基因組進化模式

關(guān)于基因組進化模式基因組的進化模式基因組的起源—RNA的世界新基因的獲得—倍增非編碼DNA與基因組的進化

COLLEGEOFLIFESCIENCE第2頁,共52頁，2024年2月25日，星期天基因組進化

起源進化基因組進化生命的起源基因組起源

COLLEGEOFLIFESCIENCE第3頁,共52頁，2024年2月25日，星期天生命起源上帝創(chuàng)造說自然發(fā)生說地球起源說外星起源說

COLLEGEOFLIFESCIENCE第4頁,共52頁，2024年2月25日，星期天

COLLEGEOFLIFESCIENCE第5頁,共52頁，2024年2月25日，星期天“生命的起源自然發(fā)生說”成立的基本條件

在地球形成初期的自然條件下，能夠自發(fā)合成地球生命重要生物大分子。原始地球

COLLEGEOFLIFESCIENCE第6頁,共52頁，2024年2月25日，星期天最早的生化系統(tǒng)什么是生命？

最早的生命形式是什么？

勾勒出與現(xiàn)有生命系統(tǒng)相似的生物大分子合成的地球化學(xué)過程，生物大分子是如何從隨機組合到有序組裝，顯示部分生命相關(guān)的生化特性的

COLLEGEOFLIFESCIENCE第7頁,共52頁，2024年2月25日，星期天

遺傳/生命起源Q1:蛋白質(zhì)？不能自我復(fù)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）1980sdisco.(自我剪接、催化其它RNA、合成多肽鍵、催化核苷酸合成等)；2.具備生命分子的兩種屬性：以自身為模板--自我復(fù)制，為遺傳信息傳遞的載體；催化活性表型作用

COLLEGEOFLIFESCIENCE第8頁,共52頁，2024年2月25日，星期天特點：（1）新鏈自發(fā)聚合（2）堿基配對不嚴謹，錯配較多。

COLLEGEOFLIFESCIENCE最初的生化系統(tǒng)可能以RNA為核心第9頁,共52頁，2024年2月25日，星期天原基因組(protogenome)：由RNA組成的早期生命系統(tǒng)的基因組稱為原基因組(protogenome)特點：

能自我復(fù)制并指導(dǎo)簡單的生化反應(yīng)的那些分子。這些反應(yīng)可能包括釋放自由能的能量代謝，如現(xiàn)在我們所看到的一樣，是基于核糖核苷酸ATP和GTP磷酸-磷酸鍵水解之上的，并可能在脂膜中分室進行，形成最初的細胞樣結(jié)構(gòu)。

COLLEGEOFLIFESCIENCE第10頁,共52頁，2024年2月25日，星期天基因組的起源Q4:具有核酶活性的RNA，為何要被蛋白質(zhì)取代？可能：多肽鏈有更大的可塑性/RNA堿基配對區(qū)段有較強的物理剛性+RNA分子短，限制其催化反應(yīng)活性。先決條件：具有酶學(xué)活性的蛋白質(zhì)的出現(xiàn)，并取代核酶的大多數(shù)功能。

COLLEGEOFLIFESCIENCE第11頁,共52頁，2024年2月25日，星期天編碼RNA的兩種進化可能A.核酶可能進化成具有催化和編碼雙重功能B.核酶合成一種編碼分子

COLLEGEOFLIFESCIENCE第12頁,共52頁，2024年2月25日，星期天基因組的起源Q5:具有自我復(fù)制功能的RNA，為何要被DNA

取代？1.RNA的磷酸酯鍵受到2’-OH基團的非直接效應(yīng)穩(wěn)定性差；2.轉(zhuǎn)變?nèi)菀祝汉颂呛塑账?’-OH基團還原成脫氧核苷酸在逆轉(zhuǎn)錄酶作用下，RNADNA.3.DNA更穩(wěn)定。

COLLEGEOFLIFESCIENCE第13頁,共52頁，2024年2月25日，星期天RNA基因組向DNA基因組的進化DNA基因組：穩(wěn)定雙鏈

COLLEGEOFLIFESCIENCE第14頁,共52頁，2024年2月25日，星期天RNADNA世界過渡過程(3部曲)—1.RNA出現(xiàn)；2.RNA催化肽鍵形成/合成蛋白質(zhì)；3.RNA與蛋白質(zhì)共同催化以RNA為模板的遺傳物質(zhì)合成新的穩(wěn)定性高的遺傳物質(zhì)DNA

