基因组进化模式

1、关于基因组进化的模式第1页，共52页，2022年，5月20日，8点19分，星期四生物进化树变形虫古细菌真细菌鞭毛虫草履虫粘液菌接合菌担子菌子囊菌褐藻红藻绿藻裸子植物苔藓双子叶植物海绵体棘皮动物线虫环节动物节肢动物脊椎动物软体动物扁形动物原口动物单子叶植物真菌植物动物原核生物原生生物原始脊索动物生物的进化图示第2页，共52页，2022年，5月20日，8点19分，星期四分子水平分子生物学细胞水平DNA的进化单细胞多细胞细胞分化蛋白质的进化第3页，共52页，2022年，5月20日，8点19分，星期四生命史的三大阶段前生命的化学进化阶段：完整细胞的形成标志着这一阶段的结束生物学进化阶段文化进化与生物学

2、进化并行和相互制约阶段第4页，共52页，2022年，5月20日，8点19分，星期四原始气体冷凝汇流成海洋火山爆发和闪电的能量使气体合成简单有机物溅到岩石上的氨基酸聚合成肽链又重新回到水中各种大分子进化成原核细胞和真核细胞生命起源模式第5页，共52页，2022年，5月20日，8点19分，星期四含生命化石的最古老的岩石叠层石第6页，共52页，2022年，5月20日，8点19分，星期四一、遗传系统的起源蛋白质起源说核酸起源说第7页，共52页，2022年，5月20日，8点19分，星期四蛋白质起源说三种非细胞生命形式Prions病毒类病毒由于非细胞生命的存在，所以不能排除在地球早期化学进化阶段有过非细胞

3、的“大分子状态”的生命形式的可能性第8页，共52页，2022年，5月20日，8点19分，星期四奥巴林的团聚体 (coacervate)假说（1924）：用蛋白质（白明胶）和多糖（阿拉伯胶）混合得到团聚体 福克斯用类蛋白质加热得到微球体S. Miller (1953)的模拟实验澳大利亚陨石中发现(1959)氨基酸、嘧啶和脂肪酸第9页，共52页，2022年，5月20日，8点19分，星期四米勒及其实验（1953 和1991）第10页，共52页，2022年，5月20日，8点19分，星期四 用电击提供能量，从简单小分子可得到复杂大分子。第11页，共52页，2022年，5月20日，8点19分，星期四生物分

4、子形成的传统理论？第12页，共52页，2022年，5月20日，8点19分，星期四核酸起源说遗传学家Muller（20年代）提出“裸基因说”（naked gene theory）：生命发生从基因开始；T.Cech（80年代）发现四膜虫PrerRNA切下的内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）发现硅酸盐介导DNA合成的现象H.F.Noller（1992）发现纯化的rRNA有催化肽链合成的功能第13页，共52页，2022年，5月20日，8点19分，星期四 不论那种学说和支持它们的实验，都有两个问题没有解决：无法模拟最初原始的环境无法直接得到生命

5、有待于进一步的研究第14页，共52页，2022年，5月20日，8点19分，星期四1.1 RNA世界假说“RNA世界” 假说 RNA是生命初期最关键的分子，后来当DNA和蛋白质的功能远远超过最初RNA的作用时，它才退到了次要地位。 支持的证据： 核酶的发现：自我剪接催化切断其他RNA催化肽键形成催化核苷酸合成1.遗传系统的起源第15页，共52页，2022年，5月20日，8点19分，星期四The Nobel Prize in Chemistry 1989Sidney AltmanThomas R. Cech1/2 of the prize1/2 of the prizeCanada and USA

6、USAYale University New Haven, CT, USAUniversity of Colorado Boulder, CO, USAb. 1939b. 1947for their discovery of catalytic properties of RNA第16页，共52页，2022年，5月20日，8点19分，星期四RNA World hypothesis 1986，诺贝尔化学奖（ 1981）获得者 W. Gilbert提出“RNA世界”假说： “生命起源 之某时期，生命体仅由一种高分子化合物RNA组成。遗传信息传递建立于RNA的复制，复制机理与当今DNA复制机理相似，

7、作为生物催化剂的、由基因编码的蛋白质还不存在”。The RNA World, Nature 319: 618 第17页，共52页，2022年，5月20日，8点19分，星期四DNA拷贝出单链RNA，然后RNA被折叠成复杂的形状 。第18页，共52页，2022年，5月20日，8点19分，星期四RNA的特性 2羟基化学性质较DNA活跃，易突变，携带遗传信息能力不如DNA；组成没有蛋白质复杂不如蛋白质结构多样，功能分子作用不如蛋白质；唯一既能携带遗传信息又可为功能分子的生物高分子化合物。第19页，共52页，2022年，5月20日，8点19分，星期四初始RNA分子新互补拷贝自发多聚体化初始模板核苷酸早期

