分子生物學(xué)張海紅第1213章 基因組進(jìn)化的機(jī)制與模式

1、 1) 1) 突變突變 2) 2) 重組重組 3) 3) 轉(zhuǎn)座轉(zhuǎn)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(chǎn)生的表型同源姐妹染色體的交換與重組產(chǎn)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(jìn)是重要的進(jìn)化動(dòng)力之一化動(dòng)力之一.recbcd酶與線性分子的未端結(jié)合然后解旋，隨后朝酶與線性分子的未端結(jié)合然后解旋，隨后朝前尋找第一個(gè)前尋找第一個(gè)8堿基基序堿基基序5 gctggtgg 3，又稱，又稱叉點(diǎn)（叉點(diǎn)（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(gè)有一個(gè)叉點(diǎn)。叉點(diǎn)。recbcd的核酸酶在離叉點(diǎn)的核酸酶在離叉點(diǎn)3端約端約56個(gè)核苷個(gè)核苷酸處切開(kāi)單鏈產(chǎn)生游離單鏈未端，然后侵入基因組酸處切開(kāi)單鏈產(chǎn)生游離單鏈未端，然后侵入基因組同源區(qū)段內(nèi)部。同源區(qū)段內(nèi)部。reca與與dna結(jié)合后形成一個(gè)蛋白質(zhì)包裹的結(jié)合后形成一個(gè)蛋白質(zhì)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(jié)構(gòu)。環(huán)結(jié)構(gòu)。d 環(huán)環(huán)的中間產(chǎn)物是一個(gè)三鏈（的中間產(chǎn)物是一個(gè)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(nèi)并與其配對(duì)的核核苷酸位于完整的雙螺旋主溝內(nèi)并與其配對(duì)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(diǎn)前移在叉點(diǎn)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(jīng)常出現(xiàn)經(jīng)常出現(xiàn). 當(dāng)當(dāng)ruvab復(fù)合物離開(kāi)叉點(diǎn)后復(fù)合物離開(kāi)叉點(diǎn)后, 兩個(gè)兩個(gè)ruvc蛋白取而代之蛋白取而代之,并完并完成成holliday結(jié)構(gòu)的解體任務(wù)結(jié)構(gòu)的解體任務(wù). 交叉交叉dna中的異源配對(duì)雙鏈必需交互切中的異源配對(duì)雙鏈必需交互切割才能彼此分開(kāi)割才能彼此分開(kāi), 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(zhuǎn)座轉(zhuǎn)座 2）rna轉(zhuǎn)座轉(zhuǎn)座1) 遺傳系統(tǒng)的產(chǎn)生遺傳系統(tǒng)的產(chǎn)生2) 基因組進(jìn)化的模式基因組進(jìn)化的模式1) rna世界世界2)

4、復(fù)制復(fù)制, 轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄, 翻譯翻譯 系統(tǒng)的產(chǎn)生系統(tǒng)的產(chǎn)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(lái)表示前生命時(shí)期攜帶信息并具有催化功能的用來(lái)表示前生命時(shí)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(xiàn)具有自我催化的首次發(fā)現(xiàn)具有自我催化的rna分分子子, 四膜蟲(chóng)四膜蟲(chóng)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(shí)驗(yàn)證據(jù)提供實(shí)驗(yàn)證據(jù), 表明體外表明體外rna分分子可以催化復(fù)制子可以催化復(fù)制.3) 1990年年, sidney

5、 altman等發(fā)現(xiàn)等發(fā)現(xiàn), 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(shí)核糖體證實(shí)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(xiàn)具有催化功能的由于發(fā)現(xiàn)具有催化功能的rna, thomas cech 和和 sidney altman 共享共享1992 諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng).altmanaltman的貢獻(xiàn)是發(fā)現(xiàn)的貢獻(xiàn)是發(fā)現(xiàn)rnase p, rnase p, 一個(gè)由一個(gè)由rnarna分分子和蛋白質(zhì)組成的酶子和蛋白質(zhì)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(xiàn)首次發(fā)現(xiàn)具有自我催化的具有自我催化的rnarna分分子子, , 四膜蟲(chóng)四膜蟲(chóng)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(yīng)包括：）核酶催化的生化反應(yīng)包括： 自我剪接自我剪接 內(nèi)含子內(nèi)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(nèi)含子；分子可催化切除內(nèi)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(xiàn)解決了以往關(guān)于先有多聚核苷酸還是催化活性的發(fā)現(xiàn)解決了以往關(guān)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(tǒng)整個(gè)地集中最初的生化系統(tǒng)整個(gè)地集中在在rna。試管試管rnarna分子進(jìn)化，產(chǎn)生活性更強(qiáng)的分子進(jìn)化，產(chǎn)生活性更強(qiáng)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(jí)結(jié)構(gòu)及其催化活性就是它的表型的高級(jí)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)太復(fù)分子結(jié)

