比較基因組學(xué)ppt培訓(xùn)課件

1、第八章 比較基因組學(xué),第一節(jié) 基因組進(jìn)化的分子機(jī)制,突變與重組是導(dǎo)致基因組不斷變化的2個(gè)主要因素。突變：基因組小區(qū)段內(nèi)核苷酸順序的改變。 大多數(shù)為點(diǎn)突變，少數(shù)為插入或缺失。 點(diǎn)突變2種類型：轉(zhuǎn)換、顛換重組：基因組的區(qū)段發(fā)生重新組合。 這種重新組合可以來源于減數(shù)分裂時(shí)同源染色體的交換，也可以來源于轉(zhuǎn)座過程。,突 變,突變的2種方式：復(fù)制中的自發(fā)錯(cuò)誤復(fù)制過程中逃脫了DNA多聚酶校正而保留在新合成子鏈

2、中的錯(cuò)配。誘變劑與親代DNA分子的反應(yīng)誘變劑的影響改變了核苷酸堿基配對(duì)的能力。,復(fù)制錯(cuò)誤的突變機(jī)制,錯(cuò)配突變 從化學(xué)角度來看，堿基互補(bǔ)的方式并不特別精確。根據(jù)概率計(jì)算，純化學(xué)的堿基配對(duì)差錯(cuò)率為5-10%。誤導(dǎo)摻入 每一種核苷酸都有二種互變異構(gòu)體，它們處在動(dòng)態(tài)平衡中。每一個(gè)分子都可能偶爾從一種異構(gòu)體轉(zhuǎn)換為另一種異構(gòu)體。不同異構(gòu)體復(fù)制時(shí)選擇不同堿基進(jìn)行配對(duì)?；驈?fù)制 （replication slippage）如果模板中含有較短

3、的重復(fù)順序，特別容易產(chǎn)生復(fù)制滑移，導(dǎo)致插入和缺失突變。,動(dòng)態(tài)突變—三核苷酸擴(kuò)張,,誘變劑引起突變的機(jī)制,誘變劑是堿基類似物，作為底物，復(fù)制時(shí)摻入新鏈。如，5-溴尿嘧啶。誘變劑直接作用于DNA，引起模板鏈結(jié)構(gòu)改變，導(dǎo)致復(fù)制錯(cuò)誤。如脫氨基試劑。誘變劑間接作用于DNA，使細(xì)胞產(chǎn)生化學(xué)物質(zhì)導(dǎo)致突變產(chǎn)生。如促使細(xì)胞合成氧自由基的物質(zhì)。,誘變劑的類型,物理誘變劑離子輻射、紫外輻射、熱誘變化學(xué)誘變劑嘌呤嘧啶堿基類似物、脫氨基試劑、烷化劑、

4、嵌入試劑,突變對(duì)基因組的影響,同義突變 突變的密碼子仍然指令同一氨基酸，因而同義突變是沉默突變。非同義突變 這類突變可改變密碼子的含義，指令一個(gè)不同的氨基酸。非同義突變又稱錯(cuò)義突變。終止突變 可使原來編碼氨基酸的密碼子變成翻譯終止密碼，產(chǎn)生殘缺的蛋白質(zhì)。連讀突變（read through） 與上述突變正好相反，終止密碼變成指令某一氨基酸的密碼子，使翻譯繼續(xù)進(jìn)行。,突變發(fā)生在編碼區(qū),突變發(fā)生在非編碼區(qū),蛋白質(zhì)結(jié)合順序突

5、變 如啟動(dòng)子區(qū)域、增強(qiáng)子區(qū)域等的突變影響基因表達(dá)。內(nèi)含子-外顯子交界位點(diǎn)突變 前體mRNA加工識(shí)別位點(diǎn)被破壞或者產(chǎn)生新的識(shí)別位點(diǎn)。,突變對(duì)多細(xì)胞生物的影響,功能喪失：導(dǎo)致蛋白質(zhì)活性降低或喪失。一般為隱性突變。功能獲得：導(dǎo)致一種異常的蛋白質(zhì)活性。多發(fā)生在調(diào)控區(qū)，一般為顯性突變。,超突變與程序性突變—傾向差錯(cuò)修復(fù),1）許多生物種屬都有一些專門負(fù)責(zé)損傷DNA復(fù)制的 多聚酶，它們可在特定的條件下以傾向差錯(cuò)或

6、 無差錯(cuò)方式復(fù)制DNA。目前已在人細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)具 有傾向差錯(cuò)復(fù)制的DNA多聚酶η(eta)，該酶如 發(fā)生突變，可引起著色性干皮病，這是一種皮 膚癌。2）生物之所以選擇這種高突變率的修復(fù)系統(tǒng)可能 同進(jìn)化有關(guān)，傾向差錯(cuò)DNA復(fù)制在遭遇不利的生 存環(huán)境時(shí)能增加突變獲得更多的多樣性，使種 群得以繁衍。,SOS傾向差錯(cuò)修復(fù)的調(diào)控,,SOS傾向差錯(cuò)修復(fù)機(jī)制,,大腸桿菌適應(yīng)性突變（或稱定向突變）,1）大腸桿菌的一

