基因組進(jìn)化的模式

關(guān)于基因組進(jìn)化的模式第一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日生物進(jìn)化樹變形蟲古細(xì)菌真細(xì)菌鞭毛蟲草履蟲粘液菌接合菌擔(dān)子菌子囊菌褐藻紅藻綠藻裸子植物苔蘚雙子葉植物海綿體棘皮動物線蟲環(huán)節(jié)動物節(jié)肢動物脊椎動物軟體動物扁形動物原口動物單子葉植物真菌植物動物原核生物原生生物原始脊索動物生物的進(jìn)化圖示第二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日分子水平分子生物學(xué)細(xì)胞水平DNA的進(jìn)化單細(xì)胞多細(xì)胞細(xì)胞分化蛋白質(zhì)的進(jìn)化第三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日生命史的三大階段前生命的化學(xué)進(jìn)化階段：完整細(xì)胞的形成標(biāo)志著這一階段的結(jié)束生物學(xué)進(jìn)化階段文化進(jìn)化與生物學(xué)進(jìn)化并行和相互制約階段第四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日原始?xì)怏w冷凝匯流成海洋火山爆發(fā)和閃電的能量使氣體合成簡單有機物濺到巖石上的氨基酸聚合成肽鏈又重新回到水中各種大分子進(jìn)化成原核細(xì)胞和真核細(xì)胞生命起源模式第五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日含生命化石的最古老的巖石疊層石第六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日一、遺傳系統(tǒng)的起源蛋白質(zhì)起源說核酸起源說第七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日蛋白質(zhì)起源說三種非細(xì)胞生命形式Prions病毒類病毒由于非細(xì)胞生命的存在，所以不能排除在地球早期化學(xué)進(jìn)化階段有過非細(xì)胞的“大分子狀態(tài)”的生命形式的可能性第八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日奧巴林的團聚體(coacervate)假說（1924）：用蛋白質(zhì)（白明膠）和多糖（阿拉伯膠）混合得到團聚體福克斯用類蛋白質(zhì)加熱得到微球體S.Miller(1953)的模擬實驗澳大利亞隕石中發(fā)現(xiàn)(1959)氨基酸、嘧啶和脂肪酸第九頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日米勒及其實驗（1953和1991）第十頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日

用電擊提供能量，從簡單小分子可得到復(fù)雜大分子。第十一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日生物分子形成的傳統(tǒng)理論？？第十二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日核酸起源說遺傳學(xué)家Muller（20年代）提出“裸基因說”（nakedgenetheory）：生命發(fā)生從基因開始；T.Cech（80年代）發(fā)現(xiàn)四膜蟲Pre－rRNA切下的內(nèi)含子具有酶的的活性（聚合和剪切作用），提示生命RNA起源的可能性Schuster（1984）發(fā)現(xiàn)硅酸鹽介導(dǎo)DNA合成的現(xiàn)象H.F.Noller（1992）發(fā)現(xiàn)純化的rRNA有催化肽鏈合成的功能第十三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日

不論那種學(xué)說和支持它們的實驗，都有兩個問題沒有解決：無法模擬最初原始的環(huán)境無法直接得到生命有待于進(jìn)一步的研究第十四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日1.1RNA世界假說“RNA世界”假說——RNA是生命初期最關(guān)鍵的分子，后來當(dāng)DNA和蛋白質(zhì)的功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過最初RNA的作用時，它才退到了次要地位。支持的證據(jù)：

核酶的發(fā)現(xiàn)：自我剪接催化切斷其他RNA催化肽鍵形成催化核苷酸合成1.遺傳系統(tǒng)的起源第十五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日TheNobelPrizeinChemistry1989SidneyAltmanThomasR.Cech1/2oftheprize1/2oftheprizeCanadaandUSAUSAYaleUniversity

NewHaven,CT,USAUniversityofColorado

Boulder,CO,USAb.1939b.1947"fortheirdiscoveryofcatalyticpropertiesofRNA"第十六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日RNAWorldhypothesis

1986，諾貝爾化學(xué)獎（1981）獲得者

W.Gilbert提出“RNA世界”假說：“生命起源之某時期，生命體僅由一種高分子化合物RNA組成。遺傳信息傳遞建立于RNA的復(fù)制，復(fù)制機理與當(dāng)今DNA復(fù)制機理相似，作為生物催化劑的、由基因編碼的蛋白質(zhì)還不存在”。"TheRNAWorld",Nature319:618第十七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日DNA拷貝出單鏈RNA，然后RNA被折疊成復(fù)雜的形狀

