從分子水平看演化

組員：孟小川、潘藝華從分子水平看演化大分子起源比較基因組學(xué)病毒物種演化的分子機(jī)制大分子起源模式小分子無機(jī)物（無氧的還原性氣體如甲烷、氨、氫氣、水等）小分子有機(jī)物（如核苷酸、氨基酸等）高分子有機(jī)物（如蛋白質(zhì)、核酸等）在原始海洋中彼此作用冷凝匯流成海洋，在紫外光、雷電、宇宙射線等能量作用下原始的生命起源和發(fā)展需要經(jīng)過兩個階段：化學(xué)進(jìn)化與生物進(jìn)化。生命起源的最早階段是化學(xué)進(jìn)化，化學(xué)進(jìn)化過程可分為4個連續(xù)的階段。1.有機(jī)小分子的非生物合成-有機(jī)小分子的非生物合成。在生命出現(xiàn)之前，無機(jī)小分子怎樣合成氨基酸、核苷酸、單糖分子的呢？一、大分子起源蘇聯(lián)生物學(xué)家奧巴林和英國遺傳學(xué)家霍爾丹分別提出了生命起源于原始蛋白質(zhì)聚集形成的團(tuán)聚體或地表溫水池的“原始湯”的假說。他們認(rèn)為這些有機(jī)小分子是由遠(yuǎn)古大氣層中的NH3、H2S、CH4以及水蒸氣等還原性氣體，在強(qiáng)烈的紫外線和宇宙射線輻射或閃電、火山口噴發(fā)的局部高溫等高能作用下反應(yīng)產(chǎn)物。根據(jù)這些設(shè)想，人們模擬原始地球環(huán)境條件成功地進(jìn)行了多種非生物有機(jī)合成模擬試驗，獲得包挎20種氨基酸、核糖、脫氧核糖、脂肪酸和核苷酸甚至ATP等。生命的主要物質(zhì)基礎(chǔ)是蛋白質(zhì)與核酸，生命出現(xiàn)之前的有機(jī)小分子都匯集到原始海洋中。有學(xué)者模擬原始地球形成時的條件，將混合的氨基酸倒入160-200℃的熱沙?；驘嵴惩林校芤褐械乃魵庹舭l(fā)，氨基酸濃縮，再經(jīng)0.5-3h后，混合氨基酸形成了類蛋白。2.生物大分子的非生物合成單核苷酸高溫加熱也可以聚合成多聚核苷酸。由此推測溶解在原始海洋中的氨基酸和核苷酸經(jīng)過長期的積累與濃縮，波濤或大雨可將有機(jī)單體分子飛濺到新生的巖漿或滾燙的石塊上，從而發(fā)生這種聚合。蛋白起源學(xué)說：奧巴林和福克斯根據(jù)實驗分別提出了團(tuán)聚體學(xué)說和微球體學(xué)說。奧巴林等將多肽、蛋白質(zhì)、核酸、多糖、溶質(zhì)的溶液搖晃混合后，發(fā)現(xiàn)在膠體溶液中的大分子凝聚形成直徑約1-500μm的團(tuán)聚體小滴。“團(tuán)聚體小滴”具有原始代謝的特性，能從周圍介質(zhì)中吸取不同物質(zhì)，是團(tuán)聚體的總體積或總量增大，到一定程度還“出芽”分出小團(tuán)聚體。3.非細(xì)胞形態(tài)原始生命的起源有兩種學(xué)說核酸起源說：起源于RNA分子，RNA具有酶的功能，在RNA分子剪切過程中起催化作用。無蛋白質(zhì)參與情況下，RNA能合成寡聚核苷酸；蛋白質(zhì)合成后，逐漸取代了RNA的生物催化功能，現(xiàn)在只有部分RNA具有酶的功能。實驗也證實核苷酸單體在粘土表面可以形成短鏈RNA，新形成的RNA短鏈還可以與原始RNA互補(bǔ)配對。有了能自我復(fù)制的RNA和蛋白質(zhì)分子還不能成為原始細(xì)胞，這種有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的核酸和蛋白質(zhì)首先必須稱為相互依賴，互相調(diào)控的多分子體系，方能稱為有生命的細(xì)胞。早起的類似細(xì)胞的實體可能存在著膜包圍的RNA-多肽。通過自然選擇這類能夠生長、復(fù)制、具有原始代謝能力、由膜包裹的DNA-RNA-蛋白質(zhì)體系，會因為有更高的選擇效率而被保留下來，經(jīng)過逐漸進(jìn)化形成第一個細(xì)胞。4.原始細(xì)胞起源比較基因組學(xué)是一門通過運用數(shù)理理論和相應(yīng)計算機(jī)程序，對不同物種的基因組進(jìn)行比較分析來研究基因組大小和基因數(shù)量、基因排列順序、編碼序列與非編碼序列的長度、數(shù)量及特征以及物種進(jìn)化關(guān)系等生物學(xué)問題的學(xué)科。二、比較基因組學(xué)比較基因組學(xué)研究基因的結(jié)構(gòu)與功能研究物種進(jìn)化揭示疾病分子機(jī)子研究基因表達(dá)機(jī)制比較基因組學(xué)應(yīng)用

