分子進(jìn)化與病毒進(jìn)化(共23頁)_第1頁
分子進(jìn)化與病毒進(jìn)化(共23頁)_第2頁
分子進(jìn)化與病毒進(jìn)化(共23頁)_第3頁
分子進(jìn)化與病毒進(jìn)化(共23頁)_第4頁
分子進(jìn)化與病毒進(jìn)化(共23頁)_第5頁
已閱讀5頁,還剩20頁未讀, 繼續(xù)免費閱讀

下載本文檔

版權(quán)說明:本文檔由用戶提供并上傳,收益歸屬內(nèi)容提供方,若內(nèi)容存在侵權(quán),請進(jìn)行舉報或認(rèn)領(lǐng)

文檔簡介

1、分子(fnz)進(jìn)化與病毒進(jìn)化武漢大學(xué)(w hn d xu)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院 趙旻本章(bn zhn)內(nèi)容提要1. 進(jìn)化總論2. 分子進(jìn)化的模式3. 病毒的起源與進(jìn)化第一節(jié) 進(jìn)化總論進(jìn)化含有連續(xù)變化的意思,而這種變化又帶有定向的成分,進(jìn)化即朝一定方向變化的趨勢。生物從共同祖先由低級到高級,由簡單到復(fù)雜逐步分化演變的過程叫進(jìn)化(evolution)。一.生物進(jìn)化的證據(jù)1.古生物進(jìn)化的證據(jù) 化石 同位素衰變2.比較解剖學(xué)證據(jù) 同源器官 homologue organ 是指具有不同的功能和外部形態(tài),但卻有相同的基本結(jié)構(gòu)的器官。如:蠑螈和鱷的前肢;鳥類的翅和哺乳類 的前肢以及人的手臂。同源器官在構(gòu)造及發(fā)育上的

2、一致性說明這些動物起源于共同的祖先,具有相似的遺傳基礎(chǔ)。 1肱骨;2尺骨和橈骨;3腕骨和掌骨;4指骨3.胚胎學(xué)證據(jù) 從魚類、兩棲類、爬行類、鳥類到哺乳類和人,它們的早期胚胎很相似,都具有鰓裂和尾。這說明脊椎動物也具有共同的祖先,它們均來自用鰓呼吸、有尾的水棲動物祖先,而人類則是從有尾的動物發(fā)展而來的。4.免疫學(xué)證據(jù) 根據(jù)抗原抗體沉淀反應(yīng)的強弱程度,確定不同生物之間的親疏關(guān)系。1964年,Linus Pauling提出分子進(jìn)化理論DNA & RNA: 4種堿基;蛋白質(zhì)分子:20種氨基酸發(fā)生在分子層面的進(jìn)化過程:DNA, RNA和蛋白質(zhì)分子基本假設(shè):核苷酸和氨基酸序列中含有生物進(jìn)化歷史的全部信息細(xì)

3、胞色素C 細(xì)胞色素C是一個具有104112個氨基酸的多肽分子,從進(jìn)化上看,它是很保守的分子。不同生物的細(xì)胞色素C中氨基酸的組成和順序反映了這些生物之間的親緣關(guān)系。 根據(jù)細(xì)胞(xbo)色素C分子中氨基酸順序的差異,可以得知這一分子的基因核苷酸順序的差異,依此也同樣反映出不同生物(shngw)之間的親緣關(guān)系。在細(xì)胞(xbo)色素c中,根據(jù)差異的程度,推算它們在進(jìn)化過程中分歧的時間。大概每2千萬年,有1%的氨基酸殘基發(fā)生替換。在哺乳動物與爬行動物104個氨基酸中,平均有14.3個的差異(占13.7%)??伤愠霾溉轭悘脑极F形爬行類分歧的時間為2.74億年,這與古生物學(xué)上的資料完全相符;陸生脊椎動物與

4、魚類的細(xì)胞色素c中,平均有18.5個氨基酸(占17.8%)的差異,那么兩者分歧的時間應(yīng)為3.56億年。 16S rRNA 通過比較真核細(xì)胞 rRNA的核苷酸順序和“真細(xì)菌”、“古細(xì)菌”的 rRNA核苷酸順序,發(fā)現(xiàn)它們之間截然不同,表明真核細(xì)胞不是來自原核細(xì)胞,而是遠(yuǎn)在原核細(xì)胞生成之前,真核細(xì)胞就已和原核細(xì)胞分開而成獨立的一支,即“早真核生物”,它才是現(xiàn)代真核生物的始祖。(1) Tree of Life: 16S rRNAMitochondrial DNAOut of Africa2.獲得性狀遺傳學(xué)說 法國拉馬克(Lamarck,17441829),科學(xué)進(jìn)化論的創(chuàng)始者。他認(rèn)為生命是連續(xù)的,物種是

5、變化的,環(huán)境改變是物種變化的原因。 主要思想:“用進(jìn)廢退” 。即生物在環(huán)境的直接影響下,經(jīng)常使用的器官逐漸發(fā)達(dá),不使用的器官 逐漸退化,這種后天獲得的性狀可以遺傳下去。 環(huán)境條件的變化決定了變異的方向,因此稱作“定向變異”,同時定向變異又是生物對環(huán)境的一種適應(yīng),即變異適應(yīng),稱為“一步適應(yīng)”。3.自然選擇學(xué)說(達(dá)爾文主義) 英國博物學(xué)家華萊士(Wallace),1858年提出了生物進(jìn)化的見解,和達(dá)爾文結(jié)論如出一轍。 英國人達(dá)爾文( Charles Darwin),1859年出版了一書。為達(dá)爾文主義打下了堅實的基礎(chǔ)。達(dá)爾文進(jìn)化論學(xué)說:(1)遺傳和變異 有遺傳物種才能穩(wěn)定存在;有變異生物界才會絢麗多

6、彩,即世界上沒有兩個生物個體是完全相同的,并且這種變異是隨機產(chǎn)生的,是可遺傳的變異。(2)繁殖過剩 各種生物都有極強大的生殖力。但是自然界中各種生物的數(shù)量在一定時期內(nèi)都會保持相對穩(wěn)定。(3)生存斗爭(shngcnduzhng) 生物存在(cnzi)著繁殖過?,F(xiàn)象,出現(xiàn)了生存斗爭。 種內(nèi)斗爭(du zhng);種間斗爭;生物與非生物之間的斗爭(4)適者生存 生物體普遍存在著遺傳和變異,其中有利變異得到保存,對生存不利的變異遭受淘汰,出現(xiàn)適者生存。變異是隨機的,是沒有方向的,只有通過定向的選擇,才能保存有利變異,以適應(yīng)環(huán)境。即:變異選擇適應(yīng),稱為“二步適應(yīng)”。 總之,通過一代代的生存環(huán)境的選擇作用

7、,物種變異被定向地向著一個方向積累,于是性狀逐漸和原來的祖先種不同了,這樣就演變成了新種,即變異的選擇和積累則是生命多樣性的根源。 第二節(jié) 分子進(jìn)化的模式1. 從物種的一些分子特性出發(fā),構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹,進(jìn)而了解物種之間的生物系統(tǒng)發(fā)生的關(guān)系 tree of life; 物種分類2. 大分子功能與結(jié)構(gòu)的分析:同一家族的大分子,具有相似的三級結(jié)構(gòu)及生化功能,通過序列同源性分析,構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹,進(jìn)行相關(guān)分析;功能預(yù)測3. 進(jìn)化速率和程度分析:例如,HIV的高突變性;哪些位點易發(fā)生突變?分子進(jìn)化的理論自然選擇理論1. 陽性選擇(適應(yīng)性進(jìn)化,達(dá)爾文進(jìn)化):固定有益的等位基因;保持多態(tài)性。 DNA分子顯著出

