分子的重要功能之一；分子的重要功能之一； 催化核苷酸的合成催化核苷酸的合成 在試管中合成的在試管中合成的rna分子已證明可分子已證明可 以完成合成核糖核苷酸、以完成合成核糖核苷酸、rna的合成。的合成。 rna催化活性的發(fā)現解決了以往關于先有多聚核苷酸還是催化活性的發(fā)現解決了以往關于先有多聚核苷酸還是先有多肽鏈的兩難困境，表明先有多肽鏈的兩難困境，表明最初的生化系統整個地集中最初的生化系統整個地集中在在rna。試管試管rnarna分子進化，產生活性更強的分子進化，產生活性更強的rnarna分

8、子。分子。see: johnston et, science292: 1320-1325, 2001.1)rna application for storing genetic 1)rna application for storing genetic informationinformation( (編碼功能編碼功能) ). .2) evidence of rna molecules (ribozymes) acting as chemical catalysts (enzyme-like) properties (肽鍵合成肽鍵合成) .3) evidence supporting the

9、de novo synthesis of nitrogen-containing bases (nucleotides) such as adenine, guanine, cytosine, and uracil, under ancient earth conditions (堿基合成堿基合成). 4) evidence of the de novo synthesis of the rna sugar (ribose), in the form of ribose phosphate, under ancient earth conditions (核糖合成核糖合成). 核酶所具有的堿基

10、順序就是它的基因型核酶所具有的堿基順序就是它的基因型, 它它的高級結構及其催化活性就是它的表型的高級結構及其催化活性就是它的表型.1) difficulty attaching the ribose phosphate molecules to the nucleotide bases. no evidence has been found yet (核苷酸核苷酸 合成困難合成困難). 2) catalytic rnas (ribozymes) appear too complex to just appear and be fully functional (催化催化rna分子結構太復分子結

11、構太復 雜雜) .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)現的核酶自身不能完全合成核酸已發(fā)現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

12、 molecules to rna worldto full life forms (從從rna到生命出現進化時間太短到生命出現進化時間太短, 不到不到5億年億年). 在細胞出現之前是否就有基因在細胞出現之前是否就有基因? ? 最初的基最初的基因是怎么產生的因是怎么產生的? ? 基因產生的意義是什么基因產生的意義是什么? ?到目前為此對上述問題還沒有一個合理的到目前為此對上述問題還沒有一個合理的解釋解釋! !1) 任何生命都有三個不可或缺的系統任何生命都有三個不可或缺的系統 復制系統復制系統 轉錄系統轉錄系統 翻譯系統翻譯系統2) 上述三個系統的起源關系上述三個系統的起源關系 翻譯系統最早建立

13、翻譯系統最早建立, 其次是轉錄系統其次是轉錄系統, 最后是復制系最后是復制系 統統. 沒有準確高效的翻譯系統沒有準確高效的翻譯系統, 遺傳信息的表達是無遺傳信息的表達是無 法實現的法實現的, 精確復制也失去了意義精確復制也失去了意義 見見: carl woese, pnas, 96:6854, 1998人們推測基因組的起源可能是人們推測基因組的起源可能是: :最初的最初的dnadna基因組由許多分散的分子組成，每一個指基因組由許多分散的分子組成，每一個指令單個蛋白質，相當于一個基因。這些基因彼此連接成令單個蛋白質，相當于一個基因。這些基因彼此連接成染色體，它們可能在編碼的染色體，它們可能在編碼

14、的rnarna轉變?yōu)檗D變?yōu)閐nadna之前或之后之前或之后出現。由于組成了含更多基因的染色體，在細胞分裂時出現。由于組成了含更多基因的染色體，在細胞分裂時基因的分配要比分散的類型更加有效而方便，在竟爭中基因的分配要比分散的類型更加有效而方便，在竟爭中占有優(yōu)勢。隨著早期基因組的多次進化，彼此連接的基占有優(yōu)勢。隨著早期基因組的多次進化，彼此連接的基因所具有的不同功能也隨之發(fā)展與演變。因所具有的不同功能也隨之發(fā)展與演變。這一假說還無法提供證據這一假說還無法提供證據. .carl woese認為認為:不存在一個所謂的祖先細胞不存在一個所謂的祖先細胞, 最初的細胞是最初的細胞是不穩(wěn)定的不穩(wěn)定的, 復合的