11、構(gòu)太復(fù) 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(xiàn)的核酶自身不能完全合成核酸已發(fā)現(xiàn)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(xiàn)進(jìn)化時(shí)間太短到生命出現(xiàn)進(jìn)化時(shí)間太短, 不到不到5億年億年). 在細(xì)胞出現(xiàn)之前是否就有基因在細(xì)胞出現(xiàn)之前是否就有基因? ? 最初的基最初的基因是怎么產(chǎn)生的因是怎么產(chǎn)生的? ? 基因產(chǎn)生的意義是什么基因產(chǎn)生的意義是什么? ?到目前為此對(duì)上述問(wèn)題還沒(méi)有一個(gè)合理的到目前為此對(duì)上述問(wèn)題還沒(méi)有一個(gè)合理的解釋解釋! !1) 任何生命都有三個(gè)不可或缺的系統(tǒng)任何生命都有三個(gè)不可或缺的系統(tǒng) 復(fù)制系統(tǒng)復(fù)制系統(tǒng) 轉(zhuǎn)錄系統(tǒng)轉(zhuǎn)錄系統(tǒng) 翻譯系統(tǒng)翻譯系統(tǒng)2) 上述三個(gè)系統(tǒng)的起源關(guān)系上述三個(gè)系統(tǒng)的起源關(guān)系 翻譯系統(tǒng)最早建立

13、翻譯系統(tǒng)最早建立, 其次是轉(zhuǎn)錄系統(tǒng)其次是轉(zhuǎn)錄系統(tǒng), 最后是復(fù)制系最后是復(fù)制系 統(tǒng)統(tǒng). 沒(méi)有準(zhǔn)確高效的翻譯系統(tǒng)沒(méi)有準(zhǔn)確高效的翻譯系統(tǒng), 遺傳信息的表達(dá)是無(wú)遺傳信息的表達(dá)是無(wú) 法實(shí)現(xiàn)的法實(shí)現(xiàn)的, 精確復(fù)制也失去了意義精確復(fù)制也失去了意義 見(jiàn)見(jiàn): carl woese, pnas, 96:6854, 1998人們推測(cè)基因組的起源可能是人們推測(cè)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(gè)指基因組由許多分散的分子組成，每一個(gè)指令單個(gè)蛋白質(zhì)，相當(dāng)于一個(gè)基因。這些基因彼此連接成令單個(gè)蛋白質(zhì)，相當(dāng)于一個(gè)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(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)變?yōu)閐nadna之前或之后之前或之后出現(xiàn)。由于組成了含更多基因的染色體，在細(xì)胞分裂時(shí)出現(xiàn)。由于組成了含更多基因的染色體，在細(xì)胞分裂時(shí)基因的分配要比分散的類型更加有效而方便，在竟?fàn)幹谢虻姆峙湟确稚⒌念愋透佑行Ф奖悖诰範(fàn)幹姓加袃?yōu)勢(shì)。隨著早期基因組的多次進(jìn)化，彼此連接的基占有優(yōu)勢(shì)。隨著早期基因組的多次進(jìn)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(shuō)還無(wú)法提供證據(jù)這一假說(shuō)還無(wú)法提供證據(jù). .carl woese認(rèn)為認(rèn)為:不存在一個(gè)所謂的祖先細(xì)胞不存在一個(gè)所謂的祖先細(xì)胞, 最初的細(xì)胞是最初的細(xì)胞是不穩(wěn)定的不穩(wěn)定的, 復(fù)合的