8、現(xiàn)非同義替代,改變編碼蛋白質(zhì)的氨基酸組成,并產(chǎn)生新的功能2. 陰性選擇(凈化選擇):清除有害突變;DNA分子的同義替代顯著,較少改變蛋白質(zhì)的氨基酸組成,其原來的功能高度保守中性理論 陽性選擇:少有; 陰性選擇:普遍存在; 中性進(jìn)化:普遍存在;同義替代與非同義替代比例相當(dāng),突變不好不壞,不改變或輕微改變蛋白質(zhì)的功能4 分子鐘 分子鐘(molecular clock)是以某一進(jìn)化事件作為劃分時間的刻度,并以此判定其他進(jìn)化事件出現(xiàn)的時間。 具體地說,根據(jù)不同生物DNA序列、同源蛋白質(zhì)的氨基酸序列的差異,結(jié)合其他資料(如有同位素年齡的化石記錄)就可從時間上表示出分子的進(jìn)化速度。 如果這一速度在相當(dāng)長的

9、地質(zhì)時間內(nèi)是相對恒定的,利用已知的不同生物的同源蛋白質(zhì)的氨基酸差異,對照已知的有關(guān)進(jìn)化事件發(fā)生的具體時間,就可按簡單的比例關(guān)系估計出其他進(jìn)化事件發(fā)生的時間。 分子進(jìn)化速率取決于蛋白質(zhì)或核酸等大分子中的氨基酸或核苷酸在一定時間內(nèi)的替換率。每年每個氨基酸置換(zhhun)頻率為0.35 X 10-9個,是個常數(shù)(chngsh)。 兩個物種在同一蛋白分子中的氨基酸相異的數(shù)目即發(fā)生置換(zhhun)的數(shù)目,與該兩種生物分歧的時間成正比。不同蛋白質(zhì)的進(jìn)化速率很不一樣。例如,每變換1的氨基酸殘基所需的時間:血纖維蛋白肽約是 120萬年;血紅蛋白約 610萬年;細(xì)胞色素c約 2000萬年。 血紅蛋白、 Mt

10、DNA 、核DNA 、病毒DNA擁有不同進(jìn)化速率。用MtDNA的基因中的同義置換的頻率來計算進(jìn)化速度要比用核基因快7倍,于是MtDNA便成為測定分子進(jìn)化速度的更方便更合理的“分針,核DNA則為時針,病毒的進(jìn)化速度被比喻為分子鐘的秒針。分子模式DNA序列的進(jìn)化演變氨基酸序列的進(jìn)化演變密碼子進(jìn)化選擇同義與非同義的核苷酸替代DNA 序列的進(jìn)化 1. DNA突變的模式:替代,插入,缺失,倒位2. 核苷酸替代:轉(zhuǎn)換 (Transition) & 顛換 (Transversion)3. 基因復(fù)制:多基因家族的產(chǎn)生以及偽基因的產(chǎn)生A. 單個基因復(fù)制 重組或者逆轉(zhuǎn)錄 B. 染色體片斷復(fù)制 C. 基因組復(fù)制 D

11、NA序列間核苷酸的差異越少,分化時間越短;同一祖先序列衍生的兩條后裔序列間分化的簡單測度就是兩條后裔序列不同核苷酸位點的比例。 (1) DNA突變的模式(2) 核苷酸替代:轉(zhuǎn)換 & 顛換轉(zhuǎn)換:嘌呤被嘌呤替代,或者嘧啶被嘧啶替代顛換:嘌呤被嘧啶替代,或者嘧啶被嘌呤替代基因復(fù)制:單個基因復(fù)制基因復(fù)制:染色體片段復(fù)制基因復(fù)制:基因組復(fù)制(2) 同源性分析-功能相似性O(shè)rtholog (直系同源物):兩個基因通過物種形成的事件而產(chǎn)生,或,源于不同物種的最近的共同祖先的兩個基因,或者兩個物種中的同一基因,一般具有相同的功能Paralog (旁系同源(tn yun)物):兩個基因在同一(tngy)物種中,

12、通過至少一次基因(jyn)復(fù)制的事件而產(chǎn)生Xenolog (異同源物):由某一個水平基因轉(zhuǎn)移事件而得到的同源序列Convergent evolution: 通過不同的進(jìn)化途徑獲得相似的功能,或者,功能替代物(3) HIV protease: 高突變性Ka/Ks 1, 強的正選擇壓力,具有很高的可突變性氨基酸序列的進(jìn)化氨基酸序列較核苷酸序列更為保守,對年代跨度大的進(jìn)化分析大多采用氨基酸序列數(shù)據(jù);對于編碼蛋白質(zhì)的基因序列對齊排列時可能需要借助氨基酸序列的校正;氨基酸置換模型比核苷酸置換模型簡單。密碼子偏好及相應(yīng)分析密碼子(codon): 在隨機或者無自然選擇的情況下,各個密碼子出現(xiàn)頻率將大致相等密

13、碼子偏好:各個物種中,編碼同一氨基酸的不同同義密碼子的頻率非常不一致可能的原因:密碼子對應(yīng)的同功tRNA豐度的不同系統(tǒng)發(fā)育分析軟件介紹相關(guān)軟件Phylip軟件包介紹由華盛頓大學(xué)遺傳學(xué)系開發(fā),免費的系統(tǒng)發(fā)育分析軟件包。目前最廣泛使用的系統(tǒng)發(fā)生分析程序,主要包括以下幾個程序組:分子序列組,距離矩陣組,基因頻率組,離散字符組,進(jìn)化樹繪制組。訪問及免費下載地址: HYPERLINK /phylip.html /phylip.html獲得的結(jié)果文件中,文本文件outfile3顯示如下:樹文件outtree3.tre用TREEVIEW軟件打開顯示: 第三節(jié) 病毒的起源與進(jìn)化提綱病毒的基礎(chǔ)知識病毒的起源病毒

14、或遺傳物質(zhì)從它的前身大分子中獨立出來進(jìn)行自主復(fù)制和進(jìn)化的時候,稱為病毒起源。當(dāng)病毒獲得了決定自身繁殖和命運的遺傳信息量時,它就獲得了新的分類地位成為獨立的遺傳元件。無論是病毒還是類病毒都不具有獨立進(jìn)行生物合成的能力,它們都是細(xì)胞的寄生物,因此在進(jìn)化上病毒的出現(xiàn)不可能早于細(xì)胞;病毒能在種間傳遞核酸序列,因而它在生物進(jìn)化上起著重要作用?,F(xiàn)今流行的進(jìn)化順序觀點是: 生物大分子 細(xì)胞 病毒認(rèn)為病毒是細(xì)胞的演化產(chǎn)物,其主要論據(jù)與論點為: 病毒的徹底寄生性; 有些病毒(如腺病毒)的核酸與哺乳動物細(xì)胞 DNA某些片段的堿基序列十分相似。(癌基因) 病毒可以看做是DNA與蛋白質(zhì)或RNA與蛋白質(zhì)形成的復(fù)合(fh

15、)大分子,與細(xì)胞內(nèi)核蛋白分子有相似之處。由此推論:病毒(bngd)可能是細(xì)胞在特定條件下“扔出”的一個基因組,或者是具有復(fù)制與轉(zhuǎn)錄能力的mRNA。這些(zhxi)游離的基因組,只有回到它們原來的細(xì)胞內(nèi)環(huán)境中才能進(jìn)行復(fù)制與轉(zhuǎn)錄。二、病毒的起源一)退化性起源(二)起源于宿主細(xì)胞中的RNA和(或)DNA成分(三)起源于具有自主復(fù)制功能的原始大分子病毒的進(jìn)化病毒與機體相互作用常見病毒進(jìn)化分析病毒是高度進(jìn)化的生物,并且仍在不斷地進(jìn)化,由于病毒的大小和形態(tài)對基因組的限制,它們演化成最經(jīng)濟(jì)、有效的生命形式之一病毒一般只編碼從宿主細(xì)胞中不能得到的功能,除功能基因外很少浪費基因組序列病毒的結(jié)構(gòu)在進(jìn)化過程中演變得

