9 生物遗传系统的进化 新版.pptx

1、第九章 生物遗传系统的进 化一.染色体的进化二.基因和基因组的进化三.蛋白质和蛋白质组的进化四.表观遗传与进化一、染色体的进化（一）染色体数目的进化（二）染色体结构的进化（三）染色体功能的进化总趋势：染色体数目的增加或减少（一）染色体数目的进化普通小麦 异源六倍体（2n=6x=42）AABBDD途径基本染色体组的增加染色体组：二倍体生物中来自一个配子的一套染色体。同种染色体复制而细胞不分裂，形成同源多倍体；具有不同染色体组物种的杂种加倍形成异源多倍体。减少果蝇最古老的物种2n=122n=6染色体融合染色体结构改变的类型缺失、重复、倒位、易位（二）染色体结构的进化染色体结构变异的原因外界因子：射

2、线、化学试剂、温度剧变内在因素：代谢失调、衰老及种间杂交等DNA重复序列的重组及转座子染色体结构变异的遗传学效应（1）影响到基因的排列顺序和相互关系，导致一级结构的改变，产生新的三维结构，影响到基因的表达。（2）形成新种果蝇物种D.melanogaster和 Simulans：二者形态相似，可 以杂交，但后代不育。两者染 色体结构有区别：有1个大的倒 位，5个短的倒位和14个小节的 差异。向日葵主要体现在性染色体与常染色体的分化1901年美国细胞学家麦克朗（C.E.Mc Clung）在直翅 目昆虫中首先发现并确定了性染色体.人类的X染色体和Y染色体虽然相差很大，有各自的分化 区，但在其各自的长

3、臂末端仍有一段配对区。研究表明，性 染色体是逐渐从一对原始的同源染色体分化而来的。剂量补偿（三）染色体功能的进化X/A=2/3=0.67 为中间类型 X/A=1/3=0.3 超雄性 X/A=3/2=1.5 超雌性XY型：Y染色体上有一个“睾丸决定”基因SRY，它有决定 雄性的强烈作用。存在于人、哺乳类、某些两栖类、某些鱼 类、某些昆虫.ZW型：W染色体是雌性决定因素(ZW是雌性，雄性是ZZ)。包括鸟类，鳞翅目昆虫，一些两栖类、爬行类。XO型：雌体XX，雄体XO，蝗虫、蟋蟀、蚱蜢、蟑螂 等直翅目昆虫。性比数决定性别：果蝇的雌性决定因子位于X染色体上，而 雄性决定基因并不位于Y染色体，它们位于常染

4、色体之中，并且不止一个。果蝇X染色体与常染色体组的比值决定性别 X/A=1/2=0.5 正常雄性X/A=2/2=1 正常雌性XO;XXY?二、基因和基因组的进化基因是编码蛋白质或RNA分子遗传信息的基本遗传单位。从化学角度观察，基因则是一段具有特定功能和结构的连续的DNA序列，是构成巨大遗传单位染色体的主要组成部分。（一）.基因的进化1.基因结构的进化内含子的起源与进化2.基因功能的进化功能的分化与多功能3.新基因的起源（二）.基因组的进化1.基因组进化的总趋势2.基因组结构的进化（三）.进化基因组学（四）.宏基因组学（一）基因的进化1.基因结构的进化（1）内含子的起源内含子(intron)：

5、在原初转录物中，通过RNA拼接反应而被 去除的RNA序列，或基因中与这种序列对应的DNA序列。后起源说内含子作为间隔序列，插入到连续编码的基因序列中形成的。内含子是在真核生物出现后才产生的。对于原核生物中的内含子，其解释是内含子本身具有移动性。难以解释：内含子是如何插入到基因中而不影响基因功能；内含子 序列从何而来先起源说内含子在最早的DNA基因组出现时就已经演化出来了，早期 的内含子具有自我催化、自我复制能力，是原始基因和基因组 组 织与复制必不可少的；内含子赋予其携带者更大的进化潜力；现 代内含子是一类进化遗迹。内含子是古基因（即现在的外显子）的边界，这些古基因曾经 编码不同的蛋白质，但现