15、復(fù)合的, 具有多向發(fā)展?jié)摿Φ膹?fù)具有多向發(fā)展?jié)摿Φ膹?fù)合物合物.達(dá)爾文進(jìn)化論只探討生命出現(xiàn)之后的進(jìn)化達(dá)爾文進(jìn)化論只探討生命出現(xiàn)之后的進(jìn)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(xì)細(xì) 菌菌 古細(xì)菌古細(xì)菌 真核生物真核生物 - l核膜核膜 無(wú)無(wú) 無(wú)無(wú) 有有l(wèi)細(xì)胞器細(xì)胞器 無(wú)無(wú) 無(wú)無(wú) 有有 l細(xì)胞壁肽聚糖細(xì)胞壁肽聚糖 有有 無(wú)無(wú) 無(wú)無(wú)l脂膜成分脂膜成分 無(wú)分枝碳?xì)滏湡o(wú)分枝碳?xì)滏?具某些分枝碳?xì)滏溇吣承┓种μ細(xì)滏?無(wú)分枝碳?xì)錈o(wú)分枝碳?xì)滏滄?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(zhì)合成起始氨基酸蛋白質(zhì)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(nèi)含子基因內(nèi)含子 無(wú)無(wú) 有或無(wú)有或無(wú) 有有 鏈霉素和氯霉素抗性鏈霉素和氯霉素抗性 - 來(lái)自海洋火山口的古細(xì)菌詹氏甲烷球菌基因組順序分析來(lái)自海洋火山口的古細(xì)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(xì)菌的翻譯系統(tǒng)如核糖體蛋白，延伸因子和氨酰）古細(xì)菌的翻譯系統(tǒng)如核糖體蛋白，延伸因子和氨酰 trnatrna合成酶以及轉(zhuǎn)錄系統(tǒng)均與真核生物相似，而與細(xì)合成酶以及轉(zhuǎn)錄系統(tǒng)均與真核生物相似，而與細(xì) 菌有所不同。菌有所不同。2 2）在代謝系統(tǒng)方面，古細(xì)菌與真細(xì)菌極為相似。人們推）在代謝系統(tǒng)方

17、面，古細(xì)菌與真細(xì)菌極為相似。人們推 測(cè)，古細(xì)菌和原始真核細(xì)胞可能從原始細(xì)胞分別繼承測(cè)，古細(xì)菌和原始真核細(xì)胞可能從原始細(xì)胞分別繼承 了部分共同的遺傳物質(zhì)。了部分共同的遺傳物質(zhì)。目前有三種關(guān)于真核細(xì)胞起源的假說(shuō)目前有三種關(guān)于真核細(xì)胞起源的假說(shuō):1) 共生假說(shuō)共生假說(shuō): 古細(xì)菌進(jìn)入真細(xì)菌彼此互助古細(xì)菌進(jìn)入真細(xì)菌彼此互助, 隨后古細(xì)菌形成細(xì)胞核隨后古細(xì)菌形成細(xì)胞核, 真細(xì)菌成為細(xì)真細(xì)菌成為細(xì)胞器胞器.2) 直生假說(shuō)直生假說(shuō): 存在含有核膜的細(xì)菌存在含有核膜的細(xì)菌, 真核真核細(xì)胞為獨(dú)立起源細(xì)胞為獨(dú)立起源.3) 病毒假說(shuō)病毒假說(shuō): 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(xì)胞核可以象病毒一樣在細(xì)胞間轉(zhuǎn)移的細(xì)胞核可以象病毒一樣在細(xì)胞間轉(zhuǎn)移.基因組進(jìn)化的模式基因組進(jìn)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(kuò)張與擴(kuò)增擴(kuò)張與擴(kuò)增 插入與缺失插入與缺失 轉(zhuǎn)座因子的作用轉(zhuǎn)座因子的作用在基因組進(jìn)化中現(xiàn)有基因的加倍是最重要在基因組進(jìn)化中現(xiàn)有基因的加倍是最重要的方式之一，它們可經(jīng)由以下途徑發(fā)生：的方式之一，它們可經(jīng)由以下途徑發(fā)生： 1 1）整個(gè)基因組加倍；）整個(gè)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(gè)或成群基因加倍。）單個(gè)或成群基因加倍。引自引自go

19、ffeau, nature 430:25, 20041) 大多數(shù)植物基因組均由同源多倍體和異大多數(shù)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(shù)目增加的主要是基因數(shù)目增加的主要 方式方式.3) 玉米染色體組由染色體基數(shù)玉米染色體組由染色體基數(shù)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(xì)胞動(dòng)物基因組很少有多倍體報(bào)道多細(xì)胞動(dòng)物基因組很少有多倍體報(bào)道, 產(chǎn)生產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因可能同動(dòng)物的發(fā)育模式有關(guān)這一現(xiàn)象的原