16、具有雙重功能:蛋白質(zhì)外殼一方面保護(hù)病毒在環(huán)境中的穩(wěn)定性,另方面保證病毒進(jìn)入細(xì)胞后能迅速脫掉外殼進(jìn)行復(fù)制病毒的分類:單純以DNA為遺傳物質(zhì)的病毒生活不同階段以DNA和RNA為遺傳物質(zhì)的病毒單純以RNA為遺傳物質(zhì)的病毒朊病毒 一般認(rèn)為它們有著不同的起源和不同的進(jìn)化.意義通過研究現(xiàn)存的病毒,希望了解病毒的起源和進(jìn)化歷程,預(yù)示病毒特別是人類病原病毒未來的變異和進(jìn)化方向。了解隨著環(huán)境因素的變化,病毒將如何變異、變異的速度、選擇壓力等,從而能有效地控制和避免人類和動物病毒病的爆發(fā)。病毒起源(一)退化性起源學(xué)說支持證據(jù):一些中間型的細(xì)胞內(nèi)寄生物,如立克次體,衣原體;麻風(fēng)桿菌;也可解釋線粒體、葉綠體的寄生原因

17、退化原則:僅保留維持自主復(fù)制的核酸、調(diào)控蛋白、與宿主生物體和復(fù)制相互作用的功能。(二)宿主細(xì)胞中RNA和(或)DNA成分的起源學(xué)說病毒獨立需要條件: 復(fù)制的起始位點; 保護(hù)性蛋白外殼,使它們能在細(xì)胞外環(huán)境中存在; 對于RNA病毒,它們還需要(xyo)復(fù)制酶。1、類病毒(bngd)和衛(wèi)星病毒的起源2、質(zhì)粒、插入(ch r)子和轉(zhuǎn)座子(DNA病毒)3、RNA病毒起源于可自主復(fù)制的 mRNAs4、反轉(zhuǎn)子( Retron)(逆轉(zhuǎn)錄病毒)1、類病毒和衛(wèi)星病毒的起源 可能是細(xì)胞RNA獲得復(fù)制原點后進(jìn)化產(chǎn)生的類病毒是很小的桿狀RNA分子,由200-400bp組成,無衣殼。在核內(nèi)增殖,利用宿主細(xì)胞RNA聚合酶

18、進(jìn)行復(fù)制。衛(wèi)星病毒的RNA分子大小與類病毒相似,1002000 bp, 具有蛋白外殼。 植物病毒(多數(shù)) 噬菌體或動物病毒(少數(shù))二者都完全依賴于宿主進(jìn)行復(fù)制。 2、質(zhì)粒、插入子和轉(zhuǎn)座子質(zhì)粒(Plasmid)是存在于細(xì)菌細(xì)胞質(zhì)中獨立于染色體而自主復(fù)制的共價、封閉、環(huán)狀雙鏈DNA分子,其自主復(fù)制所需的必要條件與病毒一樣。含有抗性基因、質(zhì)粒與宿主DNA進(jìn)行整合和交換的基因插入子和轉(zhuǎn)座子加快進(jìn)化速率 轉(zhuǎn)座子是大小為750-40, 000bp的DNA分子,可從DNA的一個位點轉(zhuǎn)移至另一位點,是由位于轉(zhuǎn)座子兩端的插入子介導(dǎo)。 插入子帶有20-40bp的反向重復(fù)序列,中間編碼轉(zhuǎn)座酶。 有利于病毒復(fù)制和細(xì)胞

19、間轉(zhuǎn)移基因。轉(zhuǎn)座的三種類型:復(fù)制性轉(zhuǎn)座、簡單轉(zhuǎn)座(非復(fù)制性轉(zhuǎn)座)、含有RNA中間體的復(fù)雜型復(fù)制轉(zhuǎn)座3、 RNA病毒起源于可自主復(fù)制的mRNAs一般認(rèn)為RNA病毒起源獨立于DNA病毒。細(xì)胞mRNA獲得了自我復(fù)制的能力,這種自我復(fù)制的mRNA一旦獲得了編碼殼蛋白的基因,一個簡單的RNA病毒就誕生了。4、反轉(zhuǎn)子(Retron)Retron 是在一種古細(xì)菌(介于原核生物和真核生物之間的第三類生物)中發(fā)現(xiàn)的遺傳單元,它是僅含一個基因(逆轉(zhuǎn)錄酶)并且能自我復(fù)制的一段核酸分子,具有重要的基因捕獲功能。Retron msDNA 從細(xì)胞捕獲envelope基因 有包膜的反轉(zhuǎn)錄病毒(retrovirus) DNA

20、 病毒的產(chǎn)生(三)病毒起源于具有自主復(fù)制功能的原始大分子的學(xué)說首先是RNA的形成和復(fù)制,然后演變出RNA-蛋白介導(dǎo)的一系列反應(yīng),最后產(chǎn)生了DNA。 DNA由于比RNA穩(wěn)定而最終成為遺傳信息。RNA的反應(yīng)性有利于它作為(zuwi)催化物而不利于它成為遺傳物質(zhì)。 有些分子被包裝在細(xì)胞和組織中,形成宿主細(xì)胞,另一些分子則自我復(fù)制或寄生(jshng)在宿主細(xì)胞中,進(jìn)化成為病毒。 這一理論認(rèn)為病毒與宿主是共進(jìn)化的?,F(xiàn)今的類病毒和衛(wèi)星RNA,仍保留有部分的RNA催化性能,因而被一些(yxi)學(xué)者認(rèn)為是生命形式出現(xiàn)以前的RNA世界的化石??偠灾?,病毒起源是復(fù)雜和多元化的,不同病毒有著不同的起源,至少在DN

21、A病毒和RNA病毒之間是如此,隨著更多研究資料的積累,相信我們會獲得更多的新證據(jù)。 目前基本的共識,那就是病毒是一個可動遺傳單元,在相應(yīng)的條件下進(jìn)行細(xì)胞之間的定位傳遞。作為大分子物質(zhì),病毒起源實際就是生物大分子的起源,是當(dāng)今生命科學(xué)中最重要的命題之一。三、病毒的進(jìn)化 1、研究病毒進(jìn)化的復(fù)雜性病毒極小,無法用常規(guī)的進(jìn)化生物學(xué)方法研究進(jìn)化; 病毒不像其他生物有“化石”或“遺體”可供進(jìn)化研究之用; 病毒的進(jìn)化有一定的隨機性, 很難從病毒的現(xiàn)狀或短暫時間內(nèi)病毒演變的情況, 來推論出病毒演變的過去和未來。2、病毒進(jìn)化的基礎(chǔ) 變異是病毒進(jìn)化的基礎(chǔ) 突變(mutation)重組(recombination)

22、重排(reassortment) 基因重復(fù)(gene duplication突變 主要是指單個堿基的替換、插入或缺失。不同病毒的變異頻率差異很大。變異性差異反映了寄主范圍的差異。突變往往產(chǎn)生小的替代、插入或缺失,這是病毒的微觀進(jìn)化(microevolution),是病毒“準(zhǔn)種”形成的原因。 如果環(huán)境變化大,病毒的突變率就高;如果環(huán)境穩(wěn)定,病毒就進(jìn)入相對穩(wěn)定階段。RNA 病毒的高突變率可以看成是一種進(jìn)化策略。 重組 是復(fù)制時不同遺傳株的核苷酸鏈間交換遺傳信息片段的過程,可分為同源重組和非同源重組。在實驗中能檢測到的同源重組率相對較高,但實際發(fā)生的非同源重組可能比檢測到的要高。 重組是宏觀進(jìn)化 (

