基因組的進(jìn)化

關(guān)于基因組的進(jìn)化第1頁，講稿共25頁，2023年5月2日，星期三第一節(jié)基因組進(jìn)化的分子基礎(chǔ)1.突變1.1突變的機(jī)制自發(fā)的錯(cuò)誤(spontaneouserror)，在復(fù)制過程中這些突變逃脫了DNA聚合酶的校正而保留在新合成的子鏈中。但在下一輪DNA復(fù)制時(shí)，子代鏈與祖代鏈在錯(cuò)配的位置將發(fā)生堿基代換。來自親代DNA分子的某一單鏈，在復(fù)制時(shí)以這條已發(fā)生堿基改變的單鏈作為模板合成新鏈。由此產(chǎn)生的子代DNA中，會將這一變異一直保留下去。第2頁，講稿共25頁，2023年5月2日，星期三第一節(jié)基因組進(jìn)化的分子基礎(chǔ)1.突變1.1突變的效應(yīng)突變對基因組的影響同義突變錯(cuò)義突變終止突變連讀突變移碼突變突變對多細(xì)胞生物的影響功能喪失突變（loss-of-functionmutation）：通常是一個(gè)減弱或消除蛋白質(zhì)活性的突變造成的結(jié)果。多數(shù)功能喪失突變是隱性性狀。功能獲得性突變（gain-of-functionmutation）：這類突變不常見，突變必須提供一種異常的蛋白質(zhì)活性。

第3頁，講稿共25頁，2023年5月2日，星期三第一節(jié)基因組進(jìn)化的分子基礎(chǔ)2.重組2.1同源重組——Holliday模型

Holliday模型描述的重組發(fā)生在2個(gè)同源雙鏈分子之間，也包括彼此間只有小段區(qū)域同源的分子或同一分子中2個(gè)同源區(qū)段之間的重組。

在一條單鏈產(chǎn)生缺口單鏈侵入D環(huán)形成異源雙鏈同源重組的起始（MeselsonRadding模型）第4頁，講稿共25頁，2023年5月2日，星期三2條同源DNA分子ABabDNA分子間單鏈交換組成異源雙鏈DNA連接酶ABabHolliday結(jié)構(gòu)

分叉遷移ABabABab形成叉口(chi)垂直分割相互交換水平分割同源重組的Holliday模型第一節(jié)基因組進(jìn)化的分子基礎(chǔ)ABabAbaB第5頁，講稿共25頁，2023年5月2日，星期三第一節(jié)基因組進(jìn)化的分子基礎(chǔ)2.重組2.2位點(diǎn)專一性重組

區(qū)段之間存在廣泛的同源性并非重組的必要前提，在2個(gè)DNA分子之間有時(shí)只有很短的共同序列也能起始重組過程，這類重組稱為位點(diǎn)專一性重組(site-specificrecombination)。2.3雙鏈斷裂重組模型

基因轉(zhuǎn)換(geneconversion)的DNA雙鏈斷裂重組模型。3.轉(zhuǎn)座3.1DNA轉(zhuǎn)座3.2逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座第6頁，講稿共25頁，2023年5月2日，星期三第二節(jié)基因組的進(jìn)化模式λDNAPOP’BOB’att位點(diǎn)細(xì)菌DNABOP’POB’λ噬菌體基因組整合到大腸桿菌染色體DNA中λ噬菌體基因組和大腸桿菌基因組各有一個(gè)att位點(diǎn)，每個(gè)都有一個(gè)稱為O的相同的中間順序和兩側(cè)順序組成。

大腸桿菌O兩側(cè)序列為B和B’（表示bacterialattsite)，噬菌體O兩側(cè)序列為P和P’（表示phageattsite）。第7頁，講稿共25頁，2023年5月2日，星期三第一節(jié)基因組進(jìn)化的分子基礎(chǔ)哺乳動(dòng)物DNA雙鏈斷裂重組模型

此機(jī)制中合成的DNA都是以同源分子區(qū)段作為模板從斷裂處開始拷貝，這是基因轉(zhuǎn)換的分子基礎(chǔ)。因?yàn)橛赏馇泻怂崦笍娜笨谔庨_始切除的單鏈順序現(xiàn)在由未切割的同源分子單鏈所取代。酵母中交配型的基因轉(zhuǎn)換具有類似的機(jī)制。RPARAD50MRE11NBS1RAD52RAD54RAD511.同源搜尋2.單鏈侵入3.DNA合成DNA連接酶解離酶同源重組第8頁，講稿共25頁，2023年5月2日，星期三第二節(jié)基因組進(jìn)化的模式1.遺傳系統(tǒng)的起源1.1RNA世界

由于具有催化活性RNA的發(fā)現(xiàn)，關(guān)于生命系統(tǒng)起源的研究才發(fā)生了根本性的改變。稱為核酶的RNA包括rRNA和tRNA可以完成多種生化反應(yīng)：(1)自我剪接，三種內(nèi)含子的加工能力；(2)催化切斷其他RNA，如mRNA和rRNA的加工中切除內(nèi)含子；(3)合成多肽鍵，這是rRNA分子的重要功能之一；(4)催化核苷酸的合成。

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。第9頁，講稿共25頁，2023年5月2日，星期三第二節(jié)基因組進(jìn)化的模式1.遺傳系統(tǒng)的起源1.1RNA世界初始RNA分子新互補(bǔ)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10頁，講稿共25頁，2023年5月2日，星期三第二節(jié)基因組進(jìn)化的模式1.遺傳系統(tǒng)的起源1.2基因組的起源編碼RNA分子轉(zhuǎn)變?yōu)榈谝粋€(gè)DNA分子第一個(gè)拷貝的DNA分子

