第8章基因組進化的模式3

第八章

基因組進化的模式1中英聯(lián)合實驗室生物進化樹變形蟲古細菌真細菌鞭毛蟲草履蟲粘液菌接合菌擔(dān)子菌子囊菌褐藻紅藻綠藻裸子植物苔蘚雙子葉植物海綿體棘皮動物線蟲環(huán)節(jié)動物節(jié)肢動物脊椎動物軟體動物扁形動物原口動物單子葉植物真菌植物動物原核生物原生生物原始脊索動物生物的進化圖示2中英聯(lián)合實驗室分子水平分子生物學(xué)細胞水平DNA的進化單細胞多細胞細胞分化蛋白質(zhì)的進化3中英聯(lián)合實驗室生命史的三大階段前生命的化學(xué)進化階段：完整細胞的形成標(biāo)志著這一階段的結(jié)束生物學(xué)進化階段文化進化與生物學(xué)進化并行和相互制約階段4中英聯(lián)合實驗室原始氣體冷凝匯流成海洋火山爆發(fā)和閃電的能量使氣體合成簡單有機物濺到巖石上的氨基酸聚合成肽鏈又重新回到水中各種大分子進化成原核細胞和真核細胞生命起源模式5中英聯(lián)合實驗室含生命化石的最古老的巖石疊層石6中英聯(lián)合實驗室一、遺傳系統(tǒng)的起源蛋白質(zhì)起源說核酸起源說7中英聯(lián)合實驗室蛋白質(zhì)起源說三種非細胞生命形式Prions病毒類病毒由于非細胞生命的存在，所以不能排除在地球早期化學(xué)進化階段有過非細胞的“大分子狀態(tài)”的生命形式的可能性8中英聯(lián)合實驗室奧巴林的團聚體(coacervate)假說（1924）：用蛋白質(zhì)（白明膠）和多糖（阿拉伯膠）混合得到團聚體?？怂褂妙惖鞍踪|(zhì)加熱得到微球體S.Miller(1953)的模擬實驗澳大利亞隕石中發(fā)現(xiàn)(1959)氨基酸、嘧啶和脂肪酸9中英聯(lián)合實驗室米勒及其實驗（1953和1991）10中英聯(lián)合實驗室

用電擊提供能量，從簡單小分子可得到復(fù)雜大分子。11中英聯(lián)合實驗室生物分子形成的傳統(tǒng)理論？？12中英聯(lián)合實驗室核酸起源說遺傳學(xué)家Muller（20年代）提出“裸基因說”（nakedgenetheory）：生命發(fā)生從基因開始；T.Cech（80年代）發(fā)現(xiàn)四膜蟲Pre－rRNA切下的內(nèi)含子具有酶的的活性（聚合和剪切作用），提示生命RNA起源的可能性Schuster（1984）發(fā)現(xiàn)硅酸鹽介導(dǎo)DNA合成的現(xiàn)象H.F.Noller（1992）發(fā)現(xiàn)純化的rRNA有催化肽鏈合成的功能13中英聯(lián)合實驗室

不論那種學(xué)說和支持它們的實驗，都有兩個問題沒有解決：無法模擬最初原始的環(huán)境無法直接得到生命有待于進一步的研究14中英聯(lián)合實驗室1.1RNA世界假說“RNA世界”假說——RNA是生命初期最關(guān)鍵的分子，后來當(dāng)DNA和蛋白質(zhì)的功能遠遠超過最初RNA的作用時，它才退到了次要地位。支持的證據(jù)：

核酶的發(fā)現(xiàn)：自我剪接催化切斷其他RNA催化肽鍵形成催化核苷酸合成1.遺傳系統(tǒng)的起源15中英聯(lián)合實驗室TheNobelPrizeinChemistry1989SidneyAltmanThomasR.Cech1/2oftheprize1/2oftheprizeCanadaandUSAUSAYaleUniversity

NewHaven,CT,USAUniversityofColorado

Boulder,CO,USAb.1939b.1947"fortheirdiscoveryofcatalyticpropertiesofRNA"16中英聯(lián)合實驗室RNAWorldhypothesis

1986，諾貝爾化學(xué)獎（1981）獲得者

W.Gilbert提出“RNA世界”假說：“生命起源之某時期，生命體僅由一種高分子化合物RNA組成。遺傳信息傳遞建立于RNA的復(fù)制，復(fù)制機理與當(dāng)今DNA復(fù)制機理相似，作為生物催化劑的、由基因編碼的蛋白質(zhì)還不存在”。"TheRNAWorld",Nature319:61817中英聯(lián)合實驗室DNA拷貝出單鏈RNA，然后RNA被折疊成復(fù)雜的形狀