23、macroevolution) ,病毒通過重組可以獲得新的基因,增加對寄主的適合度,使有益性狀得以產(chǎn)生和傳播,使有害性狀得以清除。 病毒(bngd)突變率高的原因:(1)突變(tbin)、重組和重排;(2)病毒(bngd)在短時間內(nèi)能復(fù)制許多代;(3)在高感染復(fù)數(shù)條件下,會產(chǎn)生一些缺陷型病毒。細(xì)胞基因、轉(zhuǎn)基因等對病毒進(jìn)化的影響 a、病毒基因與細(xì)胞基因的重組 病毒和其寄主中表達(dá)的一些基因可能發(fā)生許多重組,進(jìn)而產(chǎn)生毒性更強的新變株(種) 。如:含有28S 核糖體RNA 序列插入的流感病毒變株、含有泛素編碼序列的牛病毒性腹瀉病毒等的毒性均發(fā)生變化。丁型肝炎病毒(HDV)可能是由近于類病毒的祖先和一個

24、寄主基因重組進(jìn)化來的。許多致癌的反轉(zhuǎn)錄病毒也是通過重組俘獲寄主基因,進(jìn)而產(chǎn)生毒性更強的新變株(種) 。 b、病毒基因與轉(zhuǎn)基因的重組 轉(zhuǎn)基因與缺陷型病毒間可以重組,重組后恢復(fù)活性。 如:花椰菜花葉病毒(CaMV) 的1841 株系本來不能侵染茄科植物,但該株系獲得轉(zhuǎn)基因序列后,改變了所致癥狀,并能侵染某些茄科植物。c、入侵病毒對病毒進(jìn)化的影響 缺失的黃瓜壞死病毒RNA和番茄叢矮病毒RNA均不能自主復(fù)制,但二者混合接種植物或原生質(zhì)體產(chǎn)生了嵌合重組體, 該重組體可以侵染植物。這表明如果植物在自然條件下受兩種或多種病毒的侵染可能會產(chǎn)生新的病毒。 異源重組在競爭中處于劣勢,因而多不能存活病毒進(jìn)化的基本特

25、征 1)“新”病毒不斷產(chǎn)生,而且基本上是從另一種宿主的病毒演化而來。 病毒 自然宿主 人流感病毒的亞型 禽、豬、馬 漢坦病毒 (出血熱病毒) 嚙齒類(老鼠) 登革熱病毒 蚊子 埃博拉病毒 猴 人類免疫缺陷病毒 靈長類(2) 新病毒產(chǎn)生后,在新的宿主以較快的速度進(jìn)行變異,充分增加其多樣性。(3) 新病毒穩(wěn)定后,病毒的毒力大多處在中等水平上(具有選擇優(yōu)勢)。 (4) 病毒的進(jìn)化既有一定的隨機性,又受到一定的選擇(xunz)壓力而呈現(xiàn)一定的方向性和穩(wěn)定性。 (5) 病毒(bngd)的各個基因以及基因的各個部分,在進(jìn)化上具有不同的進(jìn)化特征。 如:流感病毒外殼蛋白和內(nèi)部蛋白病毒(bngd)進(jìn)化的根本目的

26、病毒進(jìn)化的根本目的是增加病毒的多樣性。通過跨宿主轉(zhuǎn)移的方式是較為快速、高效擴(kuò)增病毒多樣性的方式,比完全產(chǎn)生一個新病毒更容易,也有利于病毒在更廣泛的宿主環(huán)境中進(jìn)行數(shù)量上的擴(kuò)增和種類上的發(fā)展。病毒的多樣性一開始在宿主體內(nèi)發(fā)展較快。新病毒穩(wěn)定后,病毒的毒力大多處在中等水平。病毒進(jìn)化的研究方法病毒基因組特別小,進(jìn)化快,受干擾因素少, 是一種研究進(jìn)化問題的很好材料。研究病毒的進(jìn)化的方法:通過序列同源性、基因組排列順序、基因組的基因組成等方面構(gòu)建病毒的進(jìn)化樹。 單基因的進(jìn)化樹并不一定代表病毒的進(jìn)化樹,多個基因串聯(lián)所獲得的進(jìn)化樹比單基因的進(jìn)化樹具有更好的穩(wěn)定性。 研究基因組成的演化對揭示基因的起源及病毒與宿

27、主之間的關(guān)系具有重要意義。(1)病毒核酸序列測定PCR 擴(kuò)增、純化后可直接測序,用于序列分析。(2)查找相似的序列采用BLAST 服務(wù)器檢索, 可查找不同來源病原體的相似序列(3)計算序列的同源性大小并制作進(jìn)化樹一組相關(guān)病毒的進(jìn)化史稱為種系發(fā)生, 常以分叉的進(jìn)化樹表示 兩個枝端的毒株在其起點處有著共同的祖先。毒株的親緣關(guān)系的遠(yuǎn)近以樹枝的長短表示。進(jìn)化樹的推導(dǎo)受多種因素的影響:一方面由于快速測序技術(shù)的發(fā)展, 毒株序列數(shù)據(jù)積累很多, 樣本越多它們之間種系關(guān)系中可能的排列組合方式呈指數(shù)增加, 從中可能推導(dǎo)出的樹的種類就越多, 這就給分析工作增加了難度。另一方面毒株的樣本收集不全也會使得出的進(jìn)化樹與真

28、實的情況有差異。根據(jù)遺傳距離推導(dǎo)進(jìn)化樹:是最經(jīng)典的方法, 最初用于分類學(xué)的研究。它由不同毒株的核苷酸序列的差異推導(dǎo)出兩毒株的遺傳距離, 再由多組遺傳距離數(shù)據(jù)推導(dǎo)出種系發(fā)生關(guān)系。7、DNA、RNA病毒的變異與進(jìn)化 影響病毒基因組產(chǎn)生進(jìn)化的主要力量是突變和重組。由于病毒變異頻率快、短時間能復(fù)制許多代、會產(chǎn)生一些缺陷性病毒,導(dǎo)致病毒變異快. 變異導(dǎo)致病毒生物功能的巨大變化.從而改變了病毒與宿主細(xì)胞的關(guān)系(gun x),面對新宿主的選擇壓力成為迫使病毒進(jìn)化的原因之一。意義(yy)1.研制(ynzh)減毒活疫苗 。2.應(yīng)用于基因工程。是利用病毒表面抗原的基因,以制備疫苗或診斷用抗原。如乙型肺炎病毒編碼表

29、面抗原的DNA片段已在酵母菌中表達(dá);探索病毒作為基因工程載體的可能性,以治療人類遺傳疾病或創(chuàng)造動物新品種的目的。DNA病毒的進(jìn)化由于基因組大小的限制所產(chǎn)生的進(jìn)化約束基因的倍增:病毒的外殼對病毒的基因組的大小產(chǎn)生了限制,而病毒基因組上很少有非編碼序列存在.許多基因家族是靠基因倍增和漂移所產(chǎn)生,但因基因組缺少空間,這類基因會在病毒進(jìn)化中丟失。非必需基因:病毒通過非必需基因進(jìn)化出一種導(dǎo)致免疫反應(yīng)弱化的機制,使子代病毒的產(chǎn)量提高,從而達(dá)到長期慢性或持續(xù)性生長.如腺病毒的E3糖蛋白基因.RNA病毒的進(jìn)化RNA病毒可以看作是一類特殊的mRNA分子 正鏈病毒:基因組能直接翻譯成蛋白質(zhì),不含蛋白質(zhì)的基因組有感

