基因組進(jìn)化模式

關(guān)于基因組進(jìn)化模式基因組的進(jìn)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(jìn)化

COLLEGEOFLIFESCIENCE第2頁(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天基因組進(jìn)化

起源進(jìn)化基因組進(jìn)化生命的起源基因組起源

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

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

COLLEGEOFLIFESCIENCE第5頁(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天“生命的起源自然發(fā)生說(shuō)”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(yè),共52頁(yè)，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(guò)程，生物大分子是如何從隨機(jī)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(yè),共52頁(yè)，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(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天特點(diǎn)：（1）新鏈自發(fā)聚合（2）堿基配對(duì)不嚴(yán)謹(jǐn)，錯(cuò)配較多。

COLLEGEOFLIFESCIENCE最初的生化系統(tǒng)可能以RNA為核心第9頁(yè),共52頁(yè)，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(diǎn)：

能自我復(fù)制并指導(dǎo)簡(jiǎn)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(jìn)行，形成最初的細(xì)胞樣結(jié)構(gòu)。

COLLEGEOFLIFESCIENCE第10頁(yè),共52頁(yè)，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(duì)區(qū)段有較強(qiáng)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(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天編碼RNA的兩種進(jìn)化可能A.核酶可能進(jìn)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(yè),共52頁(yè)，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(tuán)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(tuán)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(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天RNA基因組向DNA基因組的進(jìn)化DNA基因組：穩(wěn)定雙鏈

COLLEGEOFLIFESCIENCE第14頁(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天RNADNA世界過(guò)渡過(guò)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(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天基因組的進(jìn)化模式

—新基因的獲得

COLLEGEOFLIFESCIENCE第16頁(yè),共52頁(yè)，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(shí)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(dòng)物~40000（寒武紀(jì)末）

COLLEGEOFLIFESCIENCE第17頁(yè),共52頁(yè)，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(yè),共52頁(yè)，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(guò)1-3完成：整個(gè)基因組（同源、異源多倍體—脊椎有？）；單條/部分染色體；單個(gè)/成群基因（多見(jiàn)，如：多基因家族）。

COLLEGEOFLIFESCIENCE第19頁(yè),共52頁(yè)，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(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天SyntenyinSaccharomycescerevisiae(Wolfe＆Shield1997)

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

Unequalcrossingover:recombinationbetweenregionssituatedatdifferentplacesonapairofhomologouschromosomes

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

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

COLLEGEOFLIFESCIENCE第24頁(yè),共52頁(yè)，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(jìn)化過(guò)程中的基因復(fù)制

COLLEGEOFLIFESCIENCE第25頁(yè),共52頁(yè)，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(shí)，可形成一個(gè)全新的功能域，具有新的功能，為細(xì)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(guò)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(zhǎng)?？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(shí)現(xiàn)第26頁(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天

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

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

功能域重排有何利用價(jià)值？體外蛋白質(zhì)進(jìn)化(Coco，2001)

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

COLLEGEOFLIFESCIENCE第30頁(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天功能域重排的應(yīng)用實(shí)例：頭孢菌素酶可使細(xì)菌對(duì)抗生素艾內(nèi)酰胺產(chǎn)生抗性。含有頭孢菌素酶基因的細(xì)菌通常能夠忍受培養(yǎng)基中0.75ug/ml的艾內(nèi)酰胺。以來(lái)自四種細(xì)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?yàn)槌霭l(fā)基因，酶基因的重排。其中效力最高的可對(duì)200ug/ml艾內(nèi)酰胺產(chǎn)生抗性,是原值的250倍。證明：通過(guò)定向進(jìn)化可以顯著改變酶的活性。

COLLEGEOFLIFESCIENCE第31頁(yè),共52頁(yè)，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(guò)多倍化獲得新基因。通常形成異源多倍體的兩個(gè)物種關(guān)系密切，許多基因是共有的。但每個(gè)親本都擁有一些對(duì)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(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天動(dòng)物的種間基因轉(zhuǎn)移：