揭示非編碼序列發(fā)現(xiàn)新基因發(fā)現(xiàn)功能性snp闡述物種間的進(jìn)化史闡述人類疾病過程的分子機(jī)制病毒（virus)是一類個體微小，結(jié)構(gòu)簡單，只含單一核酸（DNA/RNA），必須在活細(xì)胞內(nèi)寄生并以復(fù)制方式增殖的非細(xì)胞型微生物?！皏irus”一詞源于拉丁文。原指一種動物來源的毒素。病毒能增殖、遺傳和演化，因而具有生命最基本的特征。三、病毒①形體極其微小，一般都能通過細(xì)菌濾器，須電子顯微鏡才能觀察到。②無細(xì)胞構(gòu)造，主要成分為核酸和蛋白質(zhì)兩種，亦稱“分子生物”③只含一種核酸，DNA或RNA。④既無產(chǎn)酶系，也無蛋白質(zhì)和核酸合成酶系，只能利用宿主活細(xì)胞內(nèi)現(xiàn)成代謝系統(tǒng)合成自身的核酸和蛋白質(zhì)成分。⑤以核酸和蛋白質(zhì)等“元件”的裝配實現(xiàn)其大量繁殖。⑥在離體條件下，能以無生命的生物大分子狀態(tài)存在，并長期保持其侵染活力。⑦對一般抗生素不敏感，但對干擾素敏感。⑧有些病毒的核酸還能整合到宿主的基因組中，并誘發(fā)潛伏性感染。其主要特點病毒的分類遺傳物質(zhì)分病毒結(jié)構(gòu)分DNA病毒RNA病毒蛋白質(zhì)病毒真病毒（Euvirus)亞病毒（Subvirus，包括類病毒、擬病毒、朊病毒）寄主類型分類：性質(zhì)來分：噬菌體（細(xì)菌病毒）、植物病毒（如煙草花葉病毒）、動物病毒（如禽流感病毒、天花病毒HIV等）溫和病毒（HIV）、烈性病毒（狂犬病毒）。培養(yǎng)和檢測肉湯培養(yǎng)物除菌過濾噬菌體易感細(xì)菌挑取單個透明斑瓊脂平皿粗制噬菌體過量細(xì)菌病毒培養(yǎng)和檢測方法中常用到小鼠和雞胚接種、組織培養(yǎng)、超速離心、凝膠電泳、電子顯微鏡和免疫測定等技術(shù)。動物病毒的培養(yǎng)可在自然宿主、實驗動物、雞胚或細(xì)胞培養(yǎng)中進(jìn)行，以死亡、發(fā)病或病變等作為病毒繁殖的直接指標(biāo)，或以血細(xì)胞凝集、抗原測定等作為間接指標(biāo)。測定活病毒數(shù)量可采用空斑法，其原理與噬斑法相同，但以易感的動物單層細(xì)胞代替細(xì)菌，在接種適當(dāng)稀釋的病毒后，用含有培養(yǎng)液和中性紅的瓊脂覆蓋，使病毒感染局限在小面積內(nèi)形成病變區(qū)，襯底的健康細(xì)胞被中性紅染成紅色，病變區(qū)不染色而顯示為空斑。四、物種演化的分子機(jī)制物種進(jìn)化實質(zhì)染色體的缺失、增加從其他物種中獲得基因組的分子進(jìn)化基因大小進(jìn)化染色體結(jié)構(gòu)變化基因突變?nèi)旧w缺失了一個片段，使之位于該片段之上的基因也隨之丟失，在聯(lián)會時，正常的同源染色體就可能出現(xiàn)拱起的環(huán)狀結(jié)構(gòu)——缺失環(huán)。缺失可能造成基因的假顯性。4.1染色體缺失染色體數(shù)目整倍或者非整倍地增加，使得物種原有染色體數(shù)目增加，而改變物種生物性狀。例如，利用秋水仙素處理二倍體西瓜可得到四倍體西瓜，二倍體西瓜與四倍體西瓜雜交可產(chǎn)生三倍體西瓜（不可育）這三種品質(zhì)的西瓜無論是在根、莖、葉性狀，還是在產(chǎn)量和品質(zhì)等性狀上均不同。4.2染色體增加不同物種雜交產(chǎn)生的雜種后代經(jīng)過染色體加倍形成多倍體，稱異源多倍體。常見的多倍體植物大多數(shù)屬于異源多倍體，例如，小麥、燕麥、棉、煙草、蘋果、梨、櫻桃、菊、水仙、郁金香等。多倍體在動物界極少發(fā)生，在植物界卻相當(dāng)普遍。很多植物種都是通過多倍體途徑而產(chǎn)生的。約33%的物種是多倍體。4.3從其他物種獲得染色體結(jié)構(gòu)變化使之位于該染色體上的基因也發(fā)生變化，產(chǎn)生新的基因型，通過自然選擇就有可能產(chǎn)生新物種。重復(fù)：染色體某一片段在同一染色體上重復(fù)出現(xiàn)。倒位：染色體上同時出現(xiàn)兩處斷裂，中央染色體片段倒轉(zhuǎn)180°重新連接，隨之這一片段上的基因排列順序發(fā)生倒轉(zhuǎn)。異位：染色體的斷裂片段接到非同源染色體上，非同源染色體之間相互交換染色體片段，造成染色體之間基因的重排。4.4染色體結(jié)構(gòu)變化基因突變是另一個產(chǎn)生遺傳變異的重要過程，是生物進(jìn)化的源泉?；蛲蛔兎譃閮煞N類型：轉(zhuǎn)換和顛換。轉(zhuǎn)換：替換發(fā)生在同類堿基之間，即一種嘌呤替換另一種嘌呤，一種嘧啶替換另一種嘧啶。顛換：不同類型堿基之間的替換，即嘌呤被嘧啶替換，或是相反。4.5基因突