30、染性。 負(fù)鏈病毒:基因組為mRNA的互補鏈能,必須先轉(zhuǎn)錄才能翻譯。 雙鏈病毒 根據(jù)序列的同源性,RNA病毒被組合成幾個超家族 同一家族的不同病毒被視為來源于同一祖先。 RNA病毒在進(jìn)化史上可能只有一次起源,目前所有的RNA病毒可能是由一個原始的病毒經(jīng)過分化、重組、基因復(fù)制而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)表明:RNA病毒的進(jìn)化速度比宿主的進(jìn)化速度快主要是它的突變頻率比宿主細(xì)胞大約高4個數(shù)量級快速變異率使得人們推斷,現(xiàn)存的具有復(fù)制蛋白序列同源性的動、植物RNA病毒在進(jìn)化上相互分離的時間要遠(yuǎn)晚于植物與動物分離的時間RNA病毒變異與進(jìn)化的主要原因是突變,特別是點突變.此外還有缺失突變和重排多數(shù)RNA聚合酶不具備錯誤修復(fù)能

31、力.錯誤發(fā)生率高突變基因組的存在有利于病毒迅速適應(yīng)各類變化著的環(huán)境兩個具有分段基因組的病毒在產(chǎn)生子代病毒時將其遺傳物質(zhì)重新組合,稱重排。重排是具有分段基因組的病毒進(jìn)化的一個機制。在進(jìn)化中,隨著條件不同,病毒有時可以分散形成分段基因組,有時又可組成單一基因組,前者的優(yōu)勢是可以借助重排方便地進(jìn)行遺傳交換,而后者的優(yōu)勢是能將包含所有遺傳信息的單一RNA分子便利地包裝和運輸。重組是兩種不同來源的序列經(jīng)過共價組合形成新的核酸序列.RNA 病毒重組現(xiàn)象并不普遍。四、病毒與機體相互作用進(jìn)化關(guān)系對于病毒來說,基因突變的產(chǎn)生(chnshng),實際上依然是由于在病毒感染過程中,病毒與宿主細(xì)胞的相互作用所形成的選

32、擇誘導(dǎo)效應(yīng)。病毒(bngd)的進(jìn)化,無論其是有利于病毒的生存,還是不利于病毒的生存,或者增加病毒毒力還是減弱病毒毒力,均取決于它與宿主細(xì)胞、個體、群體相互作用的感染過程。對某些病毒而言,這類突變引起的表型變化并不明顯,但對另外一些病毒,這類突變引起的表型變化極為顯著(xinzh),它常常形成直接的病毒抗原性、毒力的改變,其中最典型的例子就是流感病毒。1、病毒識別細(xì)胞受體能力的進(jìn)化 病毒要感染細(xì)胞,其首要的前提條件就是結(jié)合到細(xì)胞膜上。由于病毒的表面結(jié)構(gòu)較為簡單,必須尋找一個相應(yīng)的位于細(xì)胞表面的結(jié)合分子,也就是通常說的受體。 例如:流感病毒的受體為細(xì)胞膜表面的唾液酸分子。實際上就是蛋白分子與另一個

33、(后者可以是蛋白分子、多糖分子等)在結(jié)構(gòu)構(gòu)象上的對應(yīng)關(guān)系,而形成空間上的相互接近,并在氫鍵、范德華力的作用下完成的結(jié)構(gòu)結(jié)合過程。在病毒殼蛋白中的一個氨基酸的改變可以影響病毒與受體的識別,以致改變病毒的組織嗜性甚至改變其病理結(jié)果。僅能感染靈長類動物的脊髓灰質(zhì)炎病毒l型Mahoney株的殼蛋白中制造一個氨基酸的突變。就可以使其能夠感染嚙齒類動物的小鼠。在HIV的病原學(xué)研究發(fā)現(xiàn),對于HIV的來源,一個傾向性的共識就是由于猿猴免疫缺陷病毒 (SIV)在偶然的情況下感染人體后,經(jīng)過人T細(xì)胞或其他細(xì)胞后發(fā)生較大的變異,形成了能夠識別人CD4受體及其他趨化素受體的能力,最終形成了HIV。病毒在受體識別及結(jié)合

34、能力上的進(jìn)化,對于病毒整體上與宿主相互作用后導(dǎo)致的全面進(jìn)化,對病毒的新種的形成,對病毒感染宿主的擴(kuò)大、組織嗜性的改變等都極為重要。 2、病毒進(jìn)化與免疫逃逸 由于病毒結(jié)構(gòu)上與受體結(jié)合的結(jié)構(gòu)部位通常都是免疫學(xué)中的中和抗體所涉及的主要抗原表位,因此,這個部位在與受體結(jié)合過程中的改變也必然形成免疫逃逸效應(yīng),即機體中曾經(jīng)針對此抗原表位形成的中和性抗體將對該病毒的再次入侵失去中和能力,從而使病毒在受體識別及結(jié)合能力上的變化演變?yōu)椴《驹谒拗魅后w中感染能力的變化。 免疫系統(tǒng)對病毒的反應(yīng) 天然免疫系統(tǒng),它包括多種非特異性的細(xì)胞和殺傷性因子,是在病毒侵入機體后立即做出應(yīng)急反應(yīng)的系統(tǒng); 獲得性免疫系統(tǒng),它包括特異性

35、的殺傷細(xì)胞、識別輔助細(xì)胞、特異性抗體、免疫記憶性細(xì)胞等,是在病毒初次入侵后能夠加以認(rèn)識形成特異性反應(yīng),并在病毒再次入侵時立即識別并加以反應(yīng)性清除的系統(tǒng)。 由此構(gòu)成的對病毒的選擇壓力通常稱為免疫選擇。進(jìn)化理論和實驗分析表明,病毒在這樣的免疫選擇之下形成的本能反應(yīng)就是逃避宿主(szh)的免疫防衛(wèi)。這種逃避的主要方式就是利用病毒基因中序列突變的多樣性。這種方式在一些病毒(如流感病毒和包括(boku)HIV在內(nèi)的逆轉(zhuǎn)錄病毒(bngd)家族)表現(xiàn)出極其典型的特征。 同時,作為病毒免疫反應(yīng)中重要的一部分,細(xì)胞免疫反應(yīng)也以抑制病毒在機體內(nèi)增殖的方式對病毒的進(jìn)化形成相應(yīng)的免疫選擇作用。而病毒也以一種未知的方式

36、反饋作用于機體細(xì)胞免疫系統(tǒng),二者的相互作用形成了病毒在其復(fù)制及感染病理學(xué)特性上的改變和細(xì)胞免疫性狀的改變。 一種由不斷變異病原導(dǎo)致的疾病一種最易傳播、最難控制的疾病一種常橫掃全球肆虐人類的疾病一種最善變早期難于診斷的疾病不同型流感病毒抗原變異的差異:甲型流感病毒的抗原變異極為頻繁,種類繁多乙型流感病毒有抗原變異,但較少丙型流感病毒沒有抗原變異抗原變異的意義:逃避人群免疫主要變異的抗原:- 表面抗原HA(血凝素)的變異- 表面抗原NA(神經(jīng)氨酸酶)的變異根據(jù)RNA片段變異幅度大小將抗原變異分為兩類:- 抗原轉(zhuǎn)換 (Antigenic Shift)- 抗原漂移 (Antigenic Drift)