6、在只作为一种外显子存在，两个外显 子间的序列就演变成了基因内含子。先起源说也不否认有些内含子是在进化中通过转座作用 插入而来。内含子序列的来源？早期编码序列的上下游非编码成分外显子失去编码能力后的衍生物外显子和内含子都起源于可自我复制的生物大分子作为结构单元而组成的重复序列内含子类型核tRNA内含子第I类内含子(原核、细胞器、核)5剪接点无保守序列U 3剪接点无保守序列G第II、类内含子(原核、细胞器)GUGCGYnAG核mRNA内含子AGGUYnAG不同内含子的边界序列内含子可区分为三类：类内含子、类的内含子和核mRNA内含子核tRNA内含子与古细菌内含子(tRNA,rRNA)（2）内含子的

7、进化核mRNA内含子源于原始的类内含子:类和核mRNA的内含子剪接都有套索中间体。第II、类内含子GUGCGYnAG核mRNA内含子AGGUYnAG核tRNA内含子可能与古细菌内含子有共同起源.内含子进化的总趋势是大基因组含有较多内含子，小基因组含有较少的内含子，说明内含子在数量上 的进化与基因组大小的进化密切相关。内含子的 功能内含子调节基因表达具有组织特异性Stemmler等2005对控制上皮细胞钙粘蛋白（E-cadherin）基因表达的顺 式调节元件的研究显示，E-cadherin基因内含子2（intron-2）在激活转录中起 重要作用。完全删除intron-2，该基因在胚胎干细胞中和早

8、期胚胎发育中完全 失活，在随后的发育中，E-cadherin基因仅被微弱激活。更详细的研究发现，E-cadherin基因在卵黄囊内的表达不依赖intron-2，而在晶状体和唾液腺中的 表达完全依赖intron-2，说明intron-2对该基因表达的组织特异性有调节作用。内含子增加蛋白质变异一种选择性剪接类型是成熟转录物中完全保留一个内含子，Sakabe等2007 认为内含子保留（intron retention,IR）是由于内含子本身，而不是外显子的 缘故，与内含子侧翼微弱的剪接位点识别失败有关。在调节IR相对频率方面，顺式调节元件可能起着关键作用。内含子促进基因转录很多研究证明哺乳动物内含子

9、，特别是靠近基因5端的内含子，含有调节元件，靠5端的内含子与其他内含子相比能增加基因表达。哺乳动物组织培养细胞、转基因小鼠、昆虫及植物中，许多内源基因的最佳表 达需要一个或更多内含子的存在。肽牛、羊催产素增血压素9个氨基酸第3位第8位 异亮氨酸亮氨酸9个氨基酸苯丙氨酸精氨酸2.基因功能的进化功能的分化与多功能基因可以通过基因突变、重叠基因、选择性剪 接、基因共享来实现功能的进化。（1）基因突变（2）重叠基因指在同一条DNA 片段上，由不同的可读 框所构成的所有互相重 叠的基因。如：X174单链DNA 噬菌体，直径仅20nm，全序列5375个bp，仅可 编码9种蛋白质，同一 段DNA序列能为2种

10、蛋 白编码。（3）选择性剪接指从一个基因转录出来的RNA前体，通过不同的剪接 方式形成不同的成熟mRNA，产生不同的蛋白质。选择性剪接常被用于在不同组织和发育时期产生组织特 异或调控发育的蛋白质。小麦光周期基因Ppd-B1的选择性剪接分析(2009)小麦光周期基因Ppd-B1基因存在3 个可选择剪接位点，分别以外显子增加、5剪接位点改变和内含子保留形式分布在5UTR第5 外显子和第6 内含子,、其中前两种方式不引起蛋白保守结构域的改变,后种方式却导致基因移码突 变;Ppd-B1不同转录本的表达差异受材料光周期反应特性和外界光周期环境 的影响。（4）基因共享（一因两用或多用）指基因及其产物在进化

11、中无变化，但却在保持原有功能的 情况下又被用于生命体系的其他方面，即获得了多种功能。如鸟类和鳄鱼的-眼晶体蛋白与LDH-B4氨基酸序列相的同，且具有相同的乳酸脱氢酶活性。经分析“二种蛋白”实 际是由同一基因编码的同一种蛋白。3.新基因的起源基因重复 基因延长外显子改组(基因杂合)（1）基因重复什么是基因重复指部分或整个基因序列在基因组中的倍增，前者是基因 内部重复即一个基因的部分区域，在基因内发生了倍增，常 常造成基因延长，后者则是完全基因重复。基因重复的原因A、不等交换B、额外的基因拷贝 整合到基因组中C、染色体数目增加进化上的意义A、基因重复可产生额外的拷贝，此时只要其中一个拷贝能保 持原