15、復合的, 具有多向發(fā)展?jié)摿Φ膹途哂卸嘞虬l(fā)展?jié)摿Φ膹秃衔锖衔?達爾文進化論只探討生命出現之后的進化達爾文進化論只探討生命出現之后的進化規(guī)律規(guī)律,不涉及生命的起源不涉及生命的起源. 特征特征 分分 界界 -l 細細 菌菌 古細菌古細菌 真核生物真核生物 - l核膜核膜 無無 無無 有有l(wèi)細胞器細胞器 無無 無無 有有 l細胞壁肽聚糖細胞壁肽聚糖 有有 無無 無無l脂膜成分脂膜成分 無分枝碳氫鏈無分枝碳氫鏈 具某些分枝碳氫鏈具某些分枝碳氫鏈 無分枝碳氫無分枝碳氫鏈鏈 rna多聚酶多聚酶 一種類型一種類型 多種類型多種類型 多種類型多種類型 蛋白質合成起始氨基酸蛋白質合成起始氨基酸 甲基甲硫氨酸甲基甲

16、硫氨酸 甲硫氨酸甲硫氨酸 甲硫氨酸甲硫氨酸 基因內含子基因內含子 無無 有或無有或無 有有 鏈霉素和氯霉素抗性鏈霉素和氯霉素抗性 - 來自海洋火山口的古細菌詹氏甲烷球菌基因組順序分析來自海洋火山口的古細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：顯示，它在起源上與真核類生物更加接近：1 1）古細菌的翻譯系統如核糖體蛋白，延伸因子和氨酰）古細菌的翻譯系統如核糖體蛋白，延伸因子和氨酰 trnatrna合成酶以及轉錄系統均與真核生物相似，而與細合成酶以及轉錄系統均與真核生物相似，而與細 菌有所不同。菌有所不同。2 2）在代謝系統方面，古細菌與真細菌極為相似。人們推）在代謝系統方

17、面，古細菌與真細菌極為相似。人們推 測，古細菌和原始真核細胞可能從原始細胞分別繼承測，古細菌和原始真核細胞可能從原始細胞分別繼承 了部分共同的遺傳物質。了部分共同的遺傳物質。目前有三種關于真核細胞起源的假說目前有三種關于真核細胞起源的假說:1) 共生假說共生假說: 古細菌進入真細菌彼此互助古細菌進入真細菌彼此互助, 隨后古細菌形成細胞核隨后古細菌形成細胞核, 真細菌成為細真細菌成為細胞器胞器.2) 直生假說直生假說: 存在含有核膜的細菌存在含有核膜的細菌, 真核真核細胞為獨立起源細胞為獨立起源.3) 病毒假說病毒假說: 病毒侵入促使了真核生物的病毒侵入促使了真核生物的形成形成.引自引自 sci

18、ence 305:766, 2004紅藻紅藻(red algae)的細胞核可以象病毒一樣在細胞間轉移的細胞核可以象病毒一樣在細胞間轉移.基因組進化的模式基因組進化的模式: 加倍加倍 重排重排 洗牌洗牌 不等交換不等交換 擴張與擴增擴張與擴增 插入與缺失插入與缺失 轉座因子的作用轉座因子的作用在基因組進化中現有基因的加倍是最重要在基因組進化中現有基因的加倍是最重要的方式之一，它們可經由以下途徑發(fā)生：的方式之一，它們可經由以下途徑發(fā)生： 1 1）整個基因組加倍；）整個基因組加倍； 2 2）單條或部分染色體加倍；）單條或部分染色體加倍； 3 3）單個或成群基因加倍。）單個或成群基因加倍。引自引自go

19、ffeau, nature 430:25, 20041) 大多數植物基因組均由同源多倍體和異大多數植物基因組均由同源多倍體和異 源多倍體組成源多倍體組成, 是基因數目增加的主要是基因數目增加的主要 方式方式.3) 玉米染色體組由染色體基數玉米染色體組由染色體基數n=5加倍為加倍為n=10, 小麥為小麥為6倍體倍體(含含a, b, d=7, n=21), 油菜為異源多倍體油菜為異源多倍體(n=19), 棉花棉花, 煙草為煙草為多倍體多倍體, 香蕉為香蕉為3倍體倍體.1) 多細胞動物基因組很少有多倍體報道多細胞動物基因組很少有多倍體報道, 產生產生這一現象的原因可能同動物的發(fā)育模式有關這一現象的原