37、每次全球大流行被認(rèn)為是抗原轉(zhuǎn)換的結(jié)果,每次局部小流行被認(rèn)為是抗原漂移的結(jié)果.RNA組學(xué)及技術(shù)(jsh)生物信息(xnx)的傳遞中心法則(zhn xn f z)真核生物基因表達(dá)的調(diào)控DNA水平的調(diào)控 ( DNA regulation)轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控(transcriptional regulation)轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控(post transcriptional regulation)翻譯水平的調(diào)控(translational regulation)翻譯后水平的調(diào)控(protein maturation)RNA組學(xué) (RNomics)是研究細(xì)胞中snmRNAs的種類、結(jié)構(gòu)和功能的科學(xué)。同一生物體內(nèi)

38、不同種類的細(xì)胞、同一細(xì)胞在不同時間、不同狀態(tài)下RNAs的表達(dá)具有時間和空間特異性。轉(zhuǎn)錄組學(xué)(transcriptomics)轉(zhuǎn)錄組是轉(zhuǎn)錄后的所有mRNA的總稱。轉(zhuǎn)錄組學(xué)就是在基因組學(xué)后新興的一門學(xué)科,即研究細(xì)胞在某一功能狀態(tài)下所含mRNA的類型與拷貝數(shù)。基因組信息人:30,000; 果蠅Drosophila melanogaster (fly) 12,000 線蟲Caenorhabditis elegans (worm) -14,000 人和鼠的蛋白質(zhì)編碼基因99%是共同的。 人個體間單倍體基因組的堿基差異300萬個,其中1萬個(0.3%)出現(xiàn)在蛋白質(zhì)編碼基因中,且絕大多數(shù)存在于密碼(m m)

39、子的第3字母(密碼的兼并性)。 98%轉(zhuǎn)錄物是非編碼(bin m)蛋白RNA。RNA的種類及主要(zhyo)功能Ribosomal RNAs (rRNAs): translationTransfer RNAs (tRNAs): translation Messenger RNAs (mRNAs): protein templateNoncoding RNAs(ncRNAs): various types and functions非編碼RNA的名稱與縮寫符號Noncoding RNAs (ncRNAs,in eukaryotes)Small RNA (sRNA, in bacteria)Sma

40、ll nuclear RNAs (snRNAs)Small nucleolar RNAs (snoRNAs)MicroRNA (miRNA)Small temporal RNAs (stRNAs) 小RNASmall interfering RNAs (siRNAs)RNA interference (RNAi)Guide RNAs (gRNAs)tRNA/mRNA (t/mRNA)隨著人類基因組計劃的初步完成,接下來的問題是這些基因的功能是什么、不同的基因參與了哪些細(xì)胞內(nèi)不同的生命過程、基因表達(dá)的調(diào)控、基因與基因產(chǎn)物之間的相互作用、以及相同的基因在不同的細(xì)胞內(nèi)或者疾病和治療狀態(tài)下表達(dá)水平等等

41、。因此,在人類基因組項目后,轉(zhuǎn)錄組的研究迅速受到科學(xué)家的青睞。轉(zhuǎn)錄組與基因組的區(qū)別與基因組不同的是,轉(zhuǎn)錄組的定義中包含了時間和空間的限定。同一細(xì)胞在不同的生長時期及生長環(huán)境下,其基因表達(dá)情況是不完全相同的。人類基因組包含有30億個堿基對,其中大約只有2.5萬個基因轉(zhuǎn)錄成mRNA分子,轉(zhuǎn)錄后的mRNA能被翻譯生成蛋白質(zhì)的也只占整個轉(zhuǎn)錄組的40%左右。同一種組織表達(dá)幾乎相同的一套基因以區(qū)別于其他組織,如:腦組織或心肌組織等分別只表達(dá)全部基因中不同的30%而顯示出組織的特異性。RNA分子的作用可能具有決定性意義RNA分子是生物多樣性的重要體現(xiàn)者之一醫(yī)學(xué)應(yīng)用轉(zhuǎn)錄組譜可以提供什么條件下什么基因表達(dá)的信息

42、,并據(jù)此推斷相應(yīng)未知基因的功能,揭示特定調(diào)節(jié)基因的作用機制。通過這種基于基因表達(dá)譜的分子標(biāo)簽,不僅可以辨別細(xì)胞的表型歸屬,還可以用于疾病的診斷。 例如:阿爾茨海默病(Alzheimersdiseases,AD)中,出現(xiàn)神經(jīng)原纖維纏結(jié)的大腦神經(jīng)細(xì)胞基因表達(dá)譜就有別于正常神經(jīng)元,當(dāng)病理形態(tài)學(xué)尚未出現(xiàn)纖維纏結(jié)時,這種表達(dá)譜的差異即可以作為分子標(biāo)志直接對該病進(jìn)行診斷。同樣(tngyng)對那些臨床表現(xiàn)不明顯或者缺乏診斷標(biāo)準(zhǔn)的疾病也具有診斷意義, 自閉癥:目前對自閉癥的診斷要靠長達(dá)十多個小時的臨床評估才能做出判斷?;A(chǔ)研究證實自閉癥不是由單一基因引起(ynq),而很可能是由一組不穩(wěn)定的基因造成的一種多基

43、因病變,通過比對正常人群和患者的轉(zhuǎn)錄組差異,篩選出與疾病相關(guān)的具有診斷意義的特異性表達(dá)差異,一旦這種特異的差異表達(dá)譜被建立,就可以用于自閉癥的診斷,以便能更早地,甚至可以在出現(xiàn)自閉癥臨床表現(xiàn)之前就對疾病進(jìn)行診斷,并及早開始干預(yù)治療。轉(zhuǎn)錄組的研究應(yīng)用于臨床的的另一個例子是可以將表面上看似相同的病癥分為多個亞型,尤其是對原發(fā)性惡性腫瘤( xng zhng li),通過轉(zhuǎn)錄組差異表達(dá)譜的建立,可以詳細(xì)描繪出患者的生存期以及對藥物的反應(yīng)等等。反義技術(shù)導(dǎo)入特定的反義核酸反義RNA核酶(ribozyme)使RNA失活轉(zhuǎn)錄和翻譯水平核酶(ribozyme)具有酶促活性的RNA稱為核酶1982年,美國Thom

44、as Cech 在研究四膜蟲rRNA自我剪接時發(fā)現(xiàn),同時加拿大的Sidney Altman 發(fā)現(xiàn)RNase P分子中的RNA組分有催化活性;1989年分享了Noble 化學(xué)獎。核酶研究的意義核酶的發(fā)現(xiàn),對中心法則作了重要補充;不僅拓寬了生物催化劑的領(lǐng)域,對傳統(tǒng)酶學(xué)形成挑戰(zhàn);而且對RNA的生物學(xué)功能開創(chuàng)了一種歷史性的新認(rèn)識:RNA不僅具有儲存和傳遞遺傳信息的功能,而且還具有生物催化劑的功能,在一定程度上可以說,RNA一身兼有DNA和蛋白質(zhì)兩大類生物大分子的功能。利用核酶的結(jié)構(gòu)設(shè)計合成人工核酶 RNA干擾 一些小的雙鏈RNA可以高效、特異地阻斷體內(nèi)特定基因表達(dá),促使RNA降解,誘使細(xì)胞表現(xiàn)出特定基

45、因缺失的表型,稱為RNA干擾(RNA interference, RNAi,也譯作RNA干預(yù)或者干涉)。RNAi的生物學(xué)意義RNAi是植物、果蠅、線蟲和很可能包括哺乳動物在內(nèi)的許多生物抵抗病毒感染和限制轉(zhuǎn)座子運動的一種自然存在的防御機制。RNAi可以作為一種簡單、有效的代替基因敲除的遺傳工具,來制備特定基因缺失表型的個體, 從而研究該基因的功能.它正在功能基因組學(xué)領(lǐng)域掀起一場真正的革命,并將徹底改變這個領(lǐng)域的研究步伐,為此被SCIENCE評為2002年最重要的科研成果之一。在哺乳動物細(xì)胞中用siRNA (2123核苷酸長的小分子干擾片段(small interfering RNAs, siRN