12、功能，额外的拷贝就可随意地变化，从而有可能获得 新功能，导致新基因的产生。如肌红蛋白和血红蛋白基因。B、可以产生假基因。假基因与有功能的基因在核苷酸顺序的组成上非常相 似，却不具有正常功能的基因。假基因必定是没有转录活性 的。C、基因重复后，所有拷贝都保持原来的功能，使有关生物 能产生很多同样的RNA分子和蛋白，如tRNA基因和 rRNA基因即如此。“+”:表示差异的程度；“”:相似程度（2）基因延长指由同一个等位基因的不等交换造成基因内部 重复产生新基因的一种方式。基因延长造成的基因内部重复可能会使其产物 产生新的活性位点或增加其产物的稳定性 从而获,得新功能或基因功能增强.如卵类黏蛋白基因

13、的3个功能域，它们各自都能与一 个胰蛋白酶分子或另一种丝氨酸蛋白酶分子结合。（3）外显子改 组指由2个或2个以上不同基因的一部分相互连接而形成新基 因的一种途径，是真核生物新基因起源的一种重要方式和机制。外显子改组的机制已知有两种机制可以导致外显子的异位重组(ectopic recombination)：非常规重组（illegitimate recombination）和逆转录转座的 外显子插入。有数据表明，外显子洗牌，或者说结构域洗 牌，经常重组各种结构域从而创造新的嵌合蛋 白质。（二）基因组的进化1、基因组进化的总趋势（1）核酸含量的变化从原核生物到真核生物，其基因组大小和DNA含量随生

14、物进化复杂程度的增加而上升，这是因为较复杂的生物需要 更多的基因数目和基因产物。但DNA含量大小并不能完全说明生物进化的水平和遗传 复杂性的高低，这种现象称为C值悖理(C value paradox)。酵母的基因组是14Mb，而与酵母处于同一水平的变形虫却 具有比任何生物都大的基因组(高达68万Mb)！高等被子植物的基因组是50Mb，而低等蕨类植物却高达30万Mb。动物方面，海绵的基因组是49Mb，人类是3000 Mb，但肺鱼 的基因组却高达14万Mb。原核生物基因组变化范围很小，最大和最小的基因组间差距仅 为20倍。真核生物基因组大小变化范围很大，最大和最小的基因组间差 距达到80000倍。

15、但其间的基因数相差不是太大，只有4050倍。真核生物基因组的变化主要是非基因序列的含量变化导致。（2）DNA质的变化（核酸序列的变化）主要是由于核苷酸的替换、插入或缺失造成。规律：一种核酸分子或其上某一区域所受的功能制约 越少，其核苷酸的替换率就越高。对于一个基因，若核苷酸的替换不影响其功能，那么替换速率就较高；反之，则较低。核酸序列的变化与进化时间相关，对于同源分子，亲缘关 系越近的生物间差异越小。相反差异就越大，即两同源分 子分歧的时间与它们之间的序列差异成正比。同义替换的速率比非同义替换高得多。基因组的非编码区域，包括基因中的内含子、基因之间的间隔、丧失功能的假基因序列等的核 苷酸替换率

16、比编码序列、调控序列高得多。(3)核酸组分的变化A.单核苷酸方面，进化表现在GC含量的变化B.各种二核苷酸、三核苷酸及寡聚核苷酸占基因组比例由相同数量或接近相同数量的强核苷酸和弱核苷酸组成的 寡聚核苷酸的频率在基因组间的变化相对较小。仅由强核苷酸或仅由弱核苷酸组成的寡聚核苷酸的频率在 基因组间的变化则较大。如二核苷酸AC、AG、CA、CT、GA、GT、TC和TG 的频率在基因组间较为保守，而AA、AT、CC、CG、GC、GG、TA和TT的频率在基因组间变化较大。链对称：在足够长的单链基因组序列中，单核苷酸和寡聚核苷酸的频率与其反向互补序列的频率很相近。2、基因组结构的进化（1）基因组结构的特点基因组的种类：原核的类核基因组真核生物的核基因组线粒体基因组真核生物的细胞器基因组叶绿体基因组基因组扩增基因家族的进化 假基因的进化转座与基因组的进化 基因的水平转移原核生物类核基因组与真核生物核基因组比较原核生物类核基因组真核生物核基因组大小小大重复序列少多(占1/3，有些生物占90%)内含子少(基因排列紧密)大都含有内含子形状环状线状与组蛋白结合不结合结合（2）基因组扩增包括基因组的整体扩增和