20、因可能同動物的發(fā)育模式有關. 動物發(fā)育為封閉式動物發(fā)育為封閉式, 胚胎發(fā)育時幾乎所有未來胚胎發(fā)育時幾乎所有未來的器官原基均在同一時間產生的器官原基均在同一時間產生,需要高度協調需要高度協調. 多倍體帶來的基因劑量的不平衡會對胚胎發(fā)多倍體帶來的基因劑量的不平衡會對胚胎發(fā)育產生致命的影響育產生致命的影響.2) 植物的發(fā)育是開放式植物的發(fā)育是開放式, 營養(yǎng)器官不斷地重復營養(yǎng)器官不斷地重復地產生地產生, 生殖器官與營養(yǎng)器官是同源的生殖器官與營養(yǎng)器官是同源的, 因而因而可以忍受多倍體帶來的基因劑量不平衡的干可以忍受多倍體帶來的基因劑量不平衡的干擾擾. 此外植物細胞可直接從外界吸收營養(yǎng)此外植物細胞可直接從

21、外界吸收營養(yǎng), 降降低了器官和組織彼此間相互依賴的程度低了器官和組織彼此間相互依賴的程度.bioessays. 2005 sep;27(9):937-45 susumu ohno在在1970年首次提出年首次提出2r假說假說.他認為他認為,在脊椎動物進化在脊椎動物進化中中, 曾經發(fā)生過曾經發(fā)生過2次全基因組水次全基因組水平的加倍平的加倍. 比較比較基因組順序表基因組順序表明明, 無脊椎動物無脊椎動物基因成員在哺基因成員在哺乳動物乳動物35000個個基因中平均有基因中平均有兩個同源基因兩個同源基因.盡管已在酵母和植物中發(fā)現基因組加倍的證據，但盡管已在酵母和植物中發(fā)現基因組加倍的證據，但對脊椎動物是

22、否出現過全基因組的加倍，目前還存對脊椎動物是否出現過全基因組的加倍，目前還存在不少爭論。有些分子生物學家認為，大約在不少爭論。有些分子生物學家認為，大約1 1億年億年前酵母基因組加倍時脊椎動物也發(fā)生了同樣事件。前酵母基因組加倍時脊椎動物也發(fā)生了同樣事件。他們的理由是，人類基因組中他們的理由是，人類基因組中hoxhox基因簇有基因簇有4 4份拷份拷貝，分別位于貝，分別位于2 2，7 7，1212和和1717號染色體。其他作者則號染色體。其他作者則認為，這些重復只是一些獨立的事件，不足以表明認為，這些重復只是一些獨立的事件，不足以表明整個基因組的加倍。整個基因組的加倍。2r假說認為，在無頜類脊椎動

23、物（假說認為，在無頜類脊椎動物（jawless vertebrate）出現之前和出現之后分別出現過）出現之前和出現之后分別出現過一次全基因組的加倍，即脊椎動物有過兩次全一次全基因組的加倍，即脊椎動物有過兩次全基因組加倍基因組加倍. genome research 11:667670 , 20012008年年6月完成文昌魚的基因組序列測序月完成文昌魚的基因組序列測序.對文昌對文昌魚和脊椎動物基因組中保留下來的魚和脊椎動物基因組中保留下來的17個先祖脊個先祖脊索動物連鎖群進行染色體虛擬重建索動物連鎖群進行染色體虛擬重建. 結果證實結果證實在有頜類脊椎動物演化過程中在有頜類脊椎動物演化過程中, 確實

24、發(fā)生了兩確實發(fā)生了兩輪整基因組加倍現象。輪整基因組加倍現象。 2r假說是正確的假說是正確的.nature 453, 1064-1071, 2008對文昌魚基因組的最新分析表明對文昌魚基因組的最新分析表明，5.5億年以來進化進程中脊椎動億年以來進化進程中脊椎動物比原始祖先的基因組多出四倍物比原始祖先的基因組多出四倍的拷貝量。將人類的的拷貝量。將人類的23個染色體個染色體與文昌魚的與文昌魚的19個同源色體進行對個同源色體進行對比分析發(fā)現，兩個基因組有比分析發(fā)現，兩個基因組有17個個共同的祖先留下的片段。因此，共同的祖先留下的片段。因此，可以肯定的說，在可以肯定的說，在5.5億年前，人億年前，人類和