8、RNA世界RNA分子的拷贝 在RNA多聚酶进化之前，与RNA模板结合的核糖核酸能自发地聚合。这一过程很不精确，但可产生许多RNA序列。第20页，共52页，2022年，5月20日，8点19分，星期四中英联合实验室21第21页，共52页，2022年，5月20日，8点19分，星期四1.2 基因组的起源RNA功能的分裂： 蛋白质和RNA酶活的表现有何差异？ DNA和RNA相比作为遗传物质的优势？第22页，共52页，2022年，5月20日，8点19分，星期四编码RNA分子转变为第一个DNA分子第一个拷贝的DNA分子第一个拷贝的DNA分子 核苷酸 脱氧核糖核苷酸T A C T 还原 dA dC dG G

9、T A C dT dC dAT C G dC dG dARNA拷贝DNARNA第23页，共52页，2022年，5月20日，8点19分，星期四RNA世界向DNA世界的过渡可以概括为：地球上最早出现的生物大分子为RNA，RNA同时具有催化与编码两种功能。RNA可以催化肽键形成并合成蛋白质，此后RNA与蛋白质联手以RNA为模板合成DNA。这是一个关键的转变时期，生命世界的三大主要多聚分子，RNA、蛋白质和DNA的分工基本定形：RNA的编码功能由DNA取代，催化功能转移到蛋白质，RNA自身则称为传达遗传信息的中介分子。第24页，共52页，2022年，5月20日，8点19分，星期四1.3 生命三界真细菌

10、古细菌真核生物共同祖先古细菌的特点:翻译和转录与真核生物相似，代谢系统与真细菌相似第25页，共52页，2022年，5月20日，8点19分，星期四内共生假说 具有吞噬能力的细胞先后吞并了几种原核细胞（细菌和蓝藻），由于后者没有被吞噬细胞所分解消化，反而从寄生过渡到共生，并成为宿主细胞的细胞器，如喜氧细菌成为线粒体，蓝藻成为叶绿体。第26页，共52页，2022年，5月20日，8点19分，星期四二、基因组进化35亿年前原核生物（细胞结构）14亿年前真核生物9亿年前多细胞生物6亿年前多细胞动物3.5亿年前动物和植物类群确立4000万年第一个类人猿诞生5000个基因10000个基因20000个基因第27

11、页，共52页，2022年，5月20日，8点19分，星期四基因结构和功能的进化、新基因的起源基因与基因组加倍外显子和结构域洗牌 19%真核生物逆转录及其随后的趋异和重排外源基因水平转移基因裂变和融合 0.5%原核生物非编码序列转化为编码序列第28页，共52页，2022年，5月20日，8点19分，星期四2.1 基因与基因组加倍整个基因组加倍： 增加基因组数目最快方式单个或成群基因加倍单条或部分染色体加倍三体（trisomy），某染色体多出1个成员生长与发育造成严重影响，人类的唐氏综合症第29页，共52页，2022年，5月20日，8点19分，星期四全套基因组的加倍 使基因数目急剧增加同源多倍体：减数

12、分裂发生差错时使配子体含2套染色体（双倍体配子），融合产生同源多倍体第30页，共52页，2022年，5月20日，8点19分，星期四重复基因持续丢失突变不会对存活力造成严重影响突变往往会造成基因的失活，成为假基因偶而有一些突变会使加倍的基因具有新的功能，对生物进化有所贡献不直接导致基因扩张，提供了产生新基因的可能第31页，共52页，2022年，5月20日，8点19分，星期四基因组重复所具备的特别标志成片的重复基因基因排列的顺序相同进行同源性分析：氨基酸序列至少要有25%的一致性确定它们在基因组中的位置寻找重复基因群如何确定这些重复是单个基因加倍 or 整个基因组的重复？第32页，共52页，202

13、2年，5月20日，8点19分，星期四从酵母基因组中鉴定了376对基因组成55个重复基因群每个重复基因群至少有3个基因排列次序相同重复区域跨越了50%的基因组通过系统发生学分析、采用分子钟推测成对序列差别的程度，表明加倍发生于1亿年前酵母基因组在1亿年前经历了1次完全的加倍第33页，共52页，2022年，5月20日，8点19分，星期四植物基因组中的异源多倍体植物中新的基因亦可通过多倍体化获取（同源多倍体与异源多倍体）2个不同物种之间杂交产生的异源多倍体，也能产生可育杂种亲缘上非常近似，含有许多共有的基因基因组加倍和种间基因转移的结合酵母和植物中发现基因组加倍脊椎动物是否出现过全基因组的加倍？第3