動(dòng)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(xì)菌或真細(xì)菌序列相關(guān)的特點(diǎn)，但這被認(rèn)為是反映了真核細(xì)胞的內(nèi)共生起源而不是在進(jìn)化的較晚期獲得基因。但是，有證據(jù)表明，細(xì)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(dòng)物種間的基因轉(zhuǎn)移中起關(guān)鍵作用。

COLLEGEOFLIFESCIENCE第33頁(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天XiaofangXieCollegeofLifeScienceFujianAgricultureandForestryUniversityE-mail:xxf317@非編碼DNA與基因組的進(jìn)化第34頁(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天1、非編碼DNA的擴(kuò)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(duì)非編碼順序的進(jìn)化及其對(duì)基因組結(jié)構(gòu)和表達(dá)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(jìn)化。

COLLEGEOFLIFESCIENCE第35頁(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天非編碼DNA的作用觀點(diǎn)一：非編碼DNA具有某種尚未識(shí)別的功能；例如哺乳動(dòng)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(dòng)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(diǎn)二：大多數(shù)非編碼DNA實(shí)際上并無(wú)功能,基因組之所以能容忍其存在是因?yàn)檫x擇壓力并不作用于它們。

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

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

轉(zhuǎn)座因子對(duì)基因組的整體進(jìn)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(huì)帶來(lái)某些益處例如有一對(duì)LINE-1因子在大約3500萬(wàn)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(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天（2）、改變基因的表達(dá)模式當(dāng)轉(zhuǎn)座的位點(diǎn)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(dá)。（3）、轉(zhuǎn)座因子中的啟動(dòng)子和增強(qiáng)子會(huì)對(duì)鄰近基因的表達(dá)調(diào)控產(chǎn)生影響，使鄰近基因的表達(dá)完全從屬于由轉(zhuǎn)座因子所確定的模式(McDonad，1995)

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

例：老鼠sep基因。

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

COLLEGEOFLIFESCIENCE第40頁(yè),共52頁(yè)，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(guò)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(kuò)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(yè),共52頁(yè)，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(jì)70年代

COLLEGEOFLIFESCIENCE第42頁(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天研究的熱點(diǎn)：內(nèi)含子起源（1）I群、Ⅱ群和Ⅲ群內(nèi)含子多數(shù)人都認(rèn)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(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天

內(nèi)含子起源的主要假說(shuō)：

（1）“內(nèi)含子早起源”假說(shuō)(intronearly)

內(nèi)含子在生命起源的早期即已存在，它們?cè)谡婧松锏倪M(jìn)化中逐步丟失。

（2）“內(nèi)含子晚起源”假說(shuō)(intronlate)

內(nèi)含子起源只是生命進(jìn)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(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天

“內(nèi)含子早起源”假說(shuō)：假說(shuō)的依據(jù)：

GT-AG內(nèi)含子與Ⅱ型內(nèi)含子相似，因此，認(rèn)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(jìn)化的早期階段內(nèi)含子會(huì)從細(xì)菌基因組中丟失以及如何丟失。

薄弱點(diǎn)：內(nèi)含子丟失時(shí)破壞基因功能的可能性很高。

COLLEGEOFLIFESCIENCE第45頁(yè),共52頁(yè)，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(yè),共52頁(yè)，2024年2月25日，星期天

“內(nèi)含子晚起源”假說(shuō)認(rèn)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(lái)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(kuò)散。

假說(shuō)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(rèn)為可能Ⅱ型內(nèi)含子從細(xì)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(jiàn)到的GT-AG內(nèi)含子模式。

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

（1）對(duì)于“內(nèi)含子早起源”假說(shuō)：來(lái)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?yàn)檫@些基因都來(lái)自具有內(nèi)含子的祖先基因。支持“內(nèi)含子早起源”假說(shuō)的早期證據(jù)來(lái)自動(dòng)植物丙糖磷酸異構(gòu)酶(triosephosphareisomerase)的4個(gè)內(nèi)含子的分析