COLLEGEOFLIFESCIENCE第15頁,共52頁，2024年2月25日，星期天基因組的進化模式

—新基因的獲得

COLLEGEOFLIFESCIENCE第16頁,共52頁，2024年2月25日，星期天生命復(fù)雜程度與基因組復(fù)雜程度的同步：

時間生物類群基因數(shù)量

35億年前原核生物1000-200014億年前真核生物~100005億年前原始脊椎動物~40000（寒武紀末）

COLLEGEOFLIFESCIENCE第17頁,共52頁，2024年2月25日，星期天基因組獲得新基因的途徑1.基因加倍之后的趨異。（主要方式，LongM等，2003）2.外顯子或結(jié)構(gòu)域洗牌（19%）3.逆轉(zhuǎn)錄極其隨后的趨異或重排4.外源基因水平轉(zhuǎn)移(OchmanH等,2005)5.基因裂變和融合(SnelB等,2000)6.非編碼序列轉(zhuǎn)變?yōu)榫幋a序列（LevineMT等，2006）

COLLEGEOFLIFESCIENCE第18頁,共52頁，2024年2月25日，星期天新基因的產(chǎn)生基因與基因組加倍通過1-3完成：整個基因組（同源、異源多倍體—脊椎有？）；單條/部分染色體；單個/成群基因（多見，如：多基因家族）。

COLLEGEOFLIFESCIENCE第19頁,共52頁，2024年2月25日，星期天（1）、全基因組倍增多倍體化—全基因組倍增

COLLEGEOFLIFESCIENCE第20頁,共52頁，2024年2月25日，星期天SyntenyinSaccharomycescerevisiae(Wolfe＆Shield1997)

COLLEGEOFLIFESCIENCE第21頁,共52頁，2024年2月25日，星期天Modelofgeneduplication（2）、部分基因組倍增

Unequalcrossingover:recombinationbetweenregionssituatedatdifferentplacesonapairofhomologouschromosomes

COLLEGEOFLIFESCIENCE第22頁,共52頁，2024年2月25日，星期天b、Unequalsisterchromatidexchange:sameasunequalcrossingover,butinvolvesapairofchromatidsfromasinglechromosome

COLLEGEOFLIFESCIENCE第23頁,共52頁，2024年2月25日，星期天c、Replicationslippage:canamplifyshortregions

COLLEGEOFLIFESCIENCE第24頁,共52頁，2024年2月25日，星期天800Ma500Ma200Ma40Ma肌紅蛋白β-球蛋白α-球蛋白α2α1ζ2

δβGYAYε人類人類珠蛋白基因進化過程中的基因復(fù)制

COLLEGEOFLIFESCIENCE第25頁,共52頁，2024年2月25日，星期天結(jié)構(gòu)域重排(domainshuffling):當(dāng)功能域（或外顯子）由不同基因中不同結(jié)構(gòu)域的片段重新組合時，可形成一個全新的功能域，具有新的功能，為細胞提供完全不同的生物學(xué)功能。結(jié)構(gòu)域倍增:編碼結(jié)構(gòu)域的基因區(qū)段通過不等位交換、復(fù)制滑移或其他已提到的DNA序列倍增方式中的某一種被倍增，使基因變長?？赡芙Y(jié)果：蛋白更穩(wěn)定或產(chǎn)生新的活性。

COLLEGEOFLIFESCIENCE（3）.外顯子重排與蛋白質(zhì)功能的實現(xiàn)第26頁,共52頁，2024年2月25日，星期天

COLLEGEOFLIFESCIENCE第27頁,共52頁，2024年2月25日，星期天

COLLEGEOFLIFESCIENCE第28頁,共52頁，2024年2月25日，星期天

功能域重排有何利用價值？體外蛋白質(zhì)進化(Coco，2001)

COLLEGEOFLIFESCIENCE第29頁,共52頁，2024年2月25日，星期天體外蛋白質(zhì)進化

COLLEGEOFLIFESCIENCE第30頁,共52頁，2024年2月25日，星期天功能域重排的應(yīng)用實例：頭孢菌素酶可使細菌對抗生素艾內(nèi)酰胺產(chǎn)生抗性。含有頭孢菌素酶基因的細菌通常能夠忍受培養(yǎng)基中0.75ug/ml的艾內(nèi)酰胺。以來自四種細菌:弗氏檸檬酸桿菌(Citrobacterfreundii)，陰溝腸桿菌(Enterobactercloacae)，肺炎克氏桿菌(Klebsiellapneumonia)和小腸結(jié)腸炎耶爾森氏菌(Yersiniaenterocolitica)的頭孢菌素酶基因為出發(fā)基因，酶基因的重排。其中效力最高的可對200ug/ml艾內(nèi)酰胺產(chǎn)生抗性,是原值的250倍。證明：通過定向進化可以顯著改變酶的活性。