。第十八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日RNA的特性

2’羥基——化學(xué)性質(zhì)較DNA活躍，易突變，攜帶遺傳信息能力不如DNA；組成沒有蛋白質(zhì)復(fù)雜——不如蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)多樣，功能分子作用不如蛋白質(zhì)；唯一既能攜帶遺傳信息又可為功能分子的生物高分子化合物。第十九頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日初始RNA分子新互補拷貝自發(fā)多聚體化初始模板核苷酸早期RNA世界RNA分子的拷貝在RNA多聚酶進(jìn)化之前，與RNA模板結(jié)合的核糖核酸能自發(fā)地聚合。這一過程很不精確，但可產(chǎn)生許多RNA序列。第二十頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日中英聯(lián)合實驗室21第二十一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日1.2基因組的起源RNA功能的分裂：蛋白質(zhì)和RNA酶活的表現(xiàn)有何差異？

DNA和RNA相比作為遺傳物質(zhì)的優(yōu)勢？第二十二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日編碼RNA分子轉(zhuǎn)變?yōu)榈谝粋€DNA分子第一個拷貝的DNA分子第一個拷貝的DNA分子核苷酸脫氧核糖核苷酸TACT還原

dAdCdGGTACdTdCdATCGdCdGdARNA拷貝DNARNA第二十三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日RNA世界向DNA世界的過渡可以概括為：地球上最早出現(xiàn)的生物大分子為RNA，RNA同時具有催化與編碼兩種功能。RNA可以催化肽鍵形成并合成蛋白質(zhì)，此后RNA與蛋白質(zhì)聯(lián)手以RNA為模板合成DNA。這是一個關(guān)鍵的轉(zhuǎn)變時期，生命世界的三大主要多聚分子，RNA、蛋白質(zhì)和DNA的分工基本定形：RNA的編碼功能由DNA取代，催化功能轉(zhuǎn)移到蛋白質(zhì)，RNA自身則稱為傳達(dá)遺傳信息的中介分子。第二十四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日1.3生命三界真細(xì)菌古細(xì)菌真核生物共同祖先古細(xì)菌的特點:翻譯和轉(zhuǎn)錄與真核生物相似，代謝系統(tǒng)與真細(xì)菌相似第二十五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日內(nèi)共生假說－具有吞噬能力的細(xì)胞先后吞并了幾種原核細(xì)胞（細(xì)菌和藍(lán)藻），由于后者沒有被吞噬細(xì)胞所分解消化，反而從寄生過渡到共生，并成為宿主細(xì)胞的細(xì)胞器，如喜氧細(xì)菌成為線粒體，藍(lán)藻成為葉綠體。第二十六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日二、基因組進(jìn)化35億年前原核生物（細(xì)胞結(jié)構(gòu)）14億年前真核生物9億年前多細(xì)胞生物6億年前多細(xì)胞動物3.5億年前動物和植物類群確立4000萬年第一個類人猿誕生5000個基因10000個基因20000個基因第二十七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日基因結(jié)構(gòu)和功能的進(jìn)化、新基因的起源基因與基因組加倍外顯子和結(jié)構(gòu)域洗牌