7、個(gè)品系在乳糖操縱子中有一移碼突變，不 能利用環(huán)境中的乳糖。當(dāng)這些細(xì)胞涂抹到只有乳糖的培養(yǎng)基上時(shí)，可發(fā)現(xiàn)正常生長的細(xì)胞，說明在乳糖操縱子中發(fā)生了第二次突變，恢復(fù)了野生型表型。具有這種效應(yīng)的突變頻率遠(yuǎn)高于預(yù)期值，也高于基因組中其它區(qū)域的平均突變率。2）上述實(shí)驗(yàn)提出一個(gè)饒有興趣的觀點(diǎn)，即細(xì)菌可以發(fā)生定向突變以適應(yīng)它們所遇到的選擇壓力。換句話說，環(huán)境可直接影響生物的表型，如拉馬克曾經(jīng)主張的那樣，其所蘊(yùn)含的非達(dá)爾文主義的觀點(diǎn)引起了廣泛而激烈的

8、爭論。,突變率與生物復(fù)雜性,1）這是一個(gè)意味深長的話題。現(xiàn)存生物，包括低等生物 和高等生物基因組的自發(fā)突變率約為10-9，這是各種 因素綜合作用的結(jié)果。有理由相信，突變率一定經(jīng)歷 過自然選擇。2）每個(gè)基因都有積累突變的風(fēng)險(xiǎn)，由于大多數(shù)突變都是 有害的，因此生物含有的基因數(shù)越多，發(fā)生突變的機(jī) 率越大。3）平均突變率為生物的復(fù)雜性設(shè)定了一個(gè)上限。群體遺 傳

9、學(xué)家估計(jì)，根據(jù)DNA復(fù)制的忠實(shí)性，哺乳動(dòng)物含有 的基因數(shù)不會(huì)超過60 000。,DNA修復(fù),大多數(shù)細(xì)胞都有4種不同的DNA修復(fù)系統(tǒng)：錯(cuò)配修復(fù) 該系統(tǒng)修復(fù)復(fù)制中發(fā)生的差錯(cuò)，切除含錯(cuò)誤堿基的DNA單鏈，然后再將缺口補(bǔ)平。堿基切除修復(fù) 將受損的核苷酸鹼基周圍一段核苷酸切除，然后再通過 DNA多聚酶重新合成。核苷酸切除修復(fù) 與堿基修復(fù)系統(tǒng)類似，只是切除的受損DNA范圍更大。重組修復(fù) 用于修復(fù)斷裂的雙鏈。,DNA單鏈的

10、非對(duì)稱性進(jìn)化,1）DNA雙鏈的非對(duì)稱性復(fù)制導(dǎo)致延滯鏈突變率提高 其一，延滯鏈的復(fù)制總比先行鏈慢一拍，要求很長的一段單鏈暴露，增加了延滯鏈模板受到傷害的機(jī)會(huì)。其二，延滯鏈采取岡畸模型復(fù)制，在引物除去后由DNA多聚酶I填補(bǔ)空隙。DNA多聚酶I的堿基選擇活性及校讀能力均比DNA多聚酶III差。2）單向復(fù)制使暴露鏈突變率增加 人細(xì)胞線粒體DNA的兩條單鏈有重鏈（heavy strand，H）和輕鏈（light strand，L）之分

11、。重鏈暴露狀態(tài)要持續(xù)較長時(shí)間，受損傷的可能性大大增加。3）轉(zhuǎn)錄的非對(duì)稱性使非轉(zhuǎn)錄鏈突變率升高 非轉(zhuǎn)錄鏈則保持短暫的單鏈暴露狀態(tài)，增加了堿基突變的可能。細(xì)菌，酵母和哺乳動(dòng)物中均有轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)修復(fù)系統(tǒng)。非轉(zhuǎn)錄鏈缺少相應(yīng)的修復(fù)機(jī)制。轉(zhuǎn)錄狀態(tài)使非轉(zhuǎn)錄鏈脫氨基比例增加4倍。,第二節(jié) DNA重組,DNA重組有2種方式： 1）同源重組； 2）位點(diǎn)專一性重組 3）雙鏈斷裂重組,減數(shù)分裂時(shí)同源姐妹染色體的交換與重組產(chǎn)生的

12、表型改變稱為變異。變異不涉及基因或染色體的突變, 但能提供大量的基因型, 是重要的進(jìn)化動(dòng)力之一。,同 源 重 組,同源重組-Holliday模型,,同向旋轉(zhuǎn),分支點(diǎn)斷裂,— 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu),同 源 重 組 啟 動(dòng) 模 式,大腸桿菌同源重組過程（1）,RecBCD酶與線性分子的未端結(jié)合然后解旋—朝前尋找第一個(gè)叉點(diǎn)（ 8堿基基序5‘?GCTGGTGG?3’ ）—RecBCD的核酸酶在離叉點(diǎn)3‘端約56個(gè)核苷酸處切開單鏈產(chǎn)生游離單鏈未端—游

13、離單鏈未端與RecA結(jié)合—形成一個(gè)蛋白質(zhì)包裹的DNA纖絲—侵入同源雙螺旋DNA形成D?環(huán)結(jié)構(gòu)（交叉）,大腸桿菌同源重組過程（1）,,大腸桿菌同源重組過程（2）,叉點(diǎn)前移在5‘-A/TTG/C-3’順序優(yōu)先停止,該順序在大腸桿菌基因組中經(jīng)常出現(xiàn). 當(dāng)RuvAB復(fù)合物離開叉點(diǎn)后, 兩個(gè)RuvC蛋白取而代之,并完成Holliday結(jié)構(gòu)的解體任務(wù). 交叉DNA中的異源配對(duì)雙鏈必需交互切割才能彼此分開, 切割事件在5‘-A/TTG/C-3’