25、文昌魚共同的祖先有類和文昌魚共同的祖先有17個個 同同源染色體。祖先的源染色體。祖先的17個同源染色個同源染色體上每一個的基因在脊椎動物的體上每一個的基因在脊椎動物的進化過程中增加了拷貝量，變?yōu)檫M化過程中增加了拷貝量，變?yōu)槎扼w，而大部分的常規(guī)的二倍體，而大部分的常規(guī)的“管管家基因家基因”都失去了拷貝。某些基都失去了拷貝。某些基因的拷貝量的增加使得脊椎動物因的拷貝量的增加使得脊椎動物獲得更多的新功能并進化形成我獲得更多的新功能并進化形成我們所知的脊椎動物們所知的脊椎動物 partitioning of the human chromosomes into segments with defin

26、ed patterns of conserved synteny to branchiostoma floridae佛羅里達文昌魚佛羅里達文昌魚 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 h

27、uman genome, shown grouped by ancestral linkage group (above), and in context of the human chromosomes 人類染色體與文昌魚人類染色體與文昌魚染色體同源區(qū)段比較染色體同源區(qū)段比較1) 擬南芥基因組中約有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的區(qū)段發(fā)生了至少一次以上的重復，這些重復事件是在不同的進化時期出現的，涉及重復，這些重復事件是在不同的進化時期出現的，涉及的范圍不同，并伴有基因的丟失。的范圍不同，并伴有基因的丟失。2) 根據氨基酸順序的代換速率分析，擬南芥基因組的重復根據氨基酸順

28、序的代換速率分析，擬南芥基因組的重復區(qū)段可分成不同的年齡板塊（區(qū)段可分成不同的年齡板塊（block），同一年齡板塊），同一年齡板塊群（群（age class）發(fā)生重復的進化年代近似。）發(fā)生重復的進化年代近似。3) 共有共有5個可以確定的板塊群，分別為個可以確定的板塊群，分別為b，c，d，e和和f，含有的含有的orf數分別為數分別為48%（c），），39%（d），），11%（e）和和3%（f）。）。4) 最近的重組事件發(fā)生在最近的重組事件發(fā)生在5 000萬年前（萬年前（b板塊），最早的板塊），最早的重組事件出現在重組事件出現在2億年前。大多數重組事件發(fā)生在中生億年前。大多數重組事件發(fā)生在中生代（

29、代（mesozoic era，65 245 mya），其中），其中f板塊出現的板塊出現的年代代表雙子葉與單子葉分化的時期。年代代表雙子葉與單子葉分化的時期。 年齡組年齡組 重復板塊數重復板塊數 da 板塊大小板塊大小 保留的重復保留的重復 估計年齡估計年齡 （mya）-a 2 0 12.5 0.90 0b 1 0.21 14.5 0.38 50c 35 0.45 149.5 0.15 100d 36 0.57 128.0 0.13 140e 23 0.71 60.0 0.11 170 f 6 0.84 57.8 0.09 200-*：da，所有，所有orf中成對的中成對的orf氨基酸變化最少比

30、例的平均數；板塊氨基酸變化最少比例的平均數；板塊大小，平均所含的大小，平均所含的orf數（包括單身數（包括單身orf）；保留的重復，重復）；保留的重復，重復板塊中仍保留的板塊中仍保留的orf與推測的祖先與推測的祖先orf數之比。數之比。a，可能系基因，可能系基因組的誤排。組的誤排?；蚪M進化中重復基因的命運基因組進化中重復基因的命運:1) 由于編碼順序趨異成為具有新的生物活由于編碼順序趨異成為具有新的生物活性的基因性的基因.2) 由于調控順序的突變成為獲得新的表達由于調控順序的突變成為獲得新的表達模式的基因模式的基因.3) 處于進化之中與祖先基因在功能上重疊處于進化之中與祖先基因在功能上重疊,