20、因可能同動(dòng)物的發(fā)育模式有關(guān). 動(dòng)物發(fā)育為封閉式動(dòng)物發(fā)育為封閉式, 胚胎發(fā)育時(shí)幾乎所有未來(lái)胚胎發(fā)育時(shí)幾乎所有未來(lái)的器官原基均在同一時(shí)間產(chǎn)生的器官原基均在同一時(shí)間產(chǎn)生,需要高度協(xié)調(diào)需要高度協(xié)調(diào). 多倍體帶來(lái)的基因劑量的不平衡會(huì)對(duì)胚胎發(fā)多倍體帶來(lái)的基因劑量的不平衡會(huì)對(duì)胚胎發(fā)育產(chǎn)生致命的影響育產(chǎn)生致命的影響.2) 植物的發(fā)育是開(kāi)放式植物的發(fā)育是開(kāi)放式, 營(yíng)養(yǎng)器官不斷地重復(fù)營(yíng)養(yǎng)器官不斷地重復(fù)地產(chǎn)生地產(chǎn)生, 生殖器官與營(yíng)養(yǎng)器官是同源的生殖器官與營(yíng)養(yǎng)器官是同源的, 因而因而可以忍受多倍體帶來(lái)的基因劑量不平衡的干可以忍受多倍體帶來(lái)的基因劑量不平衡的干擾擾. 此外植物細(xì)胞可直接從外界吸收營(yíng)養(yǎng)此外植物細(xì)胞可直接從

21、外界吸收營(yíng)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(shuō)假說(shuō).他認(rèn)為他認(rèn)為,在脊椎動(dòng)物進(jìn)化在脊椎動(dòng)物進(jìn)化中中, 曾經(jīng)發(fā)生過(guò)曾經(jīng)發(fā)生過(guò)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(wú)脊椎動(dòng)物無(wú)脊椎動(dòng)物基因成員在哺基因成員在哺乳動(dòng)物乳動(dòng)物35000個(gè)個(gè)基因中平均有基因中平均有兩個(gè)同源基因兩個(gè)同源基因.盡管已在酵母和植物中發(fā)現(xiàn)基因組加倍的證據(jù)，但盡管已在酵母和植物中發(fā)現(xiàn)基因組加倍的證據(jù)，但對(duì)脊椎動(dòng)物是

22、否出現(xiàn)過(guò)全基因組的加倍，目前還存對(duì)脊椎動(dòng)物是否出現(xiàn)過(guò)全基因組的加倍，目前還存在不少爭(zhēng)論。有些分子生物學(xué)家認(rèn)為，大約在不少爭(zhēng)論。有些分子生物學(xué)家認(rèn)為，大約1 1億年億年前酵母基因組加倍時(shí)脊椎動(dòng)物也發(fā)生了同樣事件。前酵母基因組加倍時(shí)脊椎動(dòng)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(hào)染色體。其他作者則號(hào)染色體。其他作者則認(rèn)為，這些重復(fù)只是一些獨(dú)立的事件，不足以表明認(rèn)為，這些重復(fù)只是一些獨(dú)立的事件，不足以表明整個(gè)基因組的加倍。整個(gè)基因組的加倍。2r假說(shuō)認(rèn)為，在無(wú)頜類脊椎動(dòng)

23、物（假說(shuō)認(rèn)為，在無(wú)頜類脊椎動(dòng)物（jawless vertebrate）出現(xiàn)之前和出現(xiàn)之后分別出現(xiàn)過(guò)）出現(xiàn)之前和出現(xiàn)之后分別出現(xiàn)過(guò)一次全基因組的加倍，即脊椎動(dòng)物有過(guò)兩次全一次全基因組的加倍，即脊椎動(dòng)物有過(guò)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(yú)的基因組序列測(cè)序月完成文昌魚(yú)的基因組序列測(cè)序.對(duì)文昌對(duì)文昌魚(yú)和脊椎動(dòng)物基因組中保留下來(lái)的魚(yú)和脊椎動(dòng)物基因組中保留下來(lái)的17個(gè)先祖脊個(gè)先祖脊索動(dòng)物連鎖群進(jìn)行染色體虛擬重建索動(dòng)物連鎖群進(jìn)行染色體虛擬重建. 結(jié)果證實(shí)結(jié)果證實(shí)在有頜類脊椎動(dòng)物演化過(guò)程中在有頜類脊椎動(dòng)物演化過(guò)程中, 確實(shí)