46、As)。能高效阻斷某個特定基因的表達(dá),這項技術(shù)在疾病的基因治療上也有光明的應(yīng)用前景。特別可以用于阻斷某些突變基因的表達(dá),或者由蛋白過量表達(dá)引起的疾病。RNA干擾現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn) 線蟲中首次發(fā)現(xiàn)了RNAi : 首次發(fā)現(xiàn)dsRNA能夠?qū)е禄虺聊木€索來源于秀麗新小桿線蟲(Caenorhabditis.elegans)的研究。1995年康乃爾大學(xué)的研究人員Guo和Kemphues嘗試用反義RNA (antisense RNA)去阻斷par1基因的表達(dá)以探討該基因的功能,結(jié)果反義RNA的確能夠阻斷基因的表達(dá),但是奇怪的是,注入正義(zhngy)鏈RNA(sense RNA)作為對照,也同樣阻斷了基因的表達(dá)

47、。 這個(zh ge)奇怪的現(xiàn)象直到3年后1998才被解開華盛頓卡耐基研究院的Andrew Fire和馬薩諸塞大學(xué)癌癥(i zhn)中心的Craig Mello首次將雙鏈dsRNA正義鏈和反義鏈的混合物注入線蟲,結(jié)果誘發(fā)了比單獨注射正義鏈或者反義鏈都要強得多的基因沉默。將體外轉(zhuǎn)錄得到的單鏈純化后注射線蟲時,基因抑制效應(yīng)變得十分微弱,而經(jīng)過純化的雙鏈能夠高效地特異性阻斷同源基因的表達(dá)。實際上每個細(xì)胞只要很少幾個分子的雙鏈已經(jīng)足夠完全阻斷同源基因的表達(dá)。后來的實驗表明在線蟲中注入雙鏈不單可以阻斷整個線蟲的同源基因表達(dá),還會導(dǎo)致其第一代子代的同源基因沉默。他們將這種現(xiàn)象稱為干擾。 共抑制現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)

48、研究的早期線索早在20年前,來自于美國和荷蘭的兩個轉(zhuǎn)基因植物實驗組,在對矮牽牛(petunias)進(jìn)行的研究中有個奇怪的發(fā)現(xiàn):將一個能產(chǎn)生色素的基因置于一個強啟動子后,導(dǎo)入矮腳牽牛中,試圖加深花朵的紫顏色,結(jié)果沒看到期待中的深紫色花朵,多數(shù)花成了花斑的甚至白的。這種現(xiàn)象命名為共抑制(cosuppression),因為導(dǎo)入的基因和其相似的內(nèi)源基因同時都被抑制。開始這被認(rèn)為是矮牽牛特有的怪現(xiàn)象,后來發(fā)現(xiàn)在其他許多植物中,甚至在真菌中也有類似的現(xiàn)象。Quelling現(xiàn)象 并非只有植物學(xué)家才注意到了這種意外的現(xiàn)象。意大利的Cogoni等,將外源類胡蘿卜素基因?qū)腈滄呙?Neurosporacrassa

49、),結(jié)果轉(zhuǎn)化細(xì)胞中內(nèi)源性的類胡蘿卜素基因也受到了抑制。而在真菌轉(zhuǎn)基因?qū)嶒炛羞@種共抑制現(xiàn)象被稱為“quelling”。 隨后幾年,另外幾個植物學(xué)家也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象。如Santa等,將番茄病毒復(fù)制所需的復(fù)制酶基因?qū)霟煵葜?以阻斷病毒的生活周期而控制病毒的生長,但有些煙草表現(xiàn)出抗病毒的特性,而另外一些則相反。隨后,在植物病毒實驗中也觀察到共抑制現(xiàn)象,并發(fā)現(xiàn)共抑制具有抗病毒功能?;虺聊?轉(zhuǎn)錄階段基因沉默(transcriptional gene silencing, TGS):對于部分植物來說,轉(zhuǎn)基因引發(fā)的基因沉默可能是因為基因特異的甲基化而導(dǎo)致,這被稱為轉(zhuǎn)錄階段基因沉默. 轉(zhuǎn)錄后發(fā)生的基因沉默

50、(post transcriptional gene silencing, PTGS)Hamilton等,率先在發(fā)生PTGS的西紅柿中檢測出與被沉默基因同源的約25nt 的短片段,而未發(fā)生的西紅柿則不能檢出25nt的RNA在果蠅(Drosophila)中發(fā)現(xiàn)i Berstein E, Nature 2001,409(6818):363-366在擬南芥中發(fā)現(xiàn)i Wassnengger M, plant Mol Biol, 1998,37(2):349-362 在小鼠中發(fā)現(xiàn)i Wianny F , Nat cell Biol,2000 ,2 (2):70-75RNAi 在哺乳動物(brdngw)細(xì)

51、胞中的研究 最近, u等在實驗中發(fā)現(xiàn)(fxin)哺乳動物細(xì)胞中同樣存在RNAi 效應(yīng)。他們將一種特殊構(gòu)建的 siRNA (對稱性3突出2nt約21nt)雙鏈復(fù)合物通過(tnggu)陽離子脂質(zhì)體轉(zhuǎn)入不同的哺乳動物細(xì)胞中,包括細(xì)胞和人胚腎293細(xì)胞等,觀察到了可重復(fù)的,序列特異性的 RNAi 。 siRNA的序列專一性要求非常嚴(yán)謹(jǐn),與靶之間一個堿基錯配都會顯著削弱基因沉默的效果??烧T發(fā)哺乳動物細(xì)胞內(nèi)的干擾素系統(tǒng),它能激活兩種酶,一種為蛋白激酶,激活的通過一系列的磷酸化使翻譯起始因子2失活,導(dǎo)致翻譯抑制。在另外一個途徑中,長激活, 致非特異的RNA降解。 2002年5月,美國科學(xué)家Lindenbac

52、h等報道,采用21個核苷酸雙鏈形成雙鏈RNA,加入到感染艾滋病病毒的細(xì)胞中, 24后,可減少艾滋病病毒基因表達(dá)90%以上, 這種雙鏈可阻斷艾滋病病毒感染培養(yǎng)的細(xì)胞。7月Novina等用RNAi 技術(shù)實現(xiàn)了HIV1病毒的阻抑。 2002年7月4日,自然雜志又介紹了美國科學(xué)家McCaffrey將合成的雙鏈和通過載體將雙鏈形成小發(fā)夾狀的雙鏈直接注入鼠的肝臟,并將肝炎病毒與標(biāo)志基因相連后感染鼠肝臟,這種雙鏈或雙鏈發(fā)夾狀對標(biāo)志基因的表達(dá)抑制分別達(dá)到81%和92.8%,表明這兩種雙鏈均可明顯地抑制成體鼠肝臟內(nèi)導(dǎo)入的肝炎病毒基因的表達(dá)。許多實驗都證明利用RNAi可以直接和有效地起到抗病毒的作用。 21的雙鏈

53、復(fù)合物在哺乳動物細(xì)胞中干預(yù)成功為基因作用的研究提供了一種新的工具,原來要花費6個月至一年的時間才能明確一個哺乳動物細(xì)胞基因如何關(guān)閉,現(xiàn)在只需一個星期就能明確10個基因的關(guān)閉,使工作進(jìn)程大大加快??梢灶A(yù)見,作為一種快速關(guān)閉基因的途徑,將會越來越多地用于哺乳動物基因研究。 遺傳學(xué)通過基因突變篩選技術(shù)在基因水平肯定線蟲中共抑制、和分享共同的基因,具有相同的作用形式,即介導(dǎo)的靶基因沉默。導(dǎo)入不僅使線蟲、果蠅、小鼠和人細(xì)胞中相應(yīng)基因表達(dá)抑制,也在植物中表現(xiàn)出同樣效果,甚至把注射到線蟲、錐體蟲的體腔中,遠(yuǎn)距離組織及1代也可以產(chǎn)生同源基因抑制,同樣在植物韌皮部注射可遍及擴(kuò)散到整個植株體產(chǎn)生;,把線蟲浸潤到含