COLLEGEOFLIFESCIENCE第31頁,共52頁，2024年2月25日，星期天2、從其他物種獲得新基因：異源多倍體化（Allopolyploidy）

在植物中，可通過多倍化獲得新基因。通常形成異源多倍體的兩個物種關(guān)系密切，許多基因是共有的。但每個親本都擁有一些對方不具有的基因，或至少是共有基因中的不同等位基因。例如產(chǎn)面包小麥(Triticumaestivum)，

COLLEGEOFLIFESCIENCE第32頁,共52頁，2024年2月25日，星期天動物的種間基因轉(zhuǎn)移：

動物體的種間基因轉(zhuǎn)移發(fā)生較困難，很難找到某一類水平基因轉(zhuǎn)移(horizontalgenetransfer)的例子。許多真核基因具有與古細菌或真細菌序列相關(guān)的特點，但這被認為是反映了真核細胞的內(nèi)共生起源而不是在進化的較晚期獲得基因。但是，有證據(jù)表明，細菌基因隨食物攝入而摻入真核基因組的情況比預(yù)想的普遍(Doolittle，l998)。逆轉(zhuǎn)錄病毒和轉(zhuǎn)座元件在動物種間的基因轉(zhuǎn)移中起關(guān)鍵作用。

COLLEGEOFLIFESCIENCE第33頁,共52頁，2024年2月25日，星期天XiaofangXieCollegeofLifeScienceFujianAgricultureandForestryUniversityE-mail:xxf317@非編碼DNA與基因組的進化第34頁,共52頁，2024年2月25日，星期天1、非編碼DNA的擴張

真核生物，特別是高等真核生物基因組DNA的絕大部分是非編碼序列，如人類基因組僅有1.5％為編碼順序。迄今為止，我們對非編碼順序的進化及其對基因組結(jié)構(gòu)和表達的影響了解不多。大部分非編碼DNA是以相當(dāng)隨意的方式進化。

COLLEGEOFLIFESCIENCE第35頁,共52頁，2024年2月25日，星期天非編碼DNA的作用觀點一：非編碼DNA具有某種尚未識別的功能；例如哺乳動物中位于基因3’翻譯區(qū)(3’-UTR)的分散重復(fù)順序MIR，它們與轉(zhuǎn)錄后調(diào)控有關(guān)(Lipmamn，1997)。Hughes(2000)也談到哺乳動物重復(fù)順序MIR可能參與mRNA的可變剪切及多聚腺嘌呤加尾，還可以提供蛋白質(zhì)編碼信息。觀點二：大多數(shù)非編碼DNA實際上并無功能,基因組之所以能容忍其存在是因為選擇壓力并不作用于它們。

COLLEGEOFLIFESCIENCE第36頁,共52頁，2024年2月25日，星期天2、轉(zhuǎn)座因子和基因組進化

COLLEGEOFLIFESCIENCE第37頁,共52頁，2024年2月25日，星期天

轉(zhuǎn)座因子對基因組的整體進化方面的影響：（1）最重要的是引起基因組重排，如缺失、重復(fù)、倒位與移位。后果：（a）多數(shù)造成基因的丟失或加倍等有害后果

(b)少數(shù)會帶來某些益處例如有一對LINE-1因子在大約3500萬年前的一次重組引起

-球蛋白基因的加倍，產(chǎn)生了該基因家族中的Gr和Ar成員(Maeda

等，1986)。

COLLEGEOFLIFESCIENCE第38頁,共52頁，2024年2月25日，星期天（2）、改變基因的表達模式當(dāng)轉(zhuǎn)座的位點正好緊接在基因上游的控制區(qū)，由于破壞了原有基因DNA結(jié)合蛋白與調(diào)控順序的結(jié)合或與轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的互作，可直接干擾或關(guān)閉下游基因的表達。（3）、轉(zhuǎn)座因子中的啟動子和增強子會對鄰近基因的表達調(diào)控產(chǎn)生影響，使鄰近基因的表達完全從屬于由轉(zhuǎn)座因子所確定的模式(McDonad，1995)