24、發(fā)生了兩確實(shí)發(fā)生了兩輪整基因組加倍現(xiàn)象。輪整基因組加倍現(xiàn)象。 2r假說(shuō)是正確的假說(shuō)是正確的.nature 453, 1064-1071, 2008對(duì)文昌魚(yú)基因組的最新分析表明對(duì)文昌魚(yú)基因組的最新分析表明，5.5億年以來(lái)進(jìn)化進(jìn)程中脊椎動(dòng)億年以來(lái)進(jìn)化進(jìn)程中脊椎動(dòng)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(gè)染色體個(gè)染色體與文昌魚(yú)的與文昌魚(yú)的19個(gè)同源色體進(jìn)行對(duì)個(gè)同源色體進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)基因組有比分析發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)基因組有17個(gè)個(gè)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(shuō)，在可以肯定的說(shuō)，在5.5億年前，人億年前，人類和

25、文昌魚(yú)共同的祖先有類和文昌魚(yú)共同的祖先有17個(gè)個(gè) 同同源染色體。祖先的源染色體。祖先的17個(gè)同源染色個(gè)同源染色體上每一個(gè)的基因在脊椎動(dòng)物的體上每一個(gè)的基因在脊椎動(dòng)物的進(jìn)化過(guò)程中增加了拷貝量，變?yōu)檫M(jìn)化過(guò)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(dòng)物因的拷貝量的增加使得脊椎動(dòng)物獲得更多的新功能并進(jìn)化形成我獲得更多的新功能并進(jìn)化形成我們所知的脊椎動(dòng)物們所知的脊椎動(dòng)物 partitioning of the human chromosomes into segments with defin

26、ed patterns of conserved synteny to branchiostoma floridae佛羅里達(dá)文昌魚(yú)佛羅里達(dá)文昌魚(yú) 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(yú)人類染色體與文昌魚(yú)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(fù)，這些重復(fù)事件是在不同的進(jìn)化時(shí)期出現(xiàn)的，涉及重復(fù)，這些重復(fù)事件是在不同的進(jìn)化時(shí)期出現(xiàn)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(jù)氨基酸順序的代換速率分析，擬南芥基因組的重復(fù)根據(jù)氨基酸順

28、序的代換速率分析，擬南芥基因組的重復(fù)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(fù)的進(jìn)化年代近似。）發(fā)生重復(fù)的進(jìn)化年代近似。3) 共有共有5個(gè)可以確定的板塊群，分別為個(gè)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(shù)分別為數(shù)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(wàn)年前（萬(wàn)年前（b板塊），最早的板塊），最早的重組事件出現(xiàn)在重組事件出現(xiàn)在2億年前。大多數(shù)重組事件發(fā)生在中生億年前。大多數(shù)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(xiàn)的板塊出現(xiàn)的年代代表雙子葉與單子葉分化的時(shí)期。年代代表雙子葉與單子葉分化的時(shí)期。 年齡組年齡組 重復(fù)板塊數(shù)重復(fù)板塊數(shù) da 板塊大小板塊大小 保留的重復(fù)保留的重復(fù) 估計(jì)年齡估計(jì)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(duì)的中成對(duì)的orf氨基酸變化最少比

30、例的平均數(shù)；板塊氨基酸變化最少比例的平均數(shù)；板塊大小，平均所含的大小，平均所含的orf數(shù)（包括單身數(shù)（包括單身orf）；保留的重復(fù)，重復(fù)）；保留的重復(fù)，重復(fù)板塊中仍保留的板塊中仍保留的orf與推測(cè)的祖先與推測(cè)的祖先orf數(shù)之比。數(shù)之比。a，可能系基因，可能系基因組的誤排。組的誤排。基因組進(jìn)化中重復(fù)基因的命運(yùn)基因組進(jìn)化中重復(fù)基因的命運(yùn):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(diào)控順序的突變成為獲得新的表達(dá)由于調(diào)控順序的突變成為獲得新的表達(dá)模式的基因模式的基因.3) 處于進(jìn)化之中與祖先基因在功能上重疊處于進(jìn)化之中與祖先基因在功能上重疊,