54、有液體中或喂養(yǎng)表達(dá)的工程菌也可以誘發(fā),而在植物中把吸附在表面500基因片段的金屬片插入到植物中,在侵入點周圍組織發(fā)生了基因沉默。因此,普遍存在于各種生物,具有抗病毒、穩(wěn)定轉(zhuǎn)座子及監(jiān)控異常表達(dá)的生物學(xué)功能 。MicroRNA (miRNA)miRNA基本信息miRNA(MicroRNAs): 是一種大小約2024個堿基的單鏈小分子RNA,是由具有發(fā)夾結(jié)構(gòu)的約70-80個堿基大小的單鏈RNA前體(pre-miRNA)經(jīng)過Dicer酶加工后生成。 miRNA是Science2002年十大科技突破之首;最早被發(fā)現(xiàn)的miRNA是線蟲中的let-7 和lin-4。 miRNA的生成miRNA的轉(zhuǎn)錄(zhu

55、n l)是在RNA 聚合酶II的作用下轉(zhuǎn)錄出pri-miRNA, 它的長度可由數(shù)百個到數(shù)千個核苷酸. 在動物中miRNA經(jīng)歷兩步加工過程產(chǎn)生出成熟的miRNA:1、通過Drosha酶( 一種(y zhn)RNaseIII)將pri-miRNA兩側(cè)的序列切掉,釋放出一段約70個核苷酸左右包含莖環(huán)結(jié)構(gòu)的前體,稱為pre-miRNA;2、 pre-miRNA在另外(ln wi)一種RNaseIII酶Dicer 的作用下產(chǎn)生成熟的miRNA。 果蠅Dicer 需要 ATP, 人類一般不需要。例如:miRNA的作用機制miRNAs參與基因表達(dá)調(diào)控,但其機制區(qū)別于siRNA。它通過與其目標(biāo)mRNA分子的3

56、端非編碼區(qū)域(3-untranslated-region, 3 UTR)互補匹配導(dǎo)致該mRNA 分子的翻譯受到抑制。miRNA與靶mRNA的作用模式1、線蟲的lin-4為代表,二者不完全互補結(jié)合時,主要阻遏翻譯過程而對mRNA的穩(wěn)定性無任何影響。目前這種最多。2、 以擬南芥miR39/miR171為代表,二者完全互補配對,類似siRNA與靶mRNA的結(jié)合,特異性的切割mRNA。如3、以let-7 果蠅/線蟲為代表,上述兩種模式均具備。當(dāng)其與靶mRNA完全互補配對時,直接靶向切割mRNA,而不完全互補配對時起調(diào)節(jié)基因翻譯的作用。miRNA的表達(dá)具有組織特異性和階段特異性:在不同組織中表達(dá)有不同類

57、型的miRNA,在生物發(fā)育的不同階段里有不同的miRNA表達(dá)。在真核生物中miRNA是一類大的非編碼RNA基因家族,約占基因組成分的1%,是轉(zhuǎn)錄組中的重要組成部分。多以單拷貝、多拷貝或基因簇等多種形式存在于基因組中,絕大部分定位于基因間隔區(qū)。其轉(zhuǎn)錄獨立于其他基因,并不翻譯成蛋白質(zhì)。人體約30% 的基因受miRNA 的調(diào)控。一個miRNA可以結(jié)合多個靶基因,一個靶基因也可以受多個miRNA的調(diào)控,從而形成一個復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。miRNA 在各個物種間具有高度的進(jìn)化保守性,并且在莖部的保守性更強;但在環(huán)部可以容許更多的突變位點存在。進(jìn)化關(guān)系上可能的兩種推論: siRNA是miRNA的補充 miRNA

58、在進(jìn)化過程中替代了siRNAEpigenetic 表觀遺傳學(xué)目前認(rèn)為miRNA與表觀遺傳學(xué)存在密切關(guān)系。表觀遺傳學(xué)是指不涉及遺傳學(xué)的特異性遺傳改變?;诜腔蛐蛄懈淖兯禄虮磉_(dá)水平變化。1、DNA甲基化2、 RNA干擾3、組蛋白修飾4、染色質(zhì)改型miRNA的數(shù)量(shling)?Human 至2006年已鑒定出326種miRNA,234個被證實,估計(gj)還有更多,有待于發(fā)現(xiàn)。C. elegance 116 miRNAs genes were cloned.Drosophila melanogaster 124 miRNA genes were cloned.補充(bchng)知識RNAi

59、(RNA interference) RNA干擾,一些小的雙鏈RNA可以高效、特異的阻斷體內(nèi)特定基因表達(dá),促使mRNA降解,誘使細(xì)胞表現(xiàn)出特定基因缺失的表型,稱為RNA干擾(RNA interference,RNAi)。它也是體內(nèi)抵御外在感染的一種重要保護(hù)機制。siRNA(small interfering RNAs): 小干擾RNA ,一種短片段雙鏈RNA分子,能夠以同源互補序列的mRNA為靶目標(biāo)降解特定的mRNA,這個過程也稱為RNA干擾途徑(RNA interference pathway)。siRNA與microRNA是兩種序列特異性地轉(zhuǎn)錄后基因表達(dá)的調(diào)節(jié)因子,是小RNA的最主要組成部

60、分,它們的相關(guān)性密切,既具有相似性,又具有差異性。相同點 siRNAmicroRNA長度及特征都約在22nt左右,5端是磷酸基,3端是羥基 合成的底物miRNA和siRNA合成都是由雙鏈的RNA或RNA前體形成的Dicer酶依賴Dicer酶的加工,是Dicer的產(chǎn)物,所以具有Dicer產(chǎn)物的特點 Argonaute家族都需要Argonaute家族蛋白參與蛋白RISC組分二者都是RISC組分RISC(RNA-induced silence complex) ,其功能界限不清晰,在介導(dǎo)沉默機制上有重疊作用方式都可以阻遏靶標(biāo)基因的翻譯,也可以導(dǎo)致mRNA降解,即在轉(zhuǎn)錄水平后和翻譯水平起作用 進(jìn)化關(guān)系

溫馨提示

  • 1. 本站所有資源如無特殊說明,都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請下載最新的WinRAR軟件解壓。
  • 2. 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等,如果需要附件,請聯(lián)系上傳者。文件的所有權(quán)益歸上傳用戶所有。
  • 3. 本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網(wǎng)頁內(nèi)容里面會有圖紙預(yù)覽,若沒有圖紙預(yù)覽就沒有圖紙。
  • 4. 未經(jīng)權(quán)益所有人同意不得將文件中的內(nèi)容挪作商業(yè)或盈利用途。
  • 5. 人人文庫網(wǎng)僅提供信息存儲空間,僅對用戶上傳內(nèi)容的表現(xiàn)方式做保護(hù)處理,對用戶上傳分享的文檔內(nèi)容本身不做任何修改或編輯,并不能對任何下載內(nèi)容負(fù)責(zé)。
  • 6. 下載文件中如有侵權(quán)或不適當(dāng)內(nèi)容,請與我們聯(lián)系,我們立即糾正。
  • 7. 本站不保證下載資源的準(zhǔn)確性、安全性和完整性, 同時也不承擔(dān)用戶因使用這些下載資源對自己和他人造成任何形式的傷害或損失。

評論

0/150

提交評論