核苷酸脫氧核糖核苷酸TACT還原

dAdCdGGTACdTdCdATCGdCdGdARNA拷貝DNARNA第11頁，講稿共25頁，2023年5月2日，星期三第二節(jié)基因組進(jìn)化的模式1.遺傳系統(tǒng)的起源1.2基因組的起源

RNA世界如何轉(zhuǎn)變?yōu)镈NA世界？為什么會出現(xiàn)RNA向蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)變？

RNA的催化活性轉(zhuǎn)移到蛋白質(zhì)是RNA原始基因組功能的根本性改變，使RNA與蛋白質(zhì)的分工逐漸明朗，進(jìn)而提高了整個(gè)生化系統(tǒng)的效率。RNA的編碼功能轉(zhuǎn)移到更為穩(wěn)定的DNA是一種必然趨勢。

OHOHOH5′3′RNA一級結(jié)構(gòu)第12頁，講稿共25頁，2023年5月2日，星期三第二節(jié)基因組進(jìn)化的模式1.遺傳系統(tǒng)的起源1.2基因組的起源

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(shí)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(gè)關(guān)鍵的轉(zhuǎn)變時(shí)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13頁，講稿共25頁，2023年5月2日，星期三2.新基因的產(chǎn)生2.1基因與基因組加倍整個(gè)基因組加倍單條或部分染色體加倍單個(gè)或成群基因加倍

全套基因組的加倍可使基因數(shù)目急劇增加酵母基因組在1億年前經(jīng)歷了一次完全的加倍植物基因組中的異源多倍體第二節(jié)基因組進(jìn)化的模式第14頁，講稿共25頁，2023年5月2日，星期三2.新基因的產(chǎn)生2.1基因與基因組加倍單個(gè)基因以及基因群加倍在進(jìn)化過程中經(jīng)常出現(xiàn)

不等交換：位于同源染色體上不同位置的相似核苷酸順序之間發(fā)生的重組事件，其結(jié)果是在重組的區(qū)段產(chǎn)生1段DNA重復(fù)。

姐妹染色體之間的不等交換：與上述的不等交換機(jī)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：在細(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)生不等交換使1條鏈的某一段順序加倍。某些基因重復(fù)并不產(chǎn)生多樣性第二節(jié)基因組進(jìn)化的模式第15頁，講稿共25頁，2023年5月2日，星期三重復(fù)序列同源染色體配對重復(fù)第二節(jié)基因組進(jìn)化的模式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16頁，講稿共25頁，2023年5月2日，星期三2.新基因的產(chǎn)生2.2外顯子洗牌與蛋白質(zhì)創(chuàng)新功能域加倍功能域或外顯子洗牌體外蛋白質(zhì)進(jìn)化2.3DNA水平轉(zhuǎn)移原核生物中的DNA水平轉(zhuǎn)移真核生物中的DNA水平轉(zhuǎn)移2.4基因冗余第二節(jié)基因組進(jìn)化的模式第17頁，講稿共25頁，2023年5月2日，星期三CysAspPheLeuHisCysYHisZnCysAspPheLeuHisCysYHisZnNC987654321PolⅢ基因轉(zhuǎn)錄因子TFⅢA的基序組成，DNA結(jié)合功能域由9個(gè)重復(fù)的鋅指組成，每個(gè)鋅指基序各由1個(gè)外顯子編碼。功能域加倍第18頁，講稿共25頁，2023年5月2日，星期三指形模塊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第19頁，講稿共25頁，2023年5月2日，星期三供體菌F菌毛蛋白與受體菌接觸時(shí)，參與交配的細(xì)菌開始被聯(lián)系在一起細(xì)菌的接合轉(zhuǎn)移第20頁，講稿共25頁，2023年5月2日，星期三

當(dāng)整合的F因子在OriT處產(chǎn)生切刻后，染色體DNA的轉(zhuǎn)移就開始了。首先轉(zhuǎn)移的是一段短的F-DNA，接下來是染色體DNA，直到兩細(xì)菌分離時(shí)轉(zhuǎn)移停止。細(xì)菌的接合轉(zhuǎn)移機(jī)制第21頁，講稿共25頁，2023年5月2日，星期三供體(donor)DNA與受體(receptor)細(xì)胞結(jié)合(binding)：結(jié)合發(fā)生在受體細(xì)胞特定部位(結(jié)合點(diǎn))對供體DNA片段有一定要求結(jié)合是一個(gè)可逆過程DNA攝?。寒?dāng)細(xì)菌結(jié)合點(diǎn)飽和之后，細(xì)菌開始攝取外源DNA往往只有一條DNA單鏈進(jìn)入細(xì)胞(單鏈攝入)，另一條鏈在膜上降解聯(lián)會(synapsis)與外源DNA片段整合(integration)：整合指單鏈轉(zhuǎn)化DNA與受體DNA對應(yīng)位點(diǎn)置換，穩(wěn)定摻入到受體DNA中的過程，實(shí)際上就是遺傳重組過程研究整合的分子機(jī)制也就是研究遺傳重組的分子機(jī)制細(xì)菌的轉(zhuǎn)化機(jī)制第22頁，講稿共25頁，2023年5月2日，星期三第23頁，講稿共25頁，2023年5月2日，星期三3.非編碼順序的擴(kuò)張3.1非編碼DNA的作用

關(guān)于它在疾病、發(fā)育和演化中的重要性有越來越多的證據(jù)。此