染色体重复与进化.doc

Chromosomalduplicationis a transient evolutionary solution to stress.Yona AH,Manor YS,Herbst RH,Romano GH,Mitchell A,Kupiec M,Pilpel Y,Dahan O./pubmed/23197825AbstractAneuploidy, an abnormal number of chromosomes, is a widespread phenomenon found in unicellulars such as yeast, as well as in plants and in mammalians, especially in cancer. Aneuploidy is agenome-scale aberration that imposes a severe burden on the cell, yet under stressful conditions specific aneuploidies confer a selective advantage. This dual nature of aneuploidy raises the question of whether it can serve as a stable and sustainable evolutionary adaptation. To clarify this, we conducted a set of laboratoryevolutionexperiments in yeast and followed the long-term dynamics of aneuploidy under diverse conditions. Here we show that chromosomal duplications are first acquired as a crude solution to stress, yet only as transient solutions that are eliminated and replaced by more efficient solutions obtained at the individual gene level. These transient dynamics of aneuploidy were repeatedly observed in our laboratoryevolutionexperiments; chromosomal duplications gained under stress were eliminated not only when the stress was relieved, but even if it persisted. Furthermore, when stress was applied gradually rather than abruptly, alternative solutions appear to have emerged, but not aneuploidy. Our findings indicate that chromosomalduplicationis a first evolutionary line of defense, that retains survivability under strong and abrupt selective pressures, yet it merely serves as a quick fix, whereas more refined and sustainable solutions take over. Thus, in the perspective ofgenomeevolutiontrajectory, aneuploidy is a useful yet short-lived intermediate that facilitates further adaptation.Keywords:evolutionary dynamics, environmental stress, heat tolerance, pH tolerance染色体重复与进化11应用生物教育A班 杨万坤 114120238摘要：随着染色体技术的不断发展，对染色体结构的研究不断发掘，这些研究结果被广泛地应用到遗传育种、遗传病理研究工作中，特别是对生物的染色体结构变异（重复）研究。重复是染色体结构变异中的一种，染色体重复在生物的遗传和进化中扮演着重要角色。关键字：重复，剂量效应，位置效应，进化前言：种群是生物进化的基本单位，生物进化的实质是种群基因频率的改变。那么什么会改变种群的基因频率呢？突变、基因重组、自然选择那么那些能引起基因频率发生改变染色体变异，染色体变异中有染色体结构变异（缺失、重复、倒位，异位）和染色体数目变异 ，那就让我们来分析下重复对进化的意义。 正文染色体结构变异最早是在果蝇中发现的。遗传学家在1917年发现染色体缺失,1919年发现染色体重复,1923年发现染色体易位,1926年发现染色体倒位。人们在果蝇幼虫唾腺染色体上,对各种染色体结构变异进行了详细的遗传学研究。染色体结构变异的发生是内因和外因共同作用的结果,外因有各种射线、化学药剂、温度的剧变等,内因有生物体内代谢过程的失调、衰老等。在这些因素的作用下, 染色体可能发生断裂,断裂端具有愈合与重接的能力。