14、順序的T和G/C之間.,雙 鏈 斷 裂 重 組,1)酵母減數(shù)分裂細(xì)胞通過斷裂重組發(fā)生基因轉(zhuǎn)換; 2）免疫球蛋白基因片段通過雙鏈斷裂重組產(chǎn)生 不同的編碼拷貝； 3) 錐蟲表皮細(xì)胞蛋白質(zhì)基因的表達(dá)更換也利 用斷裂重組機(jī)制.,酵 母 基 因 轉(zhuǎn) 換,酵母雙鏈斷裂重組模型,錐蟲vsg基因的組成及其表達(dá),1) 在引起非洲磕睡病的錐蟲中，其體表糖蛋白（vsg） 基因可以通過

15、斷裂重組改變表達(dá)的基因成員,從而逃 避寄主免疫系同的攻擊。 2) Vgs基因的數(shù)目達(dá)1000多個(gè)，但在感染的動(dòng)物血液中，錐蟲只表達(dá)一個(gè)vsg基因，表達(dá)的vsg基因總是位于染 色體末端附近。所有其它的vsg基因包括位于端粒附 近的vsg基因均沉默。 3) 位于表達(dá)位置之外的基因可通過斷裂重組插入到表達(dá) 位置取代原有的基因, 產(chǎn)生新的表達(dá)產(chǎn)物.,錐蟲vsg基因的斷裂重組,,位點(diǎn)專一性重組,2個(gè)DNA

16、分子只有很短的共同序列，由此引發(fā)的重組稱為位點(diǎn)專一性重組。λDNA向大腸桿菌基因組整合的過程涉及位點(diǎn)專一性重組。,位點(diǎn)專一性重組,,λ噬菌體DNA位點(diǎn)專一性重組,,第三節(jié) 轉(zhuǎn) 座,轉(zhuǎn)座不是一種重組類型，而是一個(gè)利用重組的過程，結(jié)果是將DNA片段從基因組的一個(gè)位置轉(zhuǎn)移到另一個(gè)位置。,轉(zhuǎn)座的2種類型： 1）DNA轉(zhuǎn)座 2）RNA轉(zhuǎn)座,兩種DNA轉(zhuǎn)座的方式,,逆轉(zhuǎn)錄病毒

17、轉(zhuǎn)座,,逆轉(zhuǎn)錄病毒RNA的逆轉(zhuǎn)錄(1),,逆轉(zhuǎn)錄病毒RNA的逆轉(zhuǎn)錄(2),,非LTR逆轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)座,,第四節(jié) 基因組進(jìn)化的模式,遺傳系統(tǒng)的產(chǎn)生新基因的產(chǎn)生非編碼順序的擴(kuò)張比較基因組學(xué),遺傳系統(tǒng)的產(chǎn)生,1) RNA世界2)基因組的起源3)生命三界,生命系統(tǒng)必須具備的基本屬性,復(fù)制催化生命起源的早期研究的注意力放在DNA與蛋白質(zhì)的關(guān)系上。,RNA世界,1) 1986年, Walter Gilbert發(fā)明了“RNA Worl

18、d”這一名詞,用來表示前生命時(shí)期攜帶信息并具有催化功能的RNA分子。2) 1986年, Thomas Cech首次發(fā)現(xiàn)具有自我催化的RNA分子, 四膜蟲rRNA分子可以自我剪切。3) 1989年, Jack Szostak提供實(shí)驗(yàn)證據(jù), 表明體外RNA分子可以自我催化復(fù)制。4) 1992年, Harry Noller證實(shí)核糖體RNA(rRNA)具有催化肽鍵形成的功能。由于發(fā)現(xiàn)具有催化功能的RNA, Tho

19、mas Cech 和 Sidney Altman 共享1992 諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。,RNA世界的特征,1）具有催化活性的RNA分子稱為核酶（ribozynie）；2）核酶催化的生化反應(yīng)包括： 自我剪接 I型，II型和III型內(nèi)含子具有的功能。 催化切斷其它RNA 核糖核酸酶P； 合成多肽鍵 這是rRNA分子的重要功能之一； 催化核苷酸的合成 在試管中合成的RNA分子已證明可

20、以完 成合成核糖核苷酸、RNA的合成。 RNA催化活性的發(fā)現(xiàn)解決了以往關(guān)于先有多聚核苷酸還是先有多肽鏈的兩難困境，表明最初的生化系統(tǒng)整個(gè)地集中在RNA。,RNA世界的核心內(nèi)容-RNA可以自我復(fù)制,補(bǔ),基因組的起源,人們推測(cè)基因組的起源可能是: 地球上最早出現(xiàn)的生物大分子是RNA，它具有催化和編碼的功能。RNA可以催化肽鍵形成，合成蛋白質(zhì)，然后RNA與蛋白質(zhì)聯(lián)手，以RNA為模板合成DNA。最初的DNA基因組由許多分散

21、的分子組成，每一個(gè)指令單個(gè)蛋白質(zhì)，相當(dāng)于一個(gè)基因。這些基因彼此連接成染色體。在細(xì)胞分裂時(shí)組織少量染色體平均分配要比平均分配分散的基因容易，在竟?fàn)幹姓加袃?yōu)勢(shì)，因而染色體被保留。隨著早期基因組的多次進(jìn)化，彼此連接的基因所具有的不同功能也隨之發(fā)展與演變，形成現(xiàn)在的基因組。,RNA世界向DNA世界的轉(zhuǎn)變,,生命三界,,基因組測(cè)序的結(jié)果揭示生物分為3大類群，它們是3個(gè)獨(dú)立起源的生命系統(tǒng)。,古細(xì)菌與真核生物更相似,來自海洋火山口的古細(xì)菌詹氏甲烷球菌

