第五章基因组的进化与分子系统学

第五章基因组的进化与分子系统学1.生物进化的本质、原因、动力是什么？2.生物进化的方式？3.研究生物进化的方法？4.研究生物进化的意义？5.人类是如何进化而来的？6.基因组进化与疾病的关系?Question0目的：分析比较SARS病毒与冠状病毒科中病毒基因和蛋白的同源性。0方法：利用互联网、分子生物学软件对SARS病毒与冠状病毒科中病毒基因和蛋白同源性分析，构建蛋白进化树。结果：SARS病毒在某些区域基因序列与冠状病毒存在相当大的差异，具有自身比较保守的基因组序列结构。SARS病毒的三个结构蛋白(S、M和N)中与同科其他病毒存在很高的同源性；不同地域SARS病毒的基因序列存在差异。0结论：SARS病毒不是其他冠状病毒的变异体，而是一种与冠状病毒类似，可能早已经独立存在，此前未被人类所认识的新病毒。.SARS病毒基因及蛋白系统分析郑州大学学报(医学版),2003,38(3):338-341对SARS-CoV的基因组特征、基因组序列、基因组变异,以及基因组编码蛋白作了综述，提示SARS-CoV基因组为无分段的单链正义RNA，存在极强的变异能力，其对应氨基酸序列也存在极多的变异点，探索了解SARS-CoV的致病机理。SARS病毒的基因组研究概述结果:1997/200648株毒株PB2基因核苷酸序列同源性分成两组，1997/1998毒株为第一组(G1)，2003/2006毒株为第二组(G2)。PB2基因错义置换导致101个氨基酸位点变异，占比例13.3%(101/759)。提示PB2基因进化主要受到自发突变影响。2003/2006毒株(包括毒株GD-01-06)仅保留一个糖基化位点(NPT301-303)，丢失3个糖基化位点，可能影响蛋白致病性和抗原性。广东人H5N1毒株PB2基因进化和特性结论:目前聚合酶B2(PB2)基因进化分成两组，主要受到除自发突变影响；PB2基因丢失3个糖基化位点可能影响蛋白致病性。人禽流感H5N1毒株PB2基因在自然界变异非常频繁，不断变异将影响H5N1毒株在人-人传播能力和引发大流行。第四军医大学学报,2007,28(17):1547-1550结果:2009年3月以来爆发的新型A/H1N1病毒株聚合酶B1（polymeraseB1，PB1）基因来自于人H3N2，其同源性93.7%；聚合酶B2（polymeraseB2，PB2）和聚合酶A（polymeraseA，PA）与禽H5N1同源性较高，同源性分别为89.0%和89.9%；血凝素（hemagglutinin，HA）核蛋白（nucleoprotein，NP）和非结构蛋白（nonstructuralProtein，NS）与北美地区猪H1N1同源性较高，同源性分别为91.7%、93.1%和93.1%。2009年新型甲型H1N1流感病毒全基因组序列重组分析神经氨酸酶(neuraminidase，NA)和基质蛋白(matrixprotein，MP)与欧洲地区猪H1N1同源性较高，同源性分别为90.5%和95.5%。全基因序列同源性分析发现2009年新型A/H1N1病毒与北美地区猪H1N1病毒同源性最高，为83.9%结论:2009年新型甲型H1N1流感病毒可能是人H3N2、北美地区猪H1N1、欧洲地区猪H1N1和禽H5N1的基因重排病毒。第二军医大学学报,2009,30(6):637-640。结果：不同地区分离的2009年新型甲型H1N1流感病毒的聚合酶PA、PB1和PB2编码基因均具有高度同源性并聚集在一个独特的进化支上，与猪流感病毒对应基因接近。三者均与2005年美国爱荷华州分离的人A/H1N1病毒基因(A/Iowa/CEID23/2005/H1N1)具有高度的相似性。2009年新型甲型H1N1流感病毒、2005年美国爱荷华州流行的H1N1(DQ889682)病毒PB2蛋白第627位氨基酸与禽类流感病毒相同均为谷氨酸而与其他人A/H1N1(1918~2008年)病毒的赖氨酸不同。