14、4页，共52页，2022年，5月20日，8点19分，星期四山羊草属的拟斯卑尔脱山羊草组植物Species in Sitopsis section of Aegilops(SS)乌拉尔图小麦T.urartu(AA)野生二粒小麦T. dicoccoides (AABB)粗山羊草Ae. tauschii(DD)斯卑尔脱小麦T. spelta(AABBDD)栽培二粒小麦T. dicoccum(AABB)面包小麦T. aetivum(AABBDD)第35页，共52页，2022年，5月20日，8点19分，星期四单个基因以及基因群加倍 在进化过程中经常出现多基因家族，同一家族的不同成员最后均可追溯到最初的古

15、老基因组的某一祖先基因单个基因以及染色体区段加倍在进化过程中经常出现第36页，共52页，2022年，5月20日，8点19分，星期四加倍机制 不等交换同源染色体不等交换：位于同源染色体不同位置的相似核苷酸序列之间发生的重组事件姐妹染色体之间的不等交换：与上述机制相同，只是发生在同一染色体的1对姐妹染色单体之间DNA放大：复制泡内2条子链DNA之间发生不等交换，使1条链某一段序列加倍第37页，共52页，2022年，5月20日，8点19分，星期四重复序列同源染色体配对重复C.DNA放大B.姐妹染色体之间的不等交换A.不等交换复制叉第38页，共52页，2022年，5月20日，8点19分，星期四某些基因

16、重复并不产生多样性由相同或几乎相同的基因成员组成rRNA，爪蟾500拷贝，序列完全相同阻止突变的累积，避免多样性的产生人类Y染色体中25%的区段有重复发生，集中在中部和端部。1KB以上的重复序列是13.7%第39页，共52页，2022年，5月20日，8点19分，星期四基因与基因组的加倍是一个动态过程重复基因出现后最初数百万年，温和选择压力下氨基酸代换速率45%，蛋白质创新严格的自然选择期，氨基酸代换速率5%5000万年内，90%的重复拷贝被淘汰基因冗余：进化对保留的冗余基因类型是有选择性的第40页，共52页，2022年，5月20日，8点19分，星期四2.2 基因重排具创新功能的蛋白质更多是通过

17、现有基因的重排产生，功能域区段重排。第41页，共52页，2022年，5月20日，8点19分，星期四中英联合实验室42外显子的特点：1、外显子形成的多肽链独立结构域2、内含子的位置通常在两个相连的独立结构或功能的多肽链编码序列之间3、与独立空间构型相关的氢键或者二硫键主要出现在外显子编码的多肽链内部4、蛋白质中重复的多肽链产物总是和重复的结构功能相对应5、非同源序列中，同源的外显子多肽链产物具有相似的多肽结构和功能。第42页，共52页，2022年，5月20日，8点19分，星期四功能域加倍：编码结构域的基因区段可因不等交换、滑序复制或其他引起DNA序列重复的方法增加拷贝。加倍的结构域也可能发生突变

18、，为蛋白质提供新的活性。功能域加倍增加基因长度，基因组进化的普遍特点第43页，共52页，2022年，5月20日，8点19分，星期四CysAspPheLeuHisCys YHisZnCysAspPheLeuHisCys YHisZnNC987654321 Pol 基因转录因子TFA的基序组成，DNA结合功能域由9个重复的锌指组成，每个锌指基序各由1个外显子编码。功能域加倍第44页，共52页，2022年，5月20日，8点19分，星期四功能域或外显子洗牌（domain shuffling / exon shuffling) ： 由不同基因中编码不同结构域的片段彼此连接形成的全新编码序列。全新的结构组合，可为细胞提供完全不同的生物学功能。第45页，共52页，2022年，5月20日，8点19分，星期四指形模块Kringle结构纤连蛋白组织血纤维蛋白溶酶原激活因子表皮生长因子生长因子功能域 组织血纤维蛋白溶酶原激活蛋白模块功能域或外显子洗牌使TPA刺激细胞增生使TPA与血纤维蛋白凝块结合使TPA与血纤维蛋白结合，激活TPA血纤维蛋白酶原第46页，共52页，2022年，5月20日，8点19分，星期四3、内含子的起源3.1群、群和群内含子的起源：大多数研究者都认为所有这3种可自我剪接的内含子起源于RNA世界。3.2 GU-AG内含子的起源 ： “内含子早起