31、 表現為冗余的基因表現為冗余的基因.4) 喪失功能成為假基因喪失功能成為假基因.5) 在隨后的進化事件中丟失在隨后的進化事件中丟失.1) 染色體重排系指染色體區(qū)段位置在染色染色體重排系指染色體區(qū)段位置在染色 體內或染色體之間發(fā)生的倒位或移位事體內或染色體之間發(fā)生的倒位或移位事 件件.2) 染色體重排是基因組進化的主要動力之染色體重排是基因組進化的主要動力之 一一. 染色體重排阻止同源染色體區(qū)段的染色體重排阻止同源染色體區(qū)段的 正常配對與交換正常配對與交換, 促使重排區(qū)段內的突促使重排區(qū)段內的突 變積累變積累, 是物種形成的主要原因之一是物種形成的主要原因之一.3) 染色體重排染色體重排可為基因

32、提供新的表達模式可為基因提供新的表達模式.引自引自 pevzner, pnas, 100:7672-7677, 20031) dna分子內重復順序的重組分子內重復順序的重組: 1. 反向重復順序之間的重組導致區(qū)段倒位 2. 正向反向重復順序之間的重組導致區(qū)段缺失2) 染色體臂間重復順序的交換重組染色體臂間重復順序的交換重組3) 染色體臂內重復順序的交換重組染色體臂內重復順序的交換重組4) 染色體之間重復順序的交換重組染色體之間重復順序的交換重組4) 同源染色體之間重復順序的不等交換同源染色體之間重復順序的不等交換1) 比較線蟲的兩個種比較線蟲的兩個種,c.elegant和和c.briggsae

33、, 發(fā)現線蟲基因組在發(fā)現線蟲基因組在0.5-1.2億年中發(fā)生了億年中發(fā)生了 4030次染色體重排事件次染色體重排事件.2) 染色體重排事件包括轉位染色體重排事件包括轉位, 倒位與轉座倒位與轉座.3) 染色體重排事件大多數出現在基因間區(qū)染色體重排事件大多數出現在基因間區(qū) 普遍的重復順序以及重復的基因成員之普遍的重復順序以及重復的基因成員之 間間.4) 線蟲基因組重排的速率為果蠅的線蟲基因組重排的速率為果蠅的4倍倍.見見: genome research 16:875-867, 2002.1）重復順序之間的配對可引起染色體內或染色體之）重復順序之間的配對可引起染色體內或染色體之 間的不等交換；間的

34、不等交換；2）染色體內正向重復順序之間的交換可引起缺失：）染色體內正向重復順序之間的交換可引起缺失：3）染色體內反向重復順序之間的交換可引起倒位；）染色體內反向重復順序之間的交換可引起倒位；4）染色體之間重復順序之間的交換可引起重復與缺）染色體之間重復順序之間的交換可引起重復與缺 失；失；5）基因內部重復順序之間的不等交換可引起基因突基因內部重復順序之間的不等交換可引起基因突 變，變，如人類高膽固醇疾病。如人類高膽固醇疾病。物種間染色體重排速率差別很大,與物種的群體大小, 世代周期的長短, 染色體的順序組成等有關.1) 人類人類y-染色體系由染色體系由x-染色體進化而來染色體進化而來.2) 在

35、三億年前人類祖先與鳥類分開之后在三億年前人類祖先與鳥類分開之后, x-染色染色體發(fā)生了第一次倒位體發(fā)生了第一次倒位, 由此開始由此開始y-染色體的進染色體的進化化. 3) 人類人類y-染色體共發(fā)生了染色體共發(fā)生了4次倒位次倒位, 并伴隨大量并伴隨大量的基因突變與缺失的基因突變與缺失.4) y染色體產生之際曾含有染色體產生之際曾含有1438個基因，但到個基因，但到目前為止目前為止, , 其中的其中的1393個基因已經消失個基因已經消失, ,只剩只剩下下45個個基因基因 , 平均平均每百萬年丟失每百萬年丟失4.6個基因個基因.新的研究確認了新的研究確認了x染色體上有染色體上有1098個個蛋白蛋白質