31、 表現(xiàn)為冗余的基因表現(xiàn)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(jìn)化事件中丟失在隨后的進(jìn)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(nèi)或染色體之間發(fā)生的倒位或移位事體內(nèi)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(jìn)化的主要?jiǎng)恿χ旧w重排是基因組進(jìn)化的主要?jiǎng)恿χ?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(duì)與交換正常配對(duì)與交換, 促使重排區(qū)段內(nèi)的突促使重排區(qū)段內(nèi)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(dá)模式可為基因提供新的表達(dá)模式.引自引自 pevzner, pnas, 100:7672-7677, 20031) dna分子內(nèi)重復(fù)順序的重組分子內(nèi)重復(fù)順序的重組: 1. 反向重復(fù)順序之間的重組導(dǎo)致區(qū)段倒位 2. 正向反向重復(fù)順序之間的重組導(dǎo)致區(qū)段缺失2) 染色體臂間重復(fù)順序的交換重組染色體臂間重復(fù)順序的交換重組3) 染色體臂內(nèi)重復(fù)順序的交換重組染色體臂內(nèi)重復(fù)順序的交換重組4) 染色體之間重復(fù)順序的交換重組染色體之間重復(fù)順序的交換重組4) 同源染色體之間重復(fù)順序的不等交換同源染色體之間重復(fù)順序的不等交換1) 比較線蟲(chóng)的兩個(gè)種比較線蟲(chóng)的兩個(gè)種,c.elegant和和c.briggsae

33、, 發(fā)現(xiàn)線蟲(chóng)基因組在發(fā)現(xiàn)線蟲(chóng)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(zhuǎn)位染色體重排事件包括轉(zhuǎn)位, 倒位與轉(zhuǎn)座倒位與轉(zhuǎn)座.3) 染色體重排事件大多數(shù)出現(xiàn)在基因間區(qū)染色體重排事件大多數(shù)出現(xiàn)在基因間區(qū) 普遍的重復(fù)順序以及重復(fù)的基因成員之普遍的重復(fù)順序以及重復(fù)的基因成員之 間間.4) 線蟲(chóng)基因組重排的速率為果蠅的線蟲(chóng)基因組重排的速率為果蠅的4倍倍.見(jiàn)見(jiàn): genome research 16:875-867, 2002.1）重復(fù)順序之間的配對(duì)可引起染色體內(nèi)或染色體之）重復(fù)順序之間的配對(duì)可引起染色體內(nèi)或染色體之 間的不等交換；間的

34、不等交換；2）染色體內(nèi)正向重復(fù)順序之間的交換可引起缺失：）染色體內(nèi)正向重復(fù)順序之間的交換可引起缺失：3）染色體內(nèi)反向重復(fù)順序之間的交換可引起倒位；）染色體內(nèi)反向重復(fù)順序之間的交換可引起倒位；4）染色體之間重復(fù)順序之間的交換可引起重復(fù)與缺）染色體之間重復(fù)順序之間的交換可引起重復(fù)與缺 失；失；5）基因內(nèi)部重復(fù)順序之間的不等交換可引起基因突基因內(nèi)部重復(fù)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(zhǎng)短, 染色體的順序組成等有關(guān).1) 人類人類y-染色體系由染色體系由x-染色體進(jìn)化而來(lái)染色體進(jìn)化而來(lái).2) 在

35、三億年前人類祖先與鳥(niǎo)類分開(kāi)之后在三億年前人類祖先與鳥(niǎo)類分開(kāi)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(kāi)始由此開(kāi)始y-染色體的進(jìn)染色體的進(jìn)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(chǎn)生之際曾含有染色體產(chǎn)生之際曾含有1438個(gè)基因，但到個(gè)基因，但到目前為止目前為止, , 其中的其中的1393個(gè)基因已經(jīng)消失個(gè)基因已經(jīng)消失, ,只剩只剩下下45個(gè)個(gè)基因基因 , 平均平均每百萬(wàn)年丟失每百萬(wàn)年丟失4.6個(gè)基因個(gè)基因.新的研究確認(rèn)了新的研究確認(rèn)了x染色體上有染色體上有1098個(gè)個(gè)蛋白蛋白質(zhì)