。18中英聯(lián)合實驗室RNA的特性

2’羥基——化學(xué)性質(zhì)較DNA活躍，易突變，攜帶遺傳信息能力不如DNA；組成沒有蛋白質(zhì)復(fù)雜——不如蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)多樣，功能分子作用不如蛋白質(zhì)；唯一既能攜帶遺傳信息又可為功能分子的生物高分子化合物。19中英聯(lián)合實驗室初始RNA分子新互補拷貝自發(fā)多聚體化初始模板核苷酸早期RNA世界RNA分子的拷貝在RNA多聚酶進化之前，與RNA模板結(jié)合的核糖核酸能自發(fā)地聚合。這一過程很不精確，但可產(chǎn)生許多RNA序列。20中英聯(lián)合實驗室21中英聯(lián)合實驗室1.2基因組的起源RNA功能的分裂：蛋白質(zhì)和RNA酶活的表現(xiàn)有何差異？

DNA和RNA相比作為遺傳物質(zhì)的優(yōu)勢？22中英聯(lián)合實驗室編碼RNA分子轉(zhuǎn)變?yōu)榈谝粋€DNA分子第一個拷貝的DNA分子第一個拷貝的DNA分子核苷酸脫氧核糖核苷酸TACT還原

dAdCdGGTACdTdCdATCGdCdGdARNA拷貝DNARNA23中英聯(lián)合實驗室RNA世界向DNA世界的過渡可以概括為：地球上最早出現(xiàn)的生物大分子為RNA，RNA同時具有催化與編碼兩種功能。RNA可以催化肽鍵形成并合成蛋白質(zhì)，此后RNA與蛋白質(zhì)聯(lián)手以RNA為模板合成DNA。這是一個關(guān)鍵的轉(zhuǎn)變時期，生命世界的三大主要多聚分子，RNA、蛋白質(zhì)和DNA的分工基本定形：RNA的編碼功能由DNA取代，催化功能轉(zhuǎn)移到蛋白質(zhì)，RNA自身則稱為傳達遺傳信息的中介分子。24中英聯(lián)合實驗室1.3生命三界真細菌古細菌真核生物共同祖先古細菌的特點:翻譯和轉(zhuǎn)錄與真核生物相似，代謝系統(tǒng)與真細菌相似25中英聯(lián)合實驗室內(nèi)共生假說－具有吞噬能力的細胞先后吞并了幾種原核細胞（細菌和藍藻），由于后者沒有被吞噬細胞所分解消化，反而從寄生過渡到共生，并成為宿主細胞的細胞器，如喜氧細菌成為線粒體，藍藻成為葉綠體。26中英聯(lián)合實驗室二、基因組進化35億年前原核生物（細胞結(jié)構(gòu)）14億年前真核生物9億年前多細胞生物6億年前多細胞動物3.5億年前動物和植物類群確立4000萬年第一個類人猿誕生5000個基因10000個基因20000個基因27中英聯(lián)合實驗室基因結(jié)構(gòu)和功能的進化、新基因的起源基因與基因組加倍外顯子和結(jié)構(gòu)域洗牌