36、編碼基因質編碼基因，而這，而這1098個基因中只有個基因中只有54個個在對應的在對應的y染色體上有相應功能的等位基染色體上有相應功能的等位基因，而且因，而且y染色體比染色體比x染色體小得多，染色體小得多，y染染色體上僅有大約色體上僅有大約78個基因。個基因。y y染色體是惟一一個對個體生存不必要的染色體。染色體是惟一一個對個體生存不必要的染色體。人如果沒有人如果沒有x x染色體，或者沒有其他任何一對常染色體，或者沒有其他任何一對常染色體，就無法出生，在胚胎期就會死亡。而沒染色體，就無法出生，在胚胎期就會死亡。而沒有有y y染色體卻對個體生存沒有關系，比如女性都染色體卻對個體生存沒有關系，比如女

37、性都沒有沒有y y染色體，卻照樣可以健康長壽。其他染色染色體，卻照樣可以健康長壽。其他染色體一般互相依靠，但是它們不依靠體一般互相依靠，但是它們不依靠y y染色體。人染色體。人類必須面對一個有可能導致自身滅亡的問題類必須面對一個有可能導致自身滅亡的問題 男性男性y y染色體的功能正在逐漸退化，它所掌控的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基因正在逐漸減少。 as a result of this process, for humans 95% of y chromosome is unable to recombine, and ychromosome contains onl

38、y 70 to 300 working genes versus more than 1000 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染色體中的染色體中的8個回文區(qū)含有性別決定基因個回文區(qū)含有性別決定基因, 與雄性的發(fā)育有關與雄性的發(fā)育有關.這些回文區(qū)中這些回文區(qū)中,成對的順序之間有成對的順序之間有99

39、.9%的一致性的一致性, 當其中一個當其中一個重復順發(fā)生突變時重復順發(fā)生突變時, 可由另一個重復順提供復制模板可由另一個重復順提供復制模板, 淘汰發(fā)生淘汰發(fā)生突變的基因突變的基因.1) 真核生物均有有性繁殖真核生物均有有性繁殖.2) 有性繁殖的一個重要特征是基因組必需經有性繁殖的一個重要特征是基因組必需經過減數分裂過程才能產生配子體過減數分裂過程才能產生配子體.3) 減數分裂時同源姐妹染色體配對減數分裂時同源姐妹染色體配對,并發(fā)生同并發(fā)生同源染色體區(qū)段的交換源染色體區(qū)段的交換.4) 同源染色體區(qū)段的交換一方面可以擴大變同源染色體區(qū)段的交換一方面可以擴大變異的范圍異的范圍, 同時也可降低同源染色

40、體區(qū)段的同時也可降低同源染色體區(qū)段的多態(tài)性組成多態(tài)性組成.5) 缺少同源染色體配對與交換可積累突變缺少同源染色體配對與交換可積累突變, 增增加群體中突變的比例加群體中突變的比例, 促使物種形成促使物種形成.新基因的產生主要有以下新基因的產生主要有以下5種種方式方式:1) 基因加倍之后的基因加倍之后的趨異趨異, 這類基因基本保持原有的基因這類基因基本保持原有的基因功能功能, 但往往獲得了新的表達模式但往往獲得了新的表達模式. 這是新基因產生的主要方式這是新基因產生的主要方式.2) 結構域結構域洗牌洗牌, 即不同的結構域加倍或重組即不同的結構域加倍或重組, 產生具有產生具有創(chuàng)新功能的基因創(chuàng)新功能的

41、基因. 真核生物約真核生物約19%的基因的基因產生于外顯產生于外顯子洗牌子洗牌.3) 逆轉錄及其隨后的趨異或重排逆轉錄及其隨后的趨異或重排.4) 基因基因裂變與融合裂變與融合, 由一個基因分裂成兩個不同的基因由一個基因分裂成兩個不同的基因, 或兩個或多個基因融合組成一個新的基因或兩個或多個基因融合組成一個新的基因. 原核生物原核生物約約0.5%的基因由此產生的基因由此產生.5) 嬗變嬗變, 由非編碼順序轉變?yōu)榫幋a順序由非編碼順序轉變?yōu)榫幋a順序.ranpb2 acquired a domain from the neighboring gcc2 gene, whose protein produ

