基因组学第12章

第12章基因组进化的分子机制

1)突变

2)重组

3)转座

基因组突变的类型1)染色体水平的突变染色体组变异倍性改变染色体数目变异单体,缺体,三体,非整倍性染色体重排倒位,易位,区段重复,区段缺失2)DNA水平的突变碱基代换,碱基缺失,碱基插入,顺序重复,

一般将DNA碱基顺序的突变称之位点突变.染色体组变异倍性改变1)已知高等植物中约30-50%的物种为多倍体.根据被子植物和裸子植物代表性物种EST数据的比较分析推断，现存被子植物共同祖先的基因组曾经经历过一次全基因组的加倍。

See:CuiLetal.Widespreadgenomeduplicationsthroughoutthehistoryoffloweringplants,GenomeResearch,2006,16:738-749.2)动物中多倍体物种及为罕见.动物中多倍体物种及为罕见多细胞动物基因组缺少多倍体的原因可能同动物的发育模式有关。动物的发育为封闭式,胚胎发育时几乎所有未来的器官原基均在同一时间产生，需要高度协调。多倍体带来的基因剂量的不平衡会对动物胚胎发育产生致命的影响。植物的发育是开放式的,营养器官可以不断地重复地产生,生殖器官与营养器官是同源的。此外植物细胞可直接从外界吸收营养,绝大多数细胞都有叶绿体，可以独立进行光合作用获取能量，降低了器官和组织彼此间相互依赖的程度。植物这种相对独立的生长发育模式,可以忍受多倍体带来的基因剂量不平衡影响，减轻自然选择的压力。复制差错造成点突变的原因错配突变从化学角度来看，碱基互补的方式并不特别精确。根据概率计算，纯化学的碱基配对差错率为5-10%。误导掺入每一种核苷酸都有二种互变异构体（tautomer），它们处在动态平衡中。如果复制叉经过某一胸腺嘧啶碱基，而后者又恰恰处在烯酮式异构体时，就会发生一次错配。因为烯酮式胸腺嘧啶更趋向于与G而不是与A配对。稀有的亚氨基腺嘌呤异构体优先与C而非与T配对，烯醇鸟嘌呤异构体优先与胸腺嘧啶T配对。滑序复制如果模板中含有较短的重复顺序，特别容易在原位发生插入和缺失突变，起因于重复顺序的滑序复制（replicationslippage）。滑序复制使基因组在许多位点出现动态的重复顺序数量变化，造成子代群体在同一位点产生许多不同的等位形式。滑序复制是动态突变的主要原因.误导掺入Intautomerization,forexample,anaminogroup(-NH2),usuallyanH-bonddonor,cantautomerizetoaniminoform(=NH)andbecomeanH-bondacceptor.Oraketogroup(C=O),normallyanH-bondacceptor,cantautomerizetoanenolC-OH,anH-bonddonor.突变的效应（点突变）同义突变突变的密码子仍然指令同一氨基酸，因而同义突变是沉默突变。非同义突变这类突变可改变密码子的含义，指令一个不同的氨基酸。非同义突变又称错义突变。终止突变可使原来编码氨基酸的密码子变成翻译终止密码，产生残缺的蛋白质。连读突变（readthrough）

与上述突变正好相反，终止密码变成指令某一氨基酸的密码子，使翻译继续进行。引起突变的因素1)化学因素化学诱变剂:烷化剂,硝酸盐类,苯酚类2)物理因素放射线,紫外线.3)生物因素

DNA修复酶基因突变可引起许多突变突变的效应超突变与程序性突变—

倾向差错修复1）许多生物种属都有一些专门负责损伤DNA复制的多聚酶，它们可在特定的条件下以倾向差错或无差错方式复制DNA。目前已在人细胞中发现具有倾向差错复制的DNA多聚酶η(eta)，该酶如发生突变，可引起着色性干皮病，这是一种皮肤癌。2）生物之所以选择这种高突变率的修复系统可能同进化有关，倾向差错DNA复制在遭遇不利的生存环境时能增加突变获得更多的多样性，使种群得以繁衍。SOS倾向差错修复的调控LexA蛋白抑制SOS系统基因的表达.LexA蛋白具蛋白酶活性,RecA蛋白可激活LexA,使其自我降解,解除抑制.DNA损伤时LexA蛋白应激反应TheSOSresponseisactivatedwhenthereplicationforkstallsandRecAproteinbindstoexposedssDNA(orUV-damageddsDNA).TheRecA

protein:DNAcomplexbindsaprotein,LexA.