COLLEGEOFLIFESCIENCE第39頁,共52頁，2024年2月25日，星期天

例：老鼠sep基因。

sep基因編碼1個免疫響應(yīng)蛋白，其組織專一性的表達由鄰近逆轉(zhuǎn)座因子中的增強子決定(Stavenhagn等，1988)。

COLLEGEOFLIFESCIENCE第40頁,共52頁，2024年2月25日，星期天（4）轉(zhuǎn)座因子插入到基因中造成剪接模式的改變(WangW等，2005)。（5）逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座因子的轉(zhuǎn)座以RNA為中介，通過轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的大量RNA可為逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座提供合成cDNA的模板，由此發(fā)生爆發(fā)式的轉(zhuǎn)座事件，使基因組急劇擴張。例：

a人類基因組約35％的由逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座因子組成，

b高等植物50％以上的核基因組由逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座因子組成(Kumar等，1999)。

COLLEGEOFLIFESCIENCE第41頁,共52頁，2024年2月25日，星期天3、內(nèi)含子起源

內(nèi)含子發(fā)現(xiàn)于20世紀70年代

COLLEGEOFLIFESCIENCE第42頁,共52頁，2024年2月25日，星期天研究的熱點：內(nèi)含子起源（1）I群、Ⅱ群和Ⅲ群內(nèi)含子多數(shù)人都認為所有這3種可自我剪接的內(nèi)含子起源于RNA世界，并一直延續(xù)至今而未發(fā)生大的改變。（2）在GT-AG內(nèi)含子

GT-AG大量出現(xiàn)在真核生物基因組中，起源存在較大分歧。

COLLEGEOFLIFESCIENCE第43頁,共52頁，2024年2月25日，星期天

內(nèi)含子起源的主要假說：

（1）“內(nèi)含子早起源”假說(intronearly)

內(nèi)含子在生命起源的早期即已存在，它們在真核生物的進化中逐步丟失。

（2）“內(nèi)含子晚起源”假說(intronlate)

內(nèi)含子起源只是生命進化中較晚出現(xiàn)的事件，隨后在真核生物中逐漸積累。

COLLEGEOFLIFESCIENCE第44頁,共52頁，2024年2月25日，星期天

“內(nèi)含子早起源”假說：假說的依據(jù)：

GT-AG內(nèi)含子與Ⅱ型內(nèi)含子相似，因此，認為在基因組起源的極早階段Ⅱ型內(nèi)含子即已產(chǎn)生了GT-AG內(nèi)含子，并已在基因組中大量出現(xiàn)。(基因外顯子理論模型)

關(guān)鍵：證明在進化的早期階段內(nèi)含子會從細菌基因組中丟失以及如何丟失。

薄弱點：內(nèi)含子丟失時破壞基因功能的可能性很高。

COLLEGEOFLIFESCIENCE第45頁,共52頁，2024年2月25日，星期天基因外顯子理論

COLLEGEOFLIFESCIENCE早期基因組短基因短基因多結(jié)構(gòu)域、單亞單位蛋白內(nèi)含子第46頁,共52頁，2024年2月25日，星期天

“內(nèi)含子晚起源”假說認為最初的基因是缺少內(nèi)含子的，內(nèi)含子這種結(jié)構(gòu)是后來產(chǎn)生并在真核生物的早期侵入到基因組內(nèi)部，隨后在基因組中擴散。

假說的依據(jù)：

GT-AG和Ⅱ型內(nèi)含子的剪接方式之間存在相似性，因而有人認為可能Ⅱ型內(nèi)含子從細胞器基因組中逃逸侵入到核基因組中并最終形成今天所見到的GT-AG內(nèi)含子模式。

COLLEGEOFLIFESCIENCE第47頁,共52頁，2024年2月25日，星期天兩種假說論證的關(guān)鍵：

（1）對于“內(nèi)含子早起源”假說：來自不同種屬的同源基因內(nèi)含子所占據(jù)的位置應(yīng)該相似，因為這些基因都來自具有內(nèi)含子的祖先基因。支持“內(nèi)含子早起源”假說的早期證據(jù)來自動植物丙糖磷酸異構(gòu)酶(triosephosphareisomerase)的4個內(nèi)含子的分析