42、ct contains a grip domain that localizes intracellularly to the trans-golgi network. the new gene family, spanning approximately 10% of human chromosome 2.高等生物基因組重復順序的擴張是一個極高等生物基因組重復順序的擴張是一個極其普遍的現象其普遍的現象, 這些重復順的擴張主要起因這些重復順的擴張主要起因于于: 1) 重復順序之間的不等交換重復順序之間的不等交換; 2) dna的轉座的轉座 3) 逆轉錄轉座逆轉錄轉座1) alu逆轉座子起源于逆

43、轉座子起源于7s rna.2) 7s rna基因屬于基因屬于poliii類基因類基因, 含有基因含有基因內啟動子內啟動子.3) 7s rna轉錄后后借助細胞內含有的逆轉轉錄后后借助細胞內含有的逆轉錄酶和整合酶插入基因組中錄酶和整合酶插入基因組中.4) 因逆轉錄整合到基因組中的因逆轉錄整合到基因組中的alu成分含成分含有內部的啟動子有內部的啟動子, 不必借助插入位點的啟不必借助插入位點的啟動子即可轉錄動子即可轉錄. 5) 7s rna基因為組成性表達基因為組成性表達, 增加了增加了alu表表達的機率達的機率.1) 人類不同種族之間基因的組成和人類不同種族之間基因的組成和dna順序之間只有極其微順

44、序之間只有極其微小的差異小的差異, 99%的堿基順序是相同的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人類不同種族之間存在許多極其明顯的表型差異, 這些差這些差異的遺傳基礎何在異的遺傳基礎何在?3) michael wigler at cold spring harbor laboratory ( genome res. 13, 22912305, 2003)發(fā)現發(fā)現,人類不同種族的基人類不同種族的基因組存在廣泛的基因拷貝數因組存在廣泛的基因拷貝數, 倒位倒位, 缺失的多態(tài)性差異缺失的多態(tài)性差異.4) iceland-based company decode gene

45、tics報道報道 (nature genet. 37, 129137, 2005) , 在人類在人類chr 17q21.31 區(qū)有兩區(qū)有兩個同源但不相同的涉及個同源但不相同的涉及900 kb的倒位的倒位, h1和和h2. 這一倒位事這一倒位事件發(fā)生在件發(fā)生在300萬年前萬年前. h2型在非洲人中罕見型在非洲人中罕見, 在東亞人中缺在東亞人中缺少少, 20%的歐洲人具有的歐洲人具有h2. 統計學分析表明統計學分析表明, 攜帶攜帶h2的冰島的冰島女性比缺少女性比缺少h2的女性可生育更多的小孩的女性可生育更多的小孩. 人類基因組中的倒位多態(tài)性 丹麥研究人員發(fā)現，人類和黑猩猩丹麥研究人員發(fā)現，人類和黑

46、猩猩500500萬年前在進化途中分道揚萬年前在進化途中分道揚鑣后，兩者的基因圖譜中進化最快的都是與免疫、細胞凋亡和精子發(fā)鑣后，兩者的基因圖譜中進化最快的都是與免疫、細胞凋亡和精子發(fā)育相關的基因育相關的基因. . 丹麥哥本哈根大學的研究人員對人類和黑猩猩具有對等功能的丹麥哥本哈根大學的研究人員對人類和黑猩猩具有對等功能的1373113731個基因進行了研究，結果發(fā)現，在人類和黑猩猩的進化樹中，個基因進行了研究，結果發(fā)現，在人類和黑猩猩的進化樹中，與免疫、細胞凋亡和精子發(fā)育相關的基因演變的速度甚至比隨機突變與免疫、細胞凋亡和精子發(fā)育相關的基因演變的速度甚至比隨機突變還要快。換句話說，在自然選擇的過程中，這些基因是進化最快的。還要快。換句話說，在自然選擇的過程中，這些基因是進化最快的。 研究人員分析，病毒和其他病原體的進化速度很快，人類免疫系研究人員分析，病毒和其他病原體的進化速度很快，人類免疫系統不斷受到新出現的病毒的威脅，因此，與抵抗疾病相關的基因進化統不斷受到新出現的病毒的威脅，因此，與抵抗疾病相關的基因進化迅速是理所當然的。而與細胞凋亡和精子相關的基因進化快則讓研究迅速是理所當然的。而與細胞凋亡和精子相關的基因進化快則讓研究人員感到意外。凋亡是細胞死亡的機制之一，是生理性細胞死亡。由人員感到意外。