TheLexAproteinhasproteolyticactivity,anditsbindinginducesaconformationalchangethatcausesLexAproteintocleaveitself.BecauseLexAproteinblocksexpressionofmanygenesencodingasetofproteinsmediatingerror-pronereplication,LexAprotein’sself-destructionleadstosynthesisoftheseproteins.Theseproteinsthenassembleatthelesionandformamutasome,anerror-pronereplicationapparatusthatallowsDNApolymerasetoreplicatepastthelesion.SOS倾向差错修复机制在复制遇到缺碱基伤口（X）时，DNA多聚酶III全酶（polIII，由催化核心，β夹板和γ复合体组成）停滞不前。RecA蛋白与伤口下游的单链DNA结形成核酸蛋白纤丝。UmuD’2C复合物在核酸蛋白纤丝不同位置结合，但只有结合在断口附近的复合物才组成突变体(mutasome)，它们由UmuD’2C，polIII，RecA等组成。突变体协助复制装置通过伤口，并在缺碱位置优先掺入dAMP（A）.

大肠杆菌适应性突变（或称定向突变）1）大肠杆菌的一个品系在乳糖操纵子中有一移码突变，不能利用环境中的乳糖。当这些细胞涂抹到只有乳糖的培养基上时，可发现正常生长的细胞，说明在乳糖操纵子中发生了第二次突变，恢复了野生型表型。具有这种效应的突变频率远高于预期值，也高于基因组中其它区域的平均突变率。2）上述实验提出一个饶有兴趣的观点，即细菌可以发生定向突变以适应它们所遇到的选择压力。换句话说，环境可直接影响生物的表型，如拉马克曾经主张的那样，其所蕴含的非达尔文主义的观点引起了广泛而激烈的争论。DNA修复大多数细胞都有4种不同的DNA修复系统：错配修复该系统修复复制中发生的差错，切除含错误碱基的DNA单链，然后再将缺口补平。碱基切除修复将碱基受损的核苷酸周围一段核苷酸切除，然后再通过DNA多聚酶重新合成。核苷酸切除修复与碱基修复系统类似，只是切除的受损DNA范围更大。重组修复用于修复断裂的双链。DNA修复的类型及其所需蛋白质错配修复复制时如果发生了碱基错配掺入,细胞可以根据是否甲基化来确定哪条DNA单链是新合成链,从而判别错配的碱基位置,并启动修复机制切除错配碱基.碱基切除修复核苷酸切除修复光致复活修复复制损伤

修复复制后修复—重组修复DNA修复突变与人类疾病症状突变类型影响的修复系统癌变及易感组织——————————————————————————着色性干皮病点突变转录偶联修复UV诱导的皮肤癌trichothiodystrophy

点突变核苷酸切除修复细胞凋亡Axia

telangiectasia

染色体异常双链断裂修复淋巴瘤Nijmengenbreakage症染色体异常双链断裂修复淋巴瘤BRCA1/BRCA2染色体异常同源重组修复乳腺癌，卵巢癌Bloomy症染色体异常同源重组修复淋巴瘤，白血病——————————————————————————————————————动态突变—三核苷酸扩张三核苷酸扩张机制DNA单链的非对称性进化1）DNA双链的非对称性复制导致延滞链突变率提高

其一，延滞链的复制总比先行链慢一拍，要求很长的一段单链暴露，增加了延滞链模板受到伤害的机会。其二，延滞链采取冈畸模型复制，在引物除去后由DNA多聚酶I填补空隙。DNA多聚酶I的碱基选择活性及校读能力均比DNA多聚酶III差。2）单向复制使暴露链突变率增加人细胞线粒体DNA的两条单链有重链（heavystrand，H）和轻链（lightstrand，L）之分。重链暴露状态要持续较长时间，受损伤的可能性大大增加。3）转录的非对称性使非转录链突变率升高非转录链则保持短暂的单链暴露状态，增加了碱基突变的可能。细菌，酵母和哺乳动物中均有转录偶联修复系统。非转录链缺少相应的修复机制。转录状态使非转录链脱氨基比例增加4倍。复制时延滞链暴露的时间更长非对称性复制引起的突变线粒体

