复旦基因组学课件12-13基因组进化的分子机制及基因组进化的模式

第12章基因组进化的分子机制1)突变2)重组3)转座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‘GCTGGTGG3’，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.转座1）DNA转座2）RNA转座HIV病毒的结构逆转录病毒RNA基因组(1)逆转录病毒RNA的逆转录(1)逆转录病毒RNA的逆转录(2)逆转录病毒转座非LTR逆转子转座第13章基因组进化的模式1)遗传系统的产生2)基因组进化的模式遗传系统的产生1)RNA世界2)复制,转录,翻译系统的产生3)生命三界RNA世界1)1986年,WalterGilbert发明了“RNAWorld”这一名词,用来表示前生命时期携带信息并具有催化功能的RNA分子.2)1986年,ThomasCech首次发现具有自我催化的RNA分子,四膜虫rRNA分子可以自我剪切.3)1989年,JackSzostak提供实验证据,表明体外RNA分子可以催化复制.3)1990年,SidneyAltman等发现,大肠杆菌RNaseP的RNA亚基可以催化tRNA前体剪切.4)1992年,HarryNoller证实核糖体RNA(rRNA)具有催化肽键形成的功能.由于发现具有催化功能的RNA,ThomasCech和SidneyAltman共享1992诺贝尔化学奖.RNAWorld学说的奠基人Altman的贡献是发现RNaseP,一个由RNA分子和蛋白质组成的酶,催化大肠杆菌tRNA前体的加工.该酶的催化活性是由RNA分子执行的.ThomasCech首次发现具有自我催化的RNA分子,四膜虫rRNA分子可以自我剪切.RNA世界的特征1）具有催化活性的RNA分子称为核酶（ribozyme）；2）核酶催化的生化反应包括：自我剪接内含子I型，II型和III型RNA分子具有的功能.催化切断其它RNA在mRNA和rRNA的加工中URNA分子可催化切除内含子；合成多肽键这是rRNA分子的重要功能之一；催化核苷酸的合成在试管中合成的RNA分子已证明可以完成合成核糖核苷酸、RNA的合成。RNA催化活性的发现解决了以往关于先有多聚核苷酸还是先有多肽链的两难困境，表明最初的生化系统整个地集中在RNA。核糖体本质上是一个核酶---RibozymeRNasePRNA与RNA世界RNA可以自我复制体外RNA分子可以催化RNA复制试管RNA分子进化，产生活性更强的RNA分子。See:Johnstonet,Science292:1320-1325,2001.RNA世界向DNA世界的转变支持RNA世界假说的证据1)RNAapplicationforstoringgeneticinformation(编码功能).2)EvidenceofRNAmolecules(ribozymes)actingaschemicalcatalysts(enzyme-like)properties(肽键合成).3)Evidencesupportingthedenovosynthesisofnitrogen-containingbases(nucleotides)suchasadenine,guanine,cytosine,anduracil,underancientearthconditions(碱基合成).4)EvidenceofthedenovosynthesisoftheRNAsugar(ribose),intheformofribosephosphate,underancientearthconditions(核糖合成).核酶:基因型和表型合为一体核酶所具有的碱基顺序就是它的基因型,它的高级结构及其催化活性就是它的表型.RNA世界假说的不足1)Difficultyattachingtheribosephosphatemoleculestothenucleotidebases.Noevidencehasbeenfoundyet(核苷酸合成困难).2)CatalyticRNA‘s(ribozymes)appeartoocomplextojustappearandbefullyfunctional(催化RNA分子结构太复杂).3)PresentribozymesfounddonotdemonstratethecapacitytofullysynthesizeRNAmolecules.Raisesquestionsintothecapacityofribozymestocauseself-replicationofRNAmolecules(已发现的核酶自身不能完全合成核酸).4)ShortevolutionarytimespanforthedenovosynthesisfromorganicmoleculestoRNAWorldtofulllifeforms(从RNA到生命出现进化时间太短,不到5亿年).基因的起源在细胞出现之前是否就有基因?最初的基因是怎么产生的?基因产生的意义是什么?到目前为此对上述问题还没有一个合理的解释!三个系统的起源关系1)任何生命都有三个不可或缺的系统复制系统转录系统翻译系统2)上述三个系统的起源关系翻译系统最早建立,其次是转录系统,最后是复制系统.没有准确高效的翻译系统,遗传信息的表达是无法实现的,精确复制也失去了意义见:CarlWoese,PNAS,96:6854,1998基因组的起源人们推测基因组的起源可能是:最初的DNA基因组由许多分散的分子组成，每一个指令单个蛋白质，相当于一个基因。