36、編碼基因質(zhì)編碼基因，而這，而這1098個(gè)基因中只有個(gè)基因中只有54個(gè)個(gè)在對(duì)應(yīng)的在對(duì)應(yīng)的y染色體上有相應(yīng)功能的等位基染色體上有相應(yīng)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(gè)基因。個(gè)基因。y y染色體是惟一一個(gè)對(duì)個(gè)體生存不必要的染色體。染色體是惟一一個(gè)對(duì)個(gè)體生存不必要的染色體。人如果沒(méi)有人如果沒(méi)有x x染色體，或者沒(méi)有其他任何一對(duì)常染色體，或者沒(méi)有其他任何一對(duì)常染色體，就無(wú)法出生，在胚胎期就會(huì)死亡。而沒(méi)染色體，就無(wú)法出生，在胚胎期就會(huì)死亡。而沒(méi)有有y y染色體卻對(duì)個(gè)體生存沒(méi)有關(guān)系，比如女性都染色體卻對(duì)個(gè)體生存沒(méi)有關(guān)系，比如女

37、性都沒(méi)有沒(méi)有y y染色體，卻照樣可以健康長(zhǎng)壽。其他染色染色體，卻照樣可以健康長(zhǎng)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(duì)一個(gè)有可能導(dǎo)致自身滅亡的問(wèn)題類必須面對(duì)一個(gè)有可能導(dǎo)致自身滅亡的問(wèn)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(gè)回文區(qū)含有性別決定基因個(gè)回文區(qū)含有性別決定基因, 與雄性的發(fā)育有關(guān)與雄性的發(fā)育有關(guān).這些回文區(qū)中這些回文區(qū)中,成對(duì)的順序之間有成對(duì)的順序之間有99

39、.9%的一致性的一致性, 當(dāng)其中一個(gè)當(dāng)其中一個(gè)重復(fù)順發(fā)生突變時(shí)重復(fù)順發(fā)生突變時(shí), 可由另一個(gè)重復(fù)順提供復(fù)制模板可由另一個(gè)重復(fù)順提供復(fù)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(gè)重要特征是基因組必需經(jīng)有性繁殖的一個(gè)重要特征是基因組必需經(jīng)過(guò)減數(shù)分裂過(guò)程才能產(chǎn)生配子體過(guò)減數(shù)分裂過(guò)程才能產(chǎn)生配子體.3) 減數(shù)分裂時(shí)同源姐妹染色體配對(duì)減數(shù)分裂時(shí)同源姐妹染色體配對(duì),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(kuò)大變同源染色體區(qū)段的交換一方面可以擴(kuò)大變異的范圍異的范圍, 同時(shí)也可降低同源染色

40、體區(qū)段的同時(shí)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(duì)與交換可積累突變?nèi)鄙偻慈旧w配對(duì)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(chǎn)生主要有以下新基因的產(chǎn)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(dá)模式但往往獲得了新的表達(dá)模式. 這是新基因產(chǎn)生的主要方式這是新基因產(chǎn)生的主要方式.2) 結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu)域洗牌洗牌, 即不同的結(jié)構(gòu)域加倍或重組即不同的結(jié)構(gòu)域加倍或重組, 產(chǎn)生具有產(chǎn)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(chǎn)生于外顯產(chǎn)生于外顯子洗牌子洗牌.3) 逆轉(zhuǎn)錄及其隨后的趨異或重排逆轉(zhuǎn)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(gè)基因分裂成兩個(gè)不同的基因由一個(gè)基因分裂成兩個(gè)不同的基因, 或兩個(gè)或多個(gè)基因融合組成一個(gè)新的基因或兩個(gè)或多個(gè)基因融合組成一個(gè)新的基因. 原核生物原核生物約約0.5%的基因由此產(chǎn)生的基因由此產(chǎn)生.5) 嬗變嬗變, 由非編碼順序轉(zhuǎn)變?yōu)榫幋a順序由非編碼順序轉(zhuǎn)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(fù)順序的擴(kuò)張是一個(gè)極高等生物基因組重復(fù)順序的擴(kuò)張是一個(gè)極其普遍的現(xiàn)象其普遍的現(xiàn)象, 這些重復(fù)順的擴(kuò)張主要起因這些重復(fù)順的擴(kuò)張主要起因于于: 1) 重復(fù)順序之間的不等交換重復(fù)順序之間的不等交換; 2) dna的轉(zhuǎn)座的轉(zhuǎn)座 3) 逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座1) alu逆轉(zhuǎn)座子起源于逆