DNA

的单向复制与突变

突变率与生物复杂性1）这是一个意味深长的话题。现存生物，包括低等生物和高等生物基因组的自发突变率约为10-9，这是各种因素综合作用的结果。有理由相信，突变率一定经历过自然选择。2）每个基因都有积累突变的风险，由于大多数突变都是有害的，因此生物含有的基因数越多，发生突变的机率越大。3）平均突变率为生物的复杂性设定了一个上限。群体遗传学家估计，根据DNA复制的忠实性，哺乳动物含有的基因数不会超过60000。换句话说，如果DNA突变率维持在10-8，生物结构的复杂性只到果蝇为止。

DNA重组

DNA重组有两种方式：

1）同源重组；

2）双链断裂重组。染色体配对与交叉同源姐妹染色体的交换与重组产生的表型改变称为变异.变异不涉及基因或染色体的突变,但能提供大量的基因型,是重要的进化动力之一.

同源重组

-Holliday模型大肠杆菌同源重组过程（1）RecBCD酶与线性分子的未端结合然后解旋，随后朝前寻找第一个8碱基基序5‘GCTGGTGG3’，又称叉点（chisite）。大肠杆菌基因组平均6kb有一个叉点。RecBCD的核酸酶在离叉点3’端约56个核苷酸处切开单链产生游离单链未端，然后侵入基因组同源区段内部。重组时DNA单链侵入同源双链RecA与DNA结合后形成一个蛋白质包裹的DNA纤丝，侵入同源双螺旋DNA形成D环结构。D环的中间产物是一个三链（triplex），侵入的多聚核苷酸位于完整的双螺旋主沟内并与其配对的核苷酸碱基建立氢键连接。

分叉前移的机制叉点前移在5‘-A/TTG/C-3’顺序优先停止,该顺序在大肠杆菌基因组中经常出现.当RuvAB复合物离开叉点后,两个RuvC蛋白取而代之,并完成Holliday结构的解体任务.交叉DNA中的异源配对双链必需交互切割才能彼此分开,切割事件在5‘-A/TTG/C-3’顺序的T和G/C之间.断裂重组与基因的表达调控

1)免疫球蛋白基因片段通过双链断裂重组产生不同的编码拷贝；

2）酵母减数分裂细胞通过断裂重组发生基因转换;3)锥虫表皮细胞蛋白质基因的表达更换也利用断裂重组机制.

断裂重组模型

位点专一性断裂重组λ噬菌体DNA位点专一性重组酵母生活史循环1)酵母单倍体细胞的性别转换称为结合型转换:Matingtypeswitching.2)酵母的生活史有两个交替的阶段:二倍体和单倍体.在单倍体阶段,细胞可以发生性别转换,即由a转变为α,或由α转变为a.a型单倍体细胞只能与α型细胞接合形成二倍体.在饥饿或不利环境下,二倍体细胞发生孢子体化,经减数分裂产生子囊孢子.每个子囊含4个小孢子.3)子囊孢子释放成为单倍体细胞,单倍体细胞发生性别转换,开始新一轮生活史循环.细胞识别

--信息交流1)a型细胞分秘信息素a因子,产生可接受α信息素的受体.2)α型细胞分秘信息素α因子,产生可接受a信息素的受体.3)a型或α型细胞表达信息素及信息素受体受控于MAT座位的状态.酵母接合型转换卡盒的结构酵母接合型转换增强子酵母接合型转换机制锥虫vsg基因的组成及其表达1)在引起非洲磕睡病的锥虫中，其体表糖蛋白（vsg）基因可以通过断裂重组改变表达的基因成员,从而逃避寄主免疫系同的攻击.这些基因位于锥虫染色体的众多位点，大多数位于染色体末端。2)Vgs基因的数目达1000多个，但在感染的动物血液中，锥虫只表达一个vsg基因，表达的vsg基因总是位于染色体