22、基因組順序分析顯示，它在起源上與真核類生物更加接近。1）古細(xì)菌的翻譯系統(tǒng)如核糖體蛋白，延伸因子和氨酰 tRNA合成酶以及轉(zhuǎn)錄系統(tǒng)均與真核生物相似，而與細(xì) 菌有所不同。2）在代謝系統(tǒng)方面，古細(xì)菌與真細(xì)菌極為相似。人們推 測(cè)，古細(xì)菌和原始真核細(xì)胞可能從原始細(xì)胞分別繼承 了部分共同的遺傳物質(zhì)。,生命三界特征比較,特征

23、 分 界 ——————————————————————————-------------------------- 細(xì) 菌 古細(xì)菌 真核生物 ----------------

24、----------------------------------------------------------------------------------------- 核膜 無 無 有細(xì)胞器

25、 無 無 有 細(xì)胞壁肽聚糖 有 無 無脂膜成分 無分枝碳?xì)滏?

26、 具某些分枝碳?xì)滏?無分枝碳?xì)銻NA多聚酶 一種類型 多種類型 多種類型蛋白質(zhì)合成起始氨基酸 甲基甲硫氨酸 甲硫氨酸 甲硫氨酸基因內(nèi)含子 無

27、 有或無 有鏈霉素和氯霉素抗性 －　　　　　　?。　　　?　　 ＋　　 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------,新基因的產(chǎn)生,新基因的產(chǎn)生主要有以下5種方式:基因或基因組加

28、倍 這類基因大多基本保持原有的基因功能, 但獲得了新的表達(dá)模式. 這是新基因產(chǎn)生的主要方式結(jié)構(gòu)域洗牌, 即不同的結(jié)構(gòu)域加倍或重組, 產(chǎn)生具有創(chuàng)新功能的基因. 真核生物約19%的基因產(chǎn)生于外顯子洗牌.DNA水平轉(zhuǎn)移 原核生物的轉(zhuǎn)化、接合與轉(zhuǎn)導(dǎo)。真核生物的遠(yuǎn)源雜交與轉(zhuǎn)座?；蛄炎兣c融合, 由一個(gè)基因分裂成兩個(gè)不同的基因, 或兩個(gè)或多個(gè)基因融合組成一個(gè)新的基因. 原核生物約0.5%的基因由此產(chǎn)生.嬗變, 由非編碼順序轉(zhuǎn)變?yōu)榫幋a順序.,

29、基因與基因組進(jìn)化的主要方式-基因和基因組加倍,在基因組進(jìn)化中現(xiàn)有基因的加倍是最重要的方式之一，它們可經(jīng)由以下途徑發(fā)生： 1）整個(gè)基因組加倍； 2）單條或部分染色體加倍； 3）單個(gè)或成群基因加倍。,單條或部分染色體加倍增加基因數(shù)的可能性不占重要位置。三體會(huì)對(duì)生長發(fā)育造成嚴(yán)重影響。整個(gè)基因組加倍和單個(gè)或成群基因加倍是更重要的進(jìn)化方式。增加基因最快的方法是全套基因組加倍。額外的拷貝增加了新基因產(chǎn)生的可能。,酵母基

30、因組在一億年前經(jīng)歷了一次完全的加倍,引自Goffeau, Nature 430: 25, 2004,大多數(shù)植物基因組均為多倍體,大多數(shù)植物基因組均由同源多倍體和異源多倍體組成, 這是植物基因數(shù)目增加的主要方式。 玉米染色體組由染色體基數(shù)n=5加倍為n=10, 面包小麥為異源多倍體(含A, B, D=7, n=21)。,脊椎動(dòng)物是否發(fā)生過整個(gè)加倍仍存在爭議,有些分子生物學(xué)家認(rèn)為，大約1億年前酵母基因組加倍時(shí)脊椎動(dòng)物也發(fā)生了同樣

31、事件。他們的理由是，人類基因組中HOX基因簇有4份拷貝，分別位于2，7，12和17號(hào)染色體。其他人則認(rèn)為，這些重復(fù)只是一些獨(dú)立的事件，不足以表明整個(gè)基因組的加倍。根據(jù)現(xiàn)有掌握的資料，關(guān)于脊椎動(dòng)物是否出現(xiàn)過全基因組的加倍還得不出明確的結(jié)論。,單個(gè)或成群基因加倍,單個(gè)或成群基因加倍在進(jìn)化過程中經(jīng)常出現(xiàn)。大多數(shù)基因組都含有的多基因家族，同一家族中的不同成員最后都可以追溯到某一古老祖先基因。,分子系統(tǒng)發(fā)生學(xué)技術(shù)比較球蛋白基因核苷酸順序可以推

32、導(dǎo)它們的進(jìn)化關(guān)系和基因重復(fù)的可能時(shí)間。,Chr.22,單個(gè)或成群基因加倍機(jī)制,不等交換 同源染色體上不同位置的相似序列之間發(fā)生重組。姐妹染色體不等交換 同一染染色體的一對(duì)姐妹染色單體上不同位置的相似序列之間發(fā)生重組。DNA放大 細(xì)菌和其他單倍體生物中，復(fù)制泡內(nèi)2條子鏈DNA之間發(fā)生不等交換。,單個(gè)或成群基因加倍機(jī)制,不等交換,姐妹染色體不等交換,DNA放大,重復(fù)基因的命運(yùn),基因組進(jìn)化中重復(fù)基因的命運(yùn):由