2009年新型甲型H1N1流感病毒聚合酶编码基因进化分析结论：2009年新型甲型H1N1流感病毒聚合酶基因可能来源于2005年美国爱荷华州分离的人A/H1N1病毒禽流感病毒可能参与了聚合酶基因重排过程。第二军医大学学报,2009,30(6):632-636是A型流感病毒，携带有H1N1亚型猪流感病毒毒株，包含有禽流感、猪流感和人流感三种流感病毒的脱氧核糖核酸（DNA）基因片断。同时拥有亚洲猪流感和非洲猪流感病毒特征。甲型H1N1流感病毒反复重组产生新病毒科学家研究揭示，人流感病毒在每个季节都会经历很多次“重组”，重组也许是产生新型季节性病毒的罪魁祸首。基因反复重组又令病毒具有了不断变化的能力，甲型流感病毒便是这几大特点的最新例证。欧美发现甲流变异病例挪威公共卫生研究院11月20日在其网站上公布了甲型H1N1流感发生变异的消息。已经在三名患者体内发现变异的甲流病毒，其中两人已经死于新型甲流，另一人病情严重。并指出，这是一个纯粹的自然选择过程。《参考消息2009.11.22》。甲流若和禽流重组变异是重大灾难中国工程院院士钟南山27日出席相关活动时表示，目前在做好甲流防控的同时，还应警惕甲流和禽流感发生重组变异。这种情况若出现，“将是一个非常大的灾难”。通过对8200名华人的基因进行大规模分析显示，中国北方人与南方人的基因存在细微差异。这些变异可能产生临床结果并影响疾病的发展，帮助我们了解疾病，从而采取有针对性的预防并最终找到治疗方法比如鼻咽癌在中国南方人中比较普遍，但在北方人中却不常见。这是否与基因变异有关？——《美国人类遗传学杂志》《参考消息》2009.11.27。中国人基因南北有别基因组的组成与结构在整个生命进化过程中是一个不断变化的动态过程，起因于逐代累积的小范围序列突变以及大范围染色体重排。突变与重组是导致基因组不断变化的2个主要因素，它们在机制上彼此无关，差别在于：一、基因组进化的分子基础1.突变系指基因组中小段区域内核苷酸序列的改变。大多数突变是点突变，即核苷酸序列中某一碱基取代了另一碱基，其他的突变则涉及一个或几个核苷酸的插入或缺失。点突变也称为简单突变，有时又称代换突变。点突变分2种类型：0(1)转换(transitions)，系指一种嘌呤变为另一种嘌呤(A→G，G→A)，或一种嘧啶变为另一种嘧啶(C→T，T→C)的突变；0(2)颠换(transversions)，嘌呤变为嘧啶(A→C，A→T，G→C，G→T)，或嘧啶变为嘌呤(C→A，C→G，T→A或T→G)的突变。2.重组系指染色体或DNA分子之间的交换与重组,涉及染色体区段或DNA序列之间的新的连锁关系。分大类：（1）同源重组：发生在同源染色体之间（2）非同源重组：发生在非同源染色体之间，如染色体移位重组是基因组中发生重新组合的区段，具有重要的生物学意义。通过重组，可将基因组变异的范围扩大，增加进化的潜力。重组产生于减数分裂时同源染色体的交换，染色体的倒位和易位（这是狭义的重组），转座成分在同一染色体或不同染色体上转座以及外源DNA的整合（广义的重组）等。3.转座转座是基因组进化的一种重要方式，出现在几乎所有生物类型中。转座与重组不同，它不是某种类型的重组，但利用了重组过程。其结果是一段DNA或其拷贝从基因组的一个位置转移到另一位置,并在插入位点两侧产生一对很短的正向重复序列。分为：(1)DNA转座直接以DNA区段作为转座成分(2)逆转录转座以RNA为中介,通过逆转录酶将转座子RNA拷贝为cDNA后再整合到寄主基因组中二、基因组进化的模式前面讲了突变和重组的概念,但孤立的突变以及重组事件仅提供有关基因组进化历程中很少的内容，只有将这些事件与不同生物基因组之间的比较相结合，才能得出有关基因组进化的模式，找到某些生物学基本问题的答案。1.遗传系统的起源1.1RNA世界有关生命起源的早期研究始终将注意力放在蛋白质与DNA的关系上，不能自圆其说。0在这两类基本的生命物质中:①蛋白质虽可催化许多反应，对一般的蛋白质而言，目前尚无任何证据表明它们可以自我复制。