2当染色体在不同区段发生断裂后,在同一条染色体内或不同的染色体之间以不同的方式重接时,就会导致各种结构变异的出现。下文主要介绍染色体重复。 重复：染色体上增加了相同的某个区段而引起变异的现象,叫做重复。按照重复类型又可以分为同臂重复和异臂重复两大类。同臂重复（如图一）：重复的片段在同一条染色体臂上，又可以将它分为顺接重复和反接重复两种：顺接重复又称为串联重复（tandem duplication），串联重复的重复顺序所携带的遗传信息的顺序和方向和染色体上原有的相同；反接重复又被称为反序重复（reverse duplication），反序重复是指重复顺序所携带DNA顺序和原有的相反。异臂重复：在一个臂内重复了另一个臂内的一部分，称为异臂重复。.异位重复（displaced duplication）：重复的片段来自其它非同源染色体。在重复杂合体中，当同源染色体联会时，发生重复的染色体的重复区段形成一个拱形结构重复环，或者比正常染色体多出一段。 图一 图二那重复有是如何产生的呢？一般来说，重复产生的原因无外乎以下几种：（1）断裂-融合桥的形成：由于断裂而丢失了端粒的染色体可自我连接形成环状染色体，复制后若姐妹染色单体之间发生交换则在有丝分裂后期可以形成染色体桥。附着在纺锤丝上的着丝粒仍向两极移动导致桥的断裂，常常导致了染色体的重复和缺失。（2）染色体纽结：一对同源染色体中的一条若发生纽结和断裂可能会产生反接重复和缺失。（3）不等交换（如图二）：最好的证据是人类珠蛋结构异常的研究。前面已介绍人类血红蛋白由2条键和键构，在11号染色体上有-珠蛋白的基因家族。珠蛋白-连成一组。而有些地中海贫血的患者其珠蛋白的亚基中只有部分和部分组成（Lepore珠蛋白）或者只有部分的与部分的组成（Kenya珠蛋白），这些异常的血红蛋白可能是不等交换产生的。HbLepore是不等交换产生缺失的产物，必然还存在另一个相应的重复的产物，这就是反LeporeHbKenya发生的机制和HbLepore产生机制相同，因此尚未发现反-Kenya(anti-Kenya)，但将来总会发现的。以上例子有力地证明不等交换可导致染色体的缺失和重复。（4）非同源性重组：如噬菌体的特异性转导和转座都可以将一个DNA片段导入受体基因组的靶位点中，从而产生重复。植物的转座因子Ac，Ds系统转座时，Ds插入到新的位点，使得染色体增加了一个DNA片段。（5）易位的产物：位的结果使某一条染色体增加了一个片段，而导致了移位重复。在鉴别重复时可依据重复细胞的细胞学特，即同源染色体联会时可见重复环和染色体末端不配对而突出，但要注意到以下情况：重复区段较长时，在杂合体中重复区段的二价体会突出环或瘤，注意区分是重复环还是缺失环，例如：果蝇唾腺染色体体细胞联会时特别大，其中出现很多横纹带，可以作为鉴别缺失和重复的标志；当重复区段很短时很难观察到重复环；重复纯合体也观察不到重复环。图三：重复的形成机理伴随着染色体重复随之而来使生物体的形态生活发生了许多改变，我们称之为重复的遗传效应。1、重复的遗传效应扰乱了生物体本身基因固有的平衡体系，影响了个体的生活力，而这些又取决于重复区段基因数量的多少及其重要性，与缺失相比，有害性相对较小，但若重复区段过长，往往使个体致死。例如，人类的染色体由于不等交换，染色体经常发生重复，并且，同时产生缺失，从而引起包括（遗传性周围神经病）（）和遗传性神经病伴易患压力麻痹（）在内的许多疾病。中，上的一个区发生重复，并且，重复染色体上该区旁侧正向还多了一个；而中，这个区缺失。重复的结果使得超表达，进而引起；缺失使低表达，导致。的新生重复来自于父、母之一，而在中的缺失只来自于母方。染色体重复对生物的生育有着重大影响：重复杂合体一般败育，重复纯合体会产生“剂量效应(dosage effect)”。 由此染色体重复可用于育种方面，可用来固定杂种优势，对于一个杂合体A/a来说因为A，a会分离，所以是不能作为种子的，如果通过不等交换获得了顺式，那么就不会分离而可固定杂种优势，但此只能用于单基因控制的性状，而不能用于数量性状。2、重复引起表现型变异：（1）基因的剂量效应（如图四 剂量效应），（2）基因的位置效应（如图四 位置效应）。重复的剂量效应，总体上说，对于生物体而言，不论重复的区段是长还是短其危害程度均小于缺失。换句话说，生物体对重复的耐受性大于对缺失的耐受性。尽管如此，重复毕竟改变了生物进化过程中长期形成的遗传平衡，必然会带来相应的遗传效应。在重复纯合子中，由于不对称配对，会产生更多的重复。如果蝇 的眼睛为复眼，既由许多小眼睛组成。野生型果蝇为正常眼。基因型为（B/B)。在两条X染色体上分别有一个16A区段，小眼数目为779个。棒眼果蝇基因型为BB/B，在其中一条X染色体上分别有2个16A区段，小眼数目为356个。 当基因型为BB/BB,在两条X染色体上各有2个16A区段，小眼数目为68个。 但当基因行为BBB/B，在其中一条上边有三个16A区段，小眼数目减少为45个。重复的位置效应。重复区段的位置不同，表现型的效应不同。细胞内某基因出现次数越多，表现型效应越显著（如图五），例如果蝇的棒眼，果蝇中朱红眼V+对红眼V为显性，V+ / V 型表现为朱红眼, V+ / VV型， V为多重复一份，则表现为红眼。重剂量效应 位置效应图四 B/B BB/B BB/BB图五复的位置效应，基因的表现型应因其所在的染色体不同位置而有一定程度的改变，如果蝇眼面大小遗传的位置效应，重复区段的位置不同，表现效应也不同（如图六），这就是所谓的位置效应。位置效应（positioneffect）：一个基因随着染色体畸变而改变它和邻近基因的位置关系，从而改变了表型效应的现象称位置效应。此可能是随着位置的改变也改变了和5端调控元件的关系和距离，从而影响了基因的表达。