33、于編碼順序趨異成為具有新的生物活性的基因。由于調(diào)控順序的突變成為獲得新的表達(dá)模式的基因。還處于進(jìn)化之中與祖先基因在功能上重疊, 表現(xiàn)為冗余的基因。喪失功能成為假基因。在隨后的進(jìn)化事件中丟失。,染色體重排,1) 染色體重排系指染色體區(qū)段位置在染色 體內(nèi)或染色體之間發(fā)生的倒位或移位事 件。2) 染色體重排是基因組進(jìn)化的主要?jiǎng)恿χ?一。染色體重排阻止同源染色體區(qū)段的 正常配對(duì)與

34、交換, 促使重排區(qū)段內(nèi)的突 變積累。3) 染色體重排可為基因提供新的表達(dá)模式。,蛋白質(zhì)創(chuàng)新,蛋白質(zhì)創(chuàng)新的兩種方式都與功能域區(qū)段重排有關(guān)。功能域加倍：編碼結(jié)構(gòu)域的區(qū)段因不等交換等原因發(fā)生加倍。加倍的結(jié)構(gòu)域可能發(fā)生突變，為蛋白質(zhì)提供新的活性。功能域或外顯子洗牌：由不同基因中編碼不同結(jié)構(gòu)域的片段彼此連接，形成全新編碼順序。外顯子洗牌產(chǎn)生一個(gè)全新的結(jié)構(gòu)組合，可為細(xì)胞提供完全不同的生物學(xué)功能。,功能域加倍,,PolIII基

35、因轉(zhuǎn)錄因子的DNA結(jié)合功能域由9個(gè)重復(fù)的鋅指組成，每個(gè)鋅指由一個(gè)外顯子編碼。,蛋白質(zhì)創(chuàng)新-功能域洗牌,血纖維蛋白溶酶原,組織血纖維蛋白溶酶原激活因子,血纖維蛋白溶酶原,外顯子洗牌的分子機(jī)制,,蛋白質(zhì)體外進(jìn)化,蛋白質(zhì)體外進(jìn)化是根據(jù)外顯子洗牌理論設(shè)計(jì)的用以產(chǎn)生創(chuàng)新活性蛋白質(zhì)的方法。原理：利用直系基因或水平基因有相似的功能域和排列順序，但氨基酸順序存在差別的特點(diǎn)，通過內(nèi)含子的重組，將外顯子按希望的方式重新組合，以獲得創(chuàng)

36、新活性的蛋白質(zhì)。,蛋白質(zhì)體外進(jìn)化,,DNA洗牌,,DNA水平轉(zhuǎn)移,原核生物中的DNA水平轉(zhuǎn)移普遍現(xiàn)象，可通過轉(zhuǎn)化、接合和轉(zhuǎn)導(dǎo)等方式發(fā)生。大腸桿菌4288個(gè)ORF中755個(gè)來自沙門氏菌。真核生物中的DNA水平轉(zhuǎn)移植物的遠(yuǎn)緣雜交，面包小麥?zhǔn)瞧胀ㄐ←満鸵吧←湹漠惥壎啾扼w。動(dòng)物之間轉(zhuǎn)座子的擴(kuò)散，果蠅的P因子等。,基因裂變與融合, 基因嬗變,基因的裂變(Fission)與融合(Fusion)及基因嬗變是在原核生物中發(fā)現(xiàn)的產(chǎn)生新基因

37、的方式, 極為罕見. 引自:Nature Review /Genetics, 4:865, 2003,非編碼順序的擴(kuò)張,高等生物基因組重復(fù)順序的擴(kuò)張是一個(gè)極其普遍的現(xiàn)象, 這些重復(fù)順的擴(kuò)張主要起因于: 1) 重復(fù)順序之間的不等交換; 2) DNA的轉(zhuǎn)座 3) 逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座,大基因組與小基因組的結(jié)構(gòu)差異,,非編碼順序的作用,提供調(diào)控蛋白識(shí)別位點(diǎn)植物基因組中的小反向重復(fù)順序轉(zhuǎn)座因子（miniature in

38、verted-repeat transposable elemnts,MITE),是MAR，是DNA拓?fù)涿窱I的結(jié)合位點(diǎn)，與DNA復(fù)制與轉(zhuǎn)錄調(diào)控有關(guān)。提供或失活調(diào)控元件逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座因子含有控制基因表達(dá)的順序，插入基因附近可能成為增強(qiáng)子或失活原有調(diào)控元件，增加基因表達(dá)多樣性。為基因組重排提供結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)由轉(zhuǎn)座元件引發(fā)外顯子洗牌,重復(fù)順序的功能-提供調(diào)控元件,插入順序 影響的基因 注

39、解--------------------------------------------------------------------Alu 人類k18角蛋白基因 攜帶視黃酸（retinoic acid）受體結(jié)合 位點(diǎn) Alu　　 人類Fc和T細(xì)胞受體γ鏈 攜帶正、負(fù)兩種效應(yīng)的調(diào)控元件Alu　　 人類甲狀旁腺激素基因　 鈣

40、離子響應(yīng)負(fù)調(diào)元件Alu　　 人類乳腺癌基因BRCA-1 依賴雌激素受體增強(qiáng)子Alu　　 人類Wilms腫瘤基因１　　 離啟動(dòng)子12 kb，位于內(nèi)含子ERV 老鼠性別連鎖蛋白　　　 雄激素響應(yīng)因子ERV　　 人類淀粉酶基因簇　　　 激活隱秘啟動(dòng)子Cassette 海膽金屬硫蛋白盒　　 已知有６個(gè)控制位點(diǎn)RSR ４個(gè)海膽spec基因　　　 含有４個(gè)Otx結(jié)合位點(diǎn)-----------