②另一方面,多聚核苷酸可以指令蛋白质的合成，但离开蛋白质一事无成。直到20世纪80年代中期，由于具有催化活性RNA的发现，关于生化系统起源的研究才发生了根本性的改变。这些称为核酶(ribozynie)的RNA包括rRNA和tRNA可以完成多种生化反应。试管里的实验已经证实，具有复制能力的RNA可以突变生成新的RNA分子，后者比它们的“亲代”复制效率更高。精确的复制使RNA分子长度增加，而且不失去其序列专一性，最终可能达到像I型内含子或核糖体RNA这样的复杂结构。这类RNA分子已经兼备生命所具有的两种基本属性：因为复制，成为传递遗传信息的载体；可以催化，直接扮演了表型的角色。1.2基因组的起源根据上面的情况，可以认为应该是：先有RNA，后有DNA。即：RNADNARNA世界向DNA世界的过渡可以概括如下：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（逆转录）。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的分工基本定型：RNA的编码功能由DNA取代，催化功能转移到蛋白质，RNA自身则成为传达遗传信息的中介分子。（在现存的生化体系中我们仍可发现这些原始关系的蛛丝马迹，RNA分子仍在许多方面保留着其原初的风貌）0此后,由DNA组成的基因组成为生命进化的主角。传统生物学将生命世界分为五大王国，即动物，植物，真菌，原生生物和细菌。近年来完成的原核生物和真核生物的基因组测序揭示，在一些最基本的生命特征方面，地球上所有生物可分为三大类群，即真细菌(bacteria)，古细菌或古生菌(archaea)和真核生物(eukarya)三界(domain)。它们是三个独立起源的生命系统，来自共同的单细胞祖先，彼此间不存在承继关系。三界系统与五大王国的差别在于，前者将原生生物、真菌、动物和植物归并在同一界，即真核生物界，而将五大王国中的原核生物分为真细菌界和古细菌界。1.3生命三界生命三界特征比较2.新基因的产生(1)新基因产生的时间生物结构的复杂性伴随着基因组结构的复杂性而逐步增加，这种复杂性的一个指标是基因数目的改变，大多数细菌的基因不到5,000，而脊椎动物如人类则达到30,000(最新资料为20,000-25,000)。有趣的是，进化过程中生物体基因数目的增加不是渐进性的，而是爆发式的。其中发生了二次爆发式的扩张。第一次基因数目的扩张出现在14亿年前真核生物出现的时候，此时从原核生物数千个基因增加到最简单的真核生物10,000多个基因。第二次扩张与首次脊椎动物的出现有关，它们出现于寒武纪末期，原始脊椎动物基因数目可能接近现代脊椎动物的下限。人类在地球上的历史大约100万年相对于地球年龄是非常短暂的.如果把地球表面作成电影胶片，以距今75,700万年前为起点，一年为一个画面，这样一分钟24个画面（相当于24年），1小时86,400个画面，1天2,073,600个画面。从1月1日开始昼夜不停地放映：1-3月：地球上全无生命之影4月：出现单细胞藻类；4月底：出现多细胞生物5月：初见脊椎动物；7月半：最初的陆生植物出现8月末：两栖类陆上动物的先驱登场；9月中旬：爬虫类出现10-11月：恐龙类横行在地球上；不久又出现鸟和兽类12月：为哺乳类时期，并分化出很多种类12月31日：初见人类的影子；下午：地球上反复四次冰河期晚上11点：人类进入旧时器时代；11点45分：进入新石器时代；11点50分：进入文明时代；11点59分40秒：哥伦布发现新美洲；11点59分53秒：美国独立(2)新基因的产生主要有以下方式：①基因加倍之后的趋异，这类基因基本保持原有的基因功能,但往往获得了新的表达模式,这是新基因产生的主要方式。②外显子或结构域洗牌:不同的结构域加倍或重组,产生具有创新功能的基因.真核生物约19％的基因产生于外显子洗牌。③逆转录及其随后的趋异或重排。④外源基