19%真核生物逆轉(zhuǎn)錄及其隨后的趨異和重排外源基因水平轉(zhuǎn)移基因裂變和融合0.5%原核生物非編碼序列轉(zhuǎn)化為編碼序列第二十八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日2.1基因與基因組加倍整個基因組加倍：增加基因組數(shù)目最快方式單個或成群基因加倍單條或部分染色體加倍三體（trisomy），某染色體多出1個成員生長與發(fā)育造成嚴(yán)重影響，人類的唐氏綜合癥第二十九頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日全套基因組的加倍使基因數(shù)目急劇增加同源多倍體：減數(shù)分裂發(fā)生差錯時使配子體含2套染色體（雙倍體配子），融合產(chǎn)生同源多倍體第三十頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日重復(fù)基因持續(xù)丟失突變不會對存活力造成嚴(yán)重影響突變往往會造成基因的失活，成為假基因偶而有一些突變會使加倍的基因具有新的功能，對生物進(jìn)化有所貢獻(xiàn)不直接導(dǎo)致基因擴張，提供了產(chǎn)生新基因的可能第三十一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日基因組重復(fù)所具備的特別標(biāo)志成片的重復(fù)基因基因排列的順序相同進(jìn)行同源性分析：氨基酸序列至少要有25%的一致性確定它們在基因組中的位置尋找重復(fù)基因群如何確定這些重復(fù)是單個基因加倍or整個基因組的重復(fù)？第三十二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日從酵母基因組中鑒定了376對基因組成55個重復(fù)基因群每個重復(fù)基因群至少有3個基因排列次序相同重復(fù)區(qū)域跨越了50%的基因組通過系統(tǒng)發(fā)生學(xué)分析、采用分子鐘推測成對序列差別的程度，表明加倍發(fā)生于1億年前酵母基因組在1億年前經(jīng)歷了1次完全的加倍第三十三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日植物基因組中的異源多倍體植物中新的基因亦可通過多倍體化獲取（同源多倍體與異源多倍體）2個不同物種之間雜交產(chǎn)生的異源多倍體，也能產(chǎn)生可育雜種親緣上非常近似，含有許多共有的基因基因組加倍和種間基因轉(zhuǎn)移的結(jié)合酵母和植物中發(fā)現(xiàn)基因組加倍脊椎動物是否出現(xiàn)過全基因組的加倍？第三十四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日山羊草屬的擬斯卑爾脫山羊草組植物SpeciesinSitopsissectionofAegilops(SS)×烏拉爾圖小麥T.urartu(AA)野生二粒小麥T.dicoccoides(AABB)粗山羊草Ae.tauschii(DD)斯卑爾脫小麥T.spelta(AABBDD)栽培二粒小麥T.dicoccum(AABB)×面包小麥T.aetivum(AABBDD)第三十五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日單個基因以及基因群加倍在進(jìn)化過程中經(jīng)常出現(xiàn)多基因家族，同一家族的不同成員最后均可追溯到最初的古老基因組的某一祖先基因單個基因以及染色體區(qū)段加倍在進(jìn)化過程中經(jīng)常出現(xiàn)第三十六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日加倍機制不等交換同源染色體不等交換：位于同源染色體不同位置的相似核苷酸序列之間發(fā)生的重組事件姐妹染色體之間的不等交換：與上述機制相同，只是發(fā)生在同一染色體的1對姐妹染色單體之間DNA放大：復(fù)制泡內(nèi)2條子鏈DNA之間發(fā)生不等交換，使1條鏈某一段序列加倍第三十七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日重復(fù)序列同源染色體配對重復(fù)C.DNA放大B.姐妹染色體之間的不等交換A.不等交換復(fù)制叉第三十八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日某些基因重復(fù)并不產(chǎn)生多樣性由相同或幾乎相同的基因成員組成rRNA，爪蟾500拷貝，序列完全相同阻止突變的累積，避免多樣性的產(chǎn)生人類Y染色體中25%的區(qū)段有重復(fù)發(fā)生，集中在中部和端部。1KB以上的重復(fù)序列是13.7%第三十九頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日基因與基因組的加倍是一個動態(tài)過程重復(fù)基因出現(xiàn)后最初數(shù)百萬年，溫和選擇壓力下氨基酸代換速率45%，蛋白質(zhì)創(chuàng)新嚴(yán)格的自然選擇期，氨基酸代換速率5%5000萬年內(nèi)，90%的重復(fù)拷貝被淘汰基因冗余：進(jìn)化對保留的冗余基因類型是有選擇性的第四十頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日2.2基因重排具創(chuàng)新功能的蛋白質(zhì)更多是通過現(xiàn)有基因的重排產(chǎn)生，功能域區(qū)段重排。第四十一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日中英聯(lián)合實驗室42外顯子的特點：1、外顯子形成的多肽鏈獨立結(jié)構(gòu)域2、內(nèi)含子的位置通常在兩個相連的獨立結(jié)構(gòu)或功能的多肽鏈編碼序列之間3、與獨立空間構(gòu)型相關(guān)的氫鍵或者二硫鍵主要出現(xiàn)在外顯子編碼的多肽鏈內(nèi)部4、蛋白質(zhì)中重復(fù)的多肽鏈產(chǎn)物總是和重復(fù)的結(jié)構(gòu)功能相對應(yīng)5、非同源序列中，同源的外顯子多肽鏈產(chǎn)物具有相似的多肽結(jié)構(gòu)和功能。第四十二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日功能域加倍：編碼結(jié)構(gòu)域的基因區(qū)段可因不等交換、滑序復(fù)制或其他引起DNA序列重復(fù)的方法增加拷貝。加倍的結(jié)構(gòu)域也可能發(fā)生突變，為蛋白質(zhì)提供新的活性。功能域加倍增加基因長度，基因組進(jìn)化的普遍特點第四十三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日CysAspPheLeuHisCys

YHisZnCysAspPheLeuHisCys

YHisZnNC987654321

PolⅢ基因轉(zhuǎn)錄因子TFⅢA的基序組成，DNA結(jié)合功能域由9個重復(fù)的鋅指組成，每個鋅指基序各由1個外顯子編碼。功能域加倍第四十四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日功能域或外顯子洗牌（domainshuffling/exonshuffling)：由不同基因中編碼不同結(jié)構(gòu)域的片段彼此連接形成的全新編碼序列。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。第四十五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日指形模塊Kringle結(jié)構(gòu)纖連蛋白組織血纖維蛋白溶酶原激活因子表皮生長因子生長因子功能域組織血纖維蛋白溶酶原激活蛋白模塊功能域或外顯子洗牌使TPA刺激細(xì)胞增生使TPA與血纖維蛋白凝塊結(jié)合使TPA與血纖維蛋白結(jié)合，激活TPA血纖維蛋白酶原第四十六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日3、內(nèi)含子的起源3.1Ⅰ群、Ⅱ群和Ⅲ群內(nèi)含子的起源：大多數(shù)研究者都認(rèn)為所有這3種