41、---------------------------------------------------------注：Ａlu，人類重復(fù)順序；ERV，內(nèi)源逆轉(zhuǎn)錄病毒插入順序；Cassette和RSR，海膽重復(fù)順序。,轉(zhuǎn)座子插入破壞基因表達(dá),轉(zhuǎn)座子的插入改變基因的表達(dá)模式,老鼠Slp基因編碼一個(gè)免疫響應(yīng)蛋白,其組織專一性表達(dá)由鄰近逆轉(zhuǎn)錄因子中的增強(qiáng)子決定.,重復(fù)順序的作用-引起染色體之間的不等交換,重復(fù)順序之間的配對(duì)可引起染色體內(nèi)或

42、染色體之 間的不等交換；染色體內(nèi)正向重復(fù)順序之間的交換可引起缺失；染色體內(nèi)反向重復(fù)順序之間的交換可引起倒位；染色體之間重復(fù)順序之間的交換可引起重復(fù)與缺失；基因內(nèi)部重復(fù)順序之間的不等交換可引起基因突變。,染色體之間的不等交換,,不同“人種”的基因組結(jié)構(gòu)的差異,人類不同種族的基因組存在廣泛的重復(fù), 倒位, 缺失的多態(tài)性差異( Genome Res. 13, 2291?2305, 2003)。在人類chr 17q21.31 區(qū)有兩個(gè)

43、同源但不相同的涉及900 kb的倒位, H1和H2. 這一倒位事件發(fā)生在300萬年前. H2型在非洲人中罕見, 在東亞人中缺少, 20%的歐洲人具有H2. 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析表明, 攜帶H2的冰島女性比缺少H2的女性可生育更多的小孩。,同源染色體之間的不等交換可引起基因的缺失突變,1) 許多重復(fù)順序可插入到同源染色體等位基因內(nèi)部的不同位點(diǎn)。2) 同源染色體等位基因內(nèi)部不同位點(diǎn)重復(fù)順序之間的不等交換可造成基因缺失突變, 如人類LDL(底

44、密度脂蛋白)受體基因突變引發(fā)的冠心病。,人類高膽固醇疾病,血 液 中 膽 固 醇 可 分 為低 密 度 脂 蛋 白 (LDL) 、 極低 密 度 脂 蛋 白 (VLDL) 和 高 密 度 脂 蛋 白 (HDL) 。 LDL受體廣泛分布于肝、動(dòng)脈壁平滑肌細(xì)胞、血管內(nèi)皮細(xì)胞 上，幫助LDL進(jìn)入細(xì)胞。 LDL受體突變引起血液中LDL濃度過高，LDL附著在血管壁上引發(fā)冠心病。,重復(fù)順序的不等交換引起缺陷LDL受體蛋白基因突變,,內(nèi)含子的起源

45、,內(nèi)含子起源的“早”“晚”兩假說 關(guān)于GU?AG內(nèi)含子起源的爭論可以分為二派，其觀點(diǎn)相互對(duì)立： 1） “內(nèi)含子早起源”假說（tntron early）認(rèn)為，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 (intron late) 主張，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.,第五節(jié) 比較基因組學(xué),不同物種基因組的相似性是它們共同祖先在漫長的

46、進(jìn)化過程中留下的遺跡。通過分析基因組的相似性可以追蹤物種的起源和分支路徑。,基因共線性,不同基因組中基因排列順序的一致性稱為共線性。共線性可以出現(xiàn)在不同基因組的對(duì)應(yīng)區(qū)段，也可以出現(xiàn)在同一基因組內(nèi)部不同染色體內(nèi)部。兩個(gè)物種之間的共線性更能體現(xiàn)基因組的共同起源，共線性的程度可以作為衡量它們之間進(jìn)化距離的尺度。但要注意高度保守區(qū)和高度變異區(qū)對(duì)估算結(jié)果的影響。,基因共線性,,基因島與基因協(xié)同進(jìn)化,基因島：染色體上基因密度比全基因組平均密度高

47、得多的區(qū)段。禾本科類受體激酶基因簇Lrk基因間距在玉米、水稻、大麥、小麥中幾乎完全相同，4-5kb，與擬南芥基因平均間距相當(dāng)。這些基因群經(jīng)常緊密連鎖，在進(jìn)化過程中協(xié)同丟失或保留。,直系同源集簇,直系同源集簇：由一個(gè)共同祖先基因衍生的1組基因，包括不同基因組中的種間同源基因和同一基因組中的種內(nèi)同源基因。直系同源集簇綜合了比較基因組學(xué)、種系發(fā)生學(xué)和蛋白質(zhì)分類學(xué)的信息，對(duì)預(yù)測(cè)新基因的功能有重要意義。,分子系統(tǒng)發(fā)生學(xué)

48、 分子系統(tǒng)發(fā)生學(xué)與生物進(jìn)化 生物新特征的產(chǎn)生,第六節(jié) 基因組與生物進(jìn)化,生 命 的 起 源,生命之樹,DNA系統(tǒng)發(fā)生樹,系統(tǒng)發(fā)生樹的拓?fù)鋵W(xué),靈長類的系統(tǒng)發(fā)生樹,基因樹與物種樹,系統(tǒng)發(fā)生樹的構(gòu)建,以DNA順序?yàn)榛A(chǔ)重建系統(tǒng)發(fā)生樹的程序有四個(gè)步驟：1）先將DNA順序排列，然后分析取得用于重建系統(tǒng)發(fā)生樹的可比較數(shù)據(jù)；2）采用不同的處理方法將可比較數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)發(fā)生樹；3）檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)生樹整體的可