43、轉(zhuǎn)座子起源于7s rna.2) 7s rna基因?qū)儆诨驅(qū)儆趐oliii類基因類基因, 含有基因含有基因內(nèi)啟動(dòng)子內(nèi)啟動(dòng)子.3) 7s rna轉(zhuǎn)錄后后借助細(xì)胞內(nèi)含有的逆轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)錄后后借助細(xì)胞內(nèi)含有的逆轉(zhuǎn)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(zhuǎn)錄整合到基因組中的因逆轉(zhuǎn)錄整合到基因組中的alu成分含成分含有內(nèi)部的啟動(dòng)子有內(nèi)部的啟動(dòng)子, 不必借助插入位點(diǎn)的啟不必借助插入位點(diǎn)的啟動(dòng)子即可轉(zhuǎn)錄動(dòng)子即可轉(zhuǎn)錄. 5) 7s rna基因?yàn)榻M成性表達(dá)基因?yàn)榻M成性表達(dá), 增加了增加了alu表表達(dá)的機(jī)率達(dá)的機(jī)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(chǔ)何在異的遺傳基礎(chǔ)何在?3) michael wigler at cold spring harbor laboratory ( genome res. 13, 22912305, 2003)發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn),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(shù)因組存在廣泛的基因拷貝數(shù), 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(bào)道報(bào)道 (nature genet. 37, 129137, 2005) , 在人類在人類chr 17q21.31 區(qū)有兩區(qū)有兩個(gè)同源但不相同的涉及個(gè)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(wàn)年前萬(wàn)年前. h2型在非洲人中罕見(jiàn)型在非洲人中罕見(jiàn), 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(tǒng)計(jì)學(xué)分析表明統(tǒng)計(jì)學(xué)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(xiàn)，人類和黑猩猩丹麥研究人員發(fā)現(xiàn)，人類和黑

46、猩猩500500萬(wàn)年前在進(jìn)化途中分道揚(yáng)萬(wàn)年前在進(jìn)化途中分道揚(yáng)鑣后，兩者的基因圖譜中進(jìn)化最快的都是與免疫、細(xì)胞凋亡和精子發(fā)鑣后，兩者的基因圖譜中進(jìn)化最快的都是與免疫、細(xì)胞凋亡和精子發(fā)育相關(guān)的基因育相關(guān)的基因. . 丹麥哥本哈根大學(xué)的研究人員對(duì)人類和黑猩猩具有對(duì)等功能的丹麥哥本哈根大學(xué)的研究人員對(duì)人類和黑猩猩具有對(duì)等功能的1373113731個(gè)基因進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在人類和黑猩猩的進(jìn)化樹(shù)中，個(gè)基因進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在人類和黑猩猩的進(jìn)化樹(shù)中，與免疫、細(xì)胞凋亡和精子發(fā)育相關(guān)的基因演變的速度甚至比隨機(jī)突變與免疫、細(xì)胞凋亡和精子發(fā)育相關(guān)的基因演變的速度甚至比隨機(jī)突變還要快。換句話說(shuō)，在自然選擇的過(guò)程中，這些基因是進(jìn)化最快的。還要快。換句話說(shuō)，在自然選擇的過(guò)程中，這些基因是進(jìn)化最快的。 研究人員分析，病毒和其他病原體的進(jìn)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(jìn)化速度很快，人類免疫系統(tǒng)不斷受到新出現(xiàn)的病毒的威脅，因此，與抵抗疾病相關(guān)的基因進(jìn)化統(tǒng)不斷受到新出現(xiàn)的病毒的威脅，因此，與抵抗疾病相關(guān)的基因進(jìn)化迅速是理所當(dāng)然的。而與細(xì)胞凋亡和精子相關(guān)的基因進(jìn)化快則讓研究迅速是理所當(dāng)然的。而與細(xì)胞凋亡和精子相關(guān)的基因進(jìn)化快則讓研究人員感到意外。凋亡是細(xì)胞死亡的機(jī)制之一，是生理性細(xì)胞死亡。由人員感到意外。