从表型效应的稳定性来看，可把位置效应分为两类，一类叫做稳定位置效应（stablepositioneffect），又称为S型位置效应。如果蝇的棒眼（Bar）基因B位于16区A段（如图六），在正常情况下没有发生重复，果蝇的复眼由779个小眼组成。呈椭圆形，但16A区发生重复时复眼中的小眼数随之减少，复眼呈长形，故称为棒眼。16A重复的次数和排裂方式有规律地影响着棒眼的程度。棒眼基因的重复引起的位置效应是稳定的，属于S型位置效应。另一种位置效应是不稳定的，称为花斑位置效应（variegatedpositioneffect），也称为V型位置效应，常由易位而引起。当然也可以通过重复可以研究位置效应；在细胞学研究中可以通过重复来给某一染色体进行标记，如1931年两组所做的证实染色体交换实验都利用移位重复片段作为标记。正常眼棒眼纯合棒眼纯合重棒眼重棒眼780358694525图六众所周知，生物进化的实质是种群基因频率的改变，那么染色体重复又是如何改变基因频率的呢？染色体重复就是染色体上的某一段DNA重复，DNA是基因的载体，当某段DNA重复，就会引起该染色体上的基因发生改变，基因频率也随之改变。如果基因在细胞或个体中既有重复又有缺失，总的基因组是平衡的话，除染色体重排引起的效应外，个体表型是正常的。但就整个的基因组而言若总量因重复而增加，那么某些基因及其产物的剂量也随之增加，如果这些基因或产物是重要的能表达的必然会引起表型异常。基因重复对个体生活影响不大或无影响，但在进化上可能有重要作用。重复是进化中一种重要的途径，生物从简单到复杂的进化最根本的是基因组DNA含量的增加和新基因的产生，而重复是增加基因组含量和新基因的途径，并使之有新的功能。如染色体上的端粒，端粒序列(telomeric sequence, TEL) , 不同生物的端粒序列都很相似，由长5-10bp的重复单位串联而成(如草履虫的端粒序列为TTGGGG，锥虫的端粒序列为TAGGG)。端粒是存在于染色体末端的特化部位。通常由一简单重复的序列组成,进化上高度保守。可以保护染色体末端不被降解，并防止与其它染色体的末端融合。 正常染色体每复制一次,端粒序列减少50-100个bp,因而端粒也被称为细胞的生命钟,当端粒缩短到一定程度，即是细胞衰老的标志。同样着丝粒的着丝粒序列(centromereDNAsequence,CEN) ：由串联重复序列组成，含有11个高度保守的碱基序列： -TGATTTCCGAA-，其功能是形成着丝粒，使细胞分裂中染色体能够准确地分离。重复对生物的进化有重要作用，重复是进化中一种重要的途径，生物从简单到复杂的进化最根本的是基因组DNA含量的增加和新基因的产生，而重复是增加基因组含量和新基因的唯一途径（比较有名的例子是珠蛋白的进化和乳酸脱氧酶（HLA）同工酶的进化）。因为重复序列包括多个相同基因，这些 “多余的基因可能向多个方向突变,而不致于损害细胞和个体的正常机能。突变的最终结果,有可能使“多余的基因成为一个能执行新功能的新基因,从而为生物适应新环境提供了机会。因此,在遗传学上往往把重复看做是新基因的一个重要来源。染色体重复即染色体上某一DNA片段的重复，也就是说是该片段里的所有基因发生了倍增（基因重复）。最先注意到基因重复在进化中的重要性的是霍尔丹（Haldane,1932） 和马勒(Muller,1935) 他们认为 一个基因的多余复本也许能发生引起岐化的突变 因而最终将会以一个新基因的形式出现 ，大野（Ohno,1970）以分子的生物化学的和细胞学的证据为凭 把这种看法引向了极端主张基因重复是唯一能引起新基因产生的途径，现在已经知道还有一些别的产生新功能的方式，但大野的观点在很大程度上还是成立的。大野（Ohno,1970）.特别地全基因组重复或它的某一主要部分， 如一条染色体的重复可能会造成基因组大小突然而极大的增长 ，基因组重复事件曾在各种不同的生物类群的进化中反复地被记录到 ，而在植物 真骨鱼类和两栖类中最为突出。我们都知道基因簇(Gene cluster) 少则可以是由重复产生的两个相邻相关基因所组成，多则可以是几百个相同基因串联排列而成。当基因产物的需求量很大时，一个基因可以产生大量的串联重复。rRNA 基因和组蛋白基因就是这种情况。基因倍增有两种模式：串联基因倍增和大规模基因倍增。基因倍增是指DNA 片段在基因组中复制出一个或更多的拷贝，这种DNA 片段可以是一小段基因组序列、整条染色体，甚至是整个基因组。串联基因倍增是DNA分子复制出一个或多个邻近拷贝的过程，其通过高频率的基因产生和死亡实现基因家族的进化.大规模基因倍增是染色体中大片段基因组倍增，甚至全基因组倍增，其发生频率较低，且倍增基因通常大量流失，存留下来的倍增基因积聚突变或者获得新的功能，或者退化成没有功能的假基因。基因倍增是基因组进化最主要的驱动力之一，是产生具有新功能的基因和进化出新物种的主要原因之一.重复序列是在一个基因中，可以看成是基因串联倍增的结果，不只是单个外显子中基因。复制一直被认为是基因亚功能化和新功能化的一个主要物质基础，且定位在基因组不同位置的重复基因，其进化模式各异。在黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）中已发现，X染色体上的重复基因比常染色体上的重复基因进化快，但目前并不清楚这个现象是否普遍适用于其它物种。通过分析与XY性别决定系统相反的ZW系统（异配型雌性）的模式生物家鸡基因组范围内的所有重复基因，通过PAML序列分析软件和Affymetrix家鸡表达芯片实验，比较性染色体和常染色体上重复基因的序列差异和表达差异，得出如下结论：与果蝇相似，家鸡中性染色体（Z）上的重复基因确实比常染色体上的重复基因进化快，表现出