49、信度以及各分枝內(nèi)不同區(qū)段的可信度；4）采用分子鐘標(biāo)明系統(tǒng)發(fā)生樹中每個(gè)分枝點(diǎn)的時(shí)間。,DNA順序排比,系統(tǒng)發(fā)生樹構(gòu)建圖示,,分子鐘,采用分子鐘推算生命起源的年代,人類的起源與進(jìn)化,1) 人科的出現(xiàn)2) 人類與其它高級(jí)靈長類的差別3) 現(xiàn)代人的遷徙與進(jìn)化,人類基因組：最近500萬年,人類與高級(jí)靈長類進(jìn)化關(guān)系的分子證據(jù),人類與黑猩猩的差別,1）人類與黒猩猩基因組的差別為1.5%, 基因編碼順序的差別低與0.5%。2）已發(fā)現(xiàn)

50、有些基因出現(xiàn)加倍，產(chǎn)生了專屬人類或?qū)俸谛尚傻幕虺蓡T，它們只存在于二個(gè)基因組中之一。這些新加倍的基因生物學(xué)的重要性并不明顯，原因在于它們尚無足夠的時(shí)間來積累突變到達(dá)可以表現(xiàn)特別功能的程度。靈長類有嗅覺受體（olfactory receptor，OR）基因,拷貝約1000個(gè)，人類中已有70%成為假基因，而黑猩猩尚有50%保留功能。3）二個(gè)基因組的非編碼DNA的一些組分已經(jīng)發(fā)生了廣泛的變異，證明重復(fù)DNA進(jìn)化迅速。Alu重復(fù)順序出現(xiàn)于6

51、000萬年前，人類基因組Alu家族成員在500-2000之間，分散在整個(gè)基因組中，黑猩猩含有99.8%的人類Alu版本。微衛(wèi)星（mirosatellite）重復(fù)順序在人類中的進(jìn)化快于黑猩猩。4）人類與黑猩猩染色體均已經(jīng)歷了重排。最大的差別是，人類第二號(hào)染色體在黑猩猩中已經(jīng)一分為二。人類23對(duì)染色體中有18對(duì)染色體與黑猩猩中相應(yīng)的染色體帶型非常相似，另4條染色體在兩者之間有可見的帶型差異。5）許多動(dòng)物細(xì)胞表面的糖蛋白均由唾液酸（sia

52、lic acid）類分子如糖基神經(jīng)氨（糖）酸（N-glycoylneuraminic acid，Neu5Gc）修飾。非洲高級(jí)靈長類與其它非人類哺乳動(dòng)物在大腦以外的組織都含有相當(dāng)數(shù)量的Neu5Gc，但人類組織缺少Neu5Gc，因?yàn)槿祟惥幋aCMP-唾液酸水解酶的基因由于移碼突變已喪失功能。人類之所以丟失Neu5Gc的生物學(xué)意義并不清楚，可能同致病源的識(shí)別有關(guān)。,人類2號(hào)染色體在黑猩猩中已經(jīng)一分為二,現(xiàn)代人的起源,直立人（Homo erect

53、us）→ 智人（Homo sapiens）→ 現(xiàn)代人,現(xiàn)代人起源的兩種假說,走出非洲---線粒體夏娃,現(xiàn)代人基因組多態(tài)性分析,人類基因組中以下遺傳成分可提供更多的有關(guān)遺傳多樣性的信息： 1） 多等位基因，如HLA基因家族成員，它們有許多不同的變異 形式；

54、 2） 微衛(wèi)星序列，人群中有大量的重復(fù)次數(shù)不等的微衛(wèi)星序列變 異； 3） 線粒體DNA，如前所述，線粒休DNA相對(duì)更快地積累突變核 苷酸。 4）SNP，人群中廣泛分布單核苷酸位點(diǎn)多態(tài)性，是人類基因組中 最豐富的變異成分,單 倍 型,,Y染色體SNP,人類Y染色體非重組區(qū)的SNP由于特殊的性質(zhì)成為多態(tài)研究首選目標(biāo)，其原因如下：

55、 1）染色體非重組區(qū)在二倍體細(xì)胞中不存在同源拷貝， 因而不發(fā)生交換重組事件。 2）由于避免了重組事件的干擾，位于Y染色體非重組 區(qū)的SNP集中了曾經(jīng)發(fā)生過的所有變異。 3）SNP突變率較低，能忠實(shí)地記錄進(jìn)化事件。 4）Y染色體以單倍體形式存在，其有效群體遠(yuǎn)小于二 倍體常染色體，較易產(chǎn)生人群特異性單倍型。,核基因組單倍型研究證實(shí)歐洲人起源于非

56、洲,,現(xiàn)代歐洲人的起源,1）核基因型研究 A）采用22個(gè)人體Y染色體單倍型標(biāo)記分析來自歐洲和中東25個(gè) 現(xiàn)代人群體的1007條Y染色體表明，95%的樣品可以歸類于10個(gè)分支。 B）歐洲最早的先民在40 000至35 000年前已經(jīng)來到當(dāng)?shù)兀饕獊碜?0 000年前的中亞人，隨后由東向西遷移。 C）Y染色體雙等位突變分析，所有歐洲人Y染色體來自10個(gè)家系，或者說擁有最初的10個(gè)父親。2）線粒體基因型