这些基因彼此连接成染色体，它们可能在编码的RNA转变为DNA之前或之后出现。由于组成了含更多基因的染色体，在细胞分裂时基因的分配要比分散的类型更加有效而方便，在竟争中占有优势。随着早期基因组的多次进化，彼此连接的基因所具有的不同功能也随之发展与演变。这一假说还无法提供证据.生命之根在哪?CarlWoese认为:不存在一个所谓的祖先细胞,最初的细胞是不稳定的,复合的,具有多向发展潜力的复合物.达尔文进化论只探讨生命出现之后的进化规律,不涉及生命的起源.生命三界生命三界特征比较特征分界——————————————————————————--------------------------细菌古细菌真核生物---------------------------------------------------------------------------------------------------------核膜无无有细胞器无无有细胞壁肽聚糖有无无脂膜成分无分枝碳氢链具某些分枝碳氢链无分枝碳氢链RNA多聚酶一种类型多种类型多种类型蛋白质合成起始氨基酸甲基甲硫氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸基因内含子无有或无有链霉素和氯霉素抗性－＋＋----------------------------------------------------------------------------------------------------------古细菌与真核生物更相似来自海洋火山口的古细菌詹氏甲烷球菌基因组顺序分析显示，它在起源上与真核类生物更加接近：1）古细菌的翻译系统如核糖体蛋白，延伸因子和氨酰tRNA合成酶以及转录系统均与真核生物相似，而与细菌有所不同。2）在代谢系统方面，古细菌与真细菌极为相似。人们推测，古细菌和原始真核细胞可能从原始细胞分别继承了部分共同的遗传物质。真核细胞起源的假说目前有三种关于真核细胞起源的假说:1)共生假说:古细菌进入真细菌彼此互助,随后古细菌形成细胞核,真细菌成为细胞器.2)直生假说:存在含有核膜的细菌,真核细胞为独立起源.3)病毒假说:病毒侵入促使了真核生物的形成.引自Science305:766,2004存在含有核膜的细菌病毒可能参于真核细胞进化红藻(redalgae)的细胞核可以象病毒一样在细胞间转移.基因组进化的模式基因组进化的模式:加倍重排洗牌不等交换扩张与扩增插入与缺失转座因子的作用基因与基因组进化的主要方式-基因和基因组加倍在基因组进化中现有基因的加倍是最重要的方式之一，它们可经由以下途径发生：1）整个基因组加倍；2）单条或部分染色体加倍；3）单个或成群基因加倍。酵母基因组在一亿年前经历了一次完全的加倍引自Goffeau,Nature430:25,2004大多数植物基因组均为多倍体1)大多数植物基因组均由同源多倍体和异源多倍体组成,是基因数目增加的主要方式.3)玉米染色体组由染色体基数n=5加倍为n=10,小麦为6倍体(含A,B,D=7,n=21),油菜为异源多倍体(n=19),棉花,烟草为多倍体,香蕉为3倍体.多细胞动物很少有多倍体1)多细胞动物基因组很少有多倍体报道,产生这一现象的原因可能同动物的发育模式有关.动物发育为封闭式,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胚胎发育产生致命的影响.2)植物的发育是开放式,营养器官不断地重复地产生,生殖器官与营养器官是同源的,因而可以忍受多倍体带来的基因剂量不平衡的干扰.此外植物细胞可直接从外界吸收营养,降低了器官和组织彼此间相互依赖的程度.2R假说Bioessays.2005Sep;27(9):937-45SusumuOhno在1970年首次提出2R假说.他认为,在脊椎动物进化中,曾经发生过2次全基因组水平的加倍.比较基因组顺序表明,无脊椎动物基因成员在哺乳动物35000个基因中平均有两个同源基因.脊椎动物基因组是否发生过整体加倍?尽管已在酵母和植物中发现基因组加倍的证据，但对脊椎动物是否出现过全基因组的加倍，目前还存在不少争论。有些分子生物学家认为，大约1亿年前酵母基因组加倍时脊椎动物也发生了同样事件。他们的理由是，人类基因组中HOX基因簇有4份拷贝，分别位于2，7，12和17号染色体。其他作者则认为，这些重复只是一些独立的事件，不足以表明整个基因组的加倍。确证脊椎动物基因组的2R假说2R假说认为，在无颌类脊椎动物（jawlessvertebrate）出现之前和出现之后分别出现过一次全基因组的加倍，即脊椎动物有过两次全基因组加倍.GenomeResearch11:667–670,20012008年6月完成文昌鱼的基因组序列测序.对文昌鱼和脊椎动物基因组中保留下来的17个先祖脊索动物连锁群进行染色体虚拟重建.结果证实在有颌类脊椎动物演化过程中,确实发生了两轮整基因组加倍现象。2R假说是正确的.Nature453,1064-1071,2008文昌鱼的基因组分析对脊椎动物进化的启示对文昌鱼基因组的最新分析表明，5.5亿年以来进化进程中脊椎动物比原始祖先的基因组多出四倍的拷贝量。将人类的23个染色体与文昌鱼的19个同源色体进行对比分析发现，两个基因组有17个共同的祖先留下的片段。因此，可以肯定的说，在5.5亿年前，人类和文昌鱼共同的祖先有17个同源染色体。祖先的17