19%真核生物逆轉(zhuǎn)錄及其隨后的趨異和重排外源基因水平轉(zhuǎn)移基因裂變和融合0.5%原核生物非編碼序列轉(zhuǎn)化為編碼序列28中英聯(lián)合實驗室2.1基因與基因組加倍整個基因組加倍：增加基因組數(shù)目最快方式單個或成群基因加倍單條或部分染色體加倍三體（trisomy），某染色體多出1個成員生長與發(fā)育造成嚴重影響，人類的唐氏綜合癥29中英聯(lián)合實驗室全套基因組的加倍使基因數(shù)目急劇增加同源多倍體：減數(shù)分裂發(fā)生差錯時使配子體含2套染色體（雙倍體配子），融合產(chǎn)生同源多倍體30中英聯(lián)合實驗室重復(fù)基因持續(xù)丟失突變不會對存活力造成嚴重影響突變往往會造成基因的失活，成為假基因偶而有一些突變會使加倍的基因具有新的功能，對生物進化有所貢獻不直接導(dǎo)致基因擴張，提供了產(chǎn)生新基因的可能31中英聯(lián)合實驗室基因組重復(fù)所具備的特別標(biāo)志成片的重復(fù)基因基因排列的順序相同進行同源性分析：氨基酸序列至少要有25%的一致性確定它們在基因組中的位置尋找重復(fù)基因群如何確定這些重復(fù)是單個基因加倍or整個基因組的重復(fù)？32中英聯(lián)合實驗室從酵母基因組中鑒定了376對基因組成55個重復(fù)基因群每個重復(fù)基因群至少有3個基因排列次序相同重復(fù)區(qū)域跨越了50%的基因組通過系統(tǒng)發(fā)生學(xué)分析、采用分子鐘推測成對序列差別的程度，表明加倍發(fā)生于1億年前酵母基因組在1億年前經(jīng)歷了1次完全的加倍33中英聯(lián)合實驗室植物基因組中的異源多倍體植物中新的基因亦可通過多倍體化獲?。ㄍ炊啾扼w與異源多倍體）2個不同物種之間雜交產(chǎn)生的異源多倍體，也能產(chǎn)生可育雜種親緣上非常近似，含有許多共有的基因基因組加倍和種間基因轉(zhuǎn)移的結(jié)合酵母和植物中發(fā)現(xiàn)基因組加倍脊椎動物是否出現(xiàn)過全基因組的加倍？34中英聯(lián)合實驗室山羊草屬的擬斯卑爾脫山羊草組植物SpeciesinSitopsissectionofAegilops(SS)×烏拉爾圖小麥T.urartu(AA)野生二粒小麥T.dicoccoides(AABB)粗山羊草Ae.tauschii(DD)斯卑爾脫小麥T.spelta(AABBDD)栽培二粒小麥T.dicoccum(AABB)×面包小麥T.aetivum(AABBDD)35中英聯(lián)合實驗室單個基因以及基因群加倍在進化過程中經(jīng)常出現(xiàn)多基因家族，同一家族的不同成員最后均可追溯到最初的古老基因組的某一祖先基因單個基因以及染色體區(qū)段加倍在進化過程中經(jīng)常出現(xiàn)36中英聯(lián)合實驗室加倍機制不等交換同源染色體不等交換：位于同源染色體不同位置的相似核苷酸序列之間發(fā)生的重組事件姐妹染色體之間的不等交換：與上述機制相同，只是發(fā)生在同一染色體的1對姐妹染色單體之間DNA放大：復(fù)制泡內(nèi)2條子鏈DNA之間發(fā)生不等交換，使1條鏈某一段序列加倍37中英聯(lián)合實驗室重復(fù)序列同源染色體配對重復(fù)C.DNA放大B.姐妹染色體之間的不等交換A.不等交換復(fù)制叉38中英聯(lián)合實驗室某些基因重復(fù)并不產(chǎn)生多樣性由相同或幾乎相同的基因成員組成rRNA，爪蟾500拷貝，序列完全相同阻止突變的累積，避免多樣性的產(chǎn)生人類Y染色體中25%的區(qū)段有重復(fù)發(fā)生，集中在中部和端部。1KB以上的重復(fù)序列是13.7%39中英聯(lián)合實驗室基因與基因組的加倍是一個動態(tài)過程重復(fù)基因出現(xiàn)后最初數(shù)百萬年，溫和選擇壓力下氨基酸代換速率45%，蛋白質(zhì)創(chuàng)新嚴格的自然選擇期，氨基酸代換速率5%5000萬年內(nèi)，90%的重復(fù)拷貝被淘汰基因冗余：進化對保留的冗余基因類型是有選擇性的40中英聯(lián)合實驗室2.2基因重排具創(chuàng)新功能的蛋白質(zhì)更多是通過現(xiàn)有基因的重排產(chǎn)生，功能域區(qū)段重排。41中英聯(lián)合實驗室外顯子的特點：1、外顯子形成的多肽鏈獨立結(jié)構(gòu)域2、內(nèi)含子的位置通常在兩個相連的獨立結(jié)構(gòu)或功能的多肽鏈編碼序列之間3、與獨立空間構(gòu)型相關(guān)的氫鍵或者二硫鍵主要出現(xiàn)在外顯子編碼的多肽鏈內(nèi)部4、蛋白質(zhì)中重復(fù)的多肽鏈產(chǎn)物總是和重復(fù)的結(jié)構(gòu)功能相對應(yīng)5、非同源序列中，同源的外顯子多肽鏈產(chǎn)物具有相似的多肽結(jié)構(gòu)和功能。42中英聯(lián)合實驗室功能域加倍：編碼結(jié)構(gòu)域的基因區(qū)段可因不等交換、滑序復(fù)制或其他引起DNA序列重復(fù)的方法增加拷貝。加倍的結(jié)構(gòu)域也可能發(fā)生突變，為蛋白質(zhì)提供新的活性。功能域加倍增加基因長度，基因組進化的普遍特點43中英聯(lián)合實驗室CysAspPheLeuHisCys

YHisZnCysAspPheLeuHisCys

YHisZnNC987654321

PolⅢ基因轉(zhuǎn)錄因子TFⅢA的基序組成，DNA結(jié)合功能域由9個重復(fù)的鋅指組成，每個鋅指基序各由1個外顯子編碼。功能域加倍44中英聯(lián)合實驗室功能域或外顯子洗牌（domainshuffling/exonshuffling)：由不同基因中編碼不同結(jié)構(gòu)域的片段彼此連接形成的全新編碼序列。全新的結(jié)構(gòu)組合，可為細胞提供完全不同的生物學(xué)功能。45中英聯(lián)合實驗室指形模塊Kringle結(jié)構(gòu)纖連蛋白組織血纖維蛋白溶酶原激活因子表皮生長因子生長因子功能域組織血纖維蛋白溶酶原激活蛋白模塊功能域或外顯子洗牌使TPA刺激細胞增生使TPA與血纖維蛋白凝塊結(jié)合使TPA與血纖維蛋白結(jié)合，激活TPA血纖維蛋白酶原46中英聯(lián)合實驗室3、內(nèi)含子的起源3.1Ⅰ群、Ⅱ群和Ⅲ群內(nèi)含子的起源：大多數(shù)研究者都認為所有這3種可自我剪接的內(nèi)含子起源于RNA世界。3.2GU-AG內(nèi)含子的起源：