57、研究 A）線粒體DNA的研究證實(shí)，舊石器時(shí)代當(dāng)?shù)氐南让駥?duì)現(xiàn)代歐洲人基因庫的貢獻(xiàn)為80%，而新石器時(shí)代的祖先提供了另外20%的基因。 B）歐洲人線粒體DNA單倍型可以覆蓋60-70%歐洲人的遺傳變異，它們來源于25 000年前舊石器時(shí)代從中東進(jìn)入歐洲的先民。,尼安德特人在三萬年前絕跡,,走出非洲的假說尚未定論,A）澳大利亞東南部新南威爾士州Mungo湖附近距今約6 萬年前人類遺骸線粒體DNA與世

58、界上其它地區(qū)據(jù)認(rèn) 為源自非州的線粒體DNA沒有聯(lián)系。B）澳大利亞出現(xiàn)的早期現(xiàn)代人的起源路線可能獨(dú)立于非 州古人類（線粒體夏娃）。C）起源于非州的直立人在過去150萬年間可能不斷地遷 徙到非州以外的地區(qū)并形成不同分支，這些分支通過 混血繁衍，在10萬到15萬年前分別在非州、歐洲、東 亞和西亞等地進(jìn)化為現(xiàn)代人。,農(nóng)業(yè)在歐洲的傳播路線,,史前人類何時(shí)遷徙新世界,,東亞

59、人來自何方？,證據(jù)與爭論：1）在東亞特別是中國大陸古生物學(xué)家和古人類學(xué)家先后在云南元謀，陜西藍(lán)田，安徽和縣等地發(fā)現(xiàn)了60多處古人類化石地點(diǎn)以及千余處舊石器時(shí)代文化遺址。這些證據(jù)似乎表明，現(xiàn)代中國人起源于本土的早期智人，但不少人類學(xué)家和遺傳學(xué)家對(duì)此均持異議。2）考古學(xué)表明，60萬年前北京周口店“人”與現(xiàn)代人之間存在斷層。,東亞人來自非洲的證據(jù),東亞人的遷徙,歐洲人中存在一個(gè)典型的單倍型,A refined physical map o

60、f chromosome 17q21.31 uncovered a 900-kb inversion polymorphism. Chromosomes with the inverted segment in different orientations represent two distinct lineages, H1 and H2, that have diverged for as much as 3 million

61、 years and show no evidence of having recombined. The H2 lineage is rare in Africans, almost absent in East Asians but found at a frequency of 20% in Europeans, in whom the haplotype structure is indicative of a hist

62、ory of positive selection. Here we show that the H2 lineage is undergoing positive selection in the Icelandic population, such that carrier females have more children and have higher recombination rates than noncarrie

63、rs.,組合轉(zhuǎn)換模型,增強(qiáng)子調(diào)控基序在生物進(jìn)化中的作用,,果蠅體節(jié)發(fā)育調(diào)控,MADS-box基因與形態(tài)發(fā)生進(jìn)化,,形態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)錄因子的差別表達(dá)可以改變植物的葉型,1）將煙草一個(gè)含有調(diào)控順序的代謝酶基因插入到同源異型框（homeobox）基因Let6的上游，使Let6基因過量表達(dá)，轉(zhuǎn)化的煙草植株長出反常的羽狀復(fù)葉。 2）人工選擇的栽培玉米失去分枝特性，這一變異是因?yàn)閠b1基因的調(diào)控順序發(fā)生突變，而編碼順序依舊。,多細(xì)胞生物爆發(fā)式進(jìn)

64、化之謎,1) 生物在年前發(fā)生過爆發(fā)式進(jìn)化,幾乎所有現(xiàn)存的生物類群祖先都是在那是出現(xiàn)的.2) 家養(yǎng)動(dòng)植物的進(jìn)化速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人們的想象, 如栽培水稻的歷史只有1萬年左右,但其生態(tài)類型卻極其豐富.3) 多細(xì)胞生物復(fù)雜性狀的迅速進(jìn)化的斷層現(xiàn)象達(dá)爾文和Thompson分別在18世紀(jì)和19世紀(jì)初均已注意到, 這與微小變異的積累理論是相矛盾的.4) Thompson發(fā)現(xiàn)復(fù)雜生物性狀的拓?fù)鋵W(xué)結(jié)構(gòu)是非常保守的, 變異大量表現(xiàn)

65、在數(shù)量特征上.,生物形態(tài)特征迅速進(jìn)化的分子基礎(chǔ),1) FondonIII和Garner提出了一種基于重復(fù)順序消長的假說, 用以解釋生物形態(tài)特征迅速進(jìn)化的分子基礎(chǔ) (PNAS 101, 18058-18063, 2004).2) 這一假說的依據(jù)是: 在基因組的特別位點(diǎn), 重復(fù)順序的消長變化頻率高于點(diǎn)突變100 000倍.滑序復(fù)制的錯(cuò)誤遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于堿基錯(cuò)配的機(jī)率.3) 脊椎動(dòng)物中, 許多涉及發(fā)育控制的基因編碼

66、順序存在大量的重復(fù)順序, 這種分布在種屬間相當(dāng)保守.,歐洲與亞非人之間有拷貝數(shù)的差異,In January, scientists at the Iceland-based company deCODE Genetics found a long inversion — a stretch of DNA that is flipped around backwards — that is common in Europeans, but

67、 not in Asians and Africans (H. Stefánsson et al. Nature Genet. 37, 129?137; 2005). They also found that women who have this inversion bear more children than those who don't — a classic sign that the inversion