基因数目改变.pptVIP

三、基因组进化 35亿年前原核生物（细胞结构） 14亿年前真核生物 9亿年前多细胞生物 6亿年前多细胞动物 3.5亿年前动物和植物类群确立 4000万年第一个类人猿诞生 生物结构的复杂性，伴随着基因组复杂性而逐渐增加：基因数目改变、结构复杂性 基因结构和功能的进化、新基因的起源 基因与基因组加倍 基因位置和数目的改变 不等交换与重复基因 基因重排 突变--DNA序列变异 转座子效应 基因与基因组加倍 整个基因组加倍：增加基因组数目最快方式 单个或成群基因加倍 单条或部分染色体加倍 三体（trisomy），某染色体多出1个成员 生长与发育造成严重影响，人类的唐氏综合症 全套基因组的加倍 使基因数目急剧增加 同源多倍体：减数分裂发生差错时使配子体含2套染色体（双倍体配子），融合产生同源多倍体 不直接导致基因扩张，提供了产生新基因的可能 重复基因持续丢失 突变不会对存活力造成严重影响 突变往往会造成基因的失活，成为假基因 偶而有一些突变会使加倍的基因具有新的功能，对生物进化有所贡献 如何确定这些重复是单个基因加倍 or 整个基因组的重复 基因组重复所具备的特别标志 成片的重复基因 基因排列的顺序相同 进行同源性分析：氨基酸序列至少要有25%的一致性 确定它们在基因组中的位置 寻找重复基因群 酵母基因组在1亿年前经历了1次完全的加倍 从酵母基因组中鉴定了376对基因 组成55个重复基因群 每个重复基因群至少有3个基因排列次序相同 重复区域跨越了50%的基因组 通过系统发生学分析、采用分子钟推测成对序列差别的程度，表明加倍发生于1亿年前 植物基因组中的异源多倍体 植物中新的基因亦可通过多倍体化获取（同源多倍体与异源多倍体） 2个不同物种之间杂交产生的异源多倍体，也能产生可育杂种 亲缘上非常近似，含有许多共有的基因 基因组加倍和种间基因转移的结合 酵母和植物中发现基因组加倍 脊椎动物是否出现过全基因组的加倍？ 单个基因以及基因群加倍 在进化过程中经常出现 多基因家族，同一家族的不同成员最后均可追溯到最初的古老基因组的某一祖先基因 加倍机制 不等交换 同源染色体不等交换：位于同源染色体不同位置的相似核苷酸序列之间发生的重组事件 姐妹染色体之间的不等交换：与上述机制相同，只是发生在同一染色体的1对姐妹染色单体之间 DNA放大：复制泡内2条子链DNA之间发生不等交换，使1条链某一段序列加倍 某些基因重复并不产生多样性 由相同或几乎相同的基因成员组成 rRNA，爪蟾500拷贝，序列完全相同 阻止突变的累积，避免多样性的产生 基因与基因组的加倍是一个动态过程 重复基因出现后最初数百万年，温和选择压力下氨基酸代换速率45%，蛋白质创新 严格的自然选择期，氨基酸代换速率5% 5000万年内，90%的重复拷贝被淘汰 基因冗余：进化对保留的冗余基因类型是有选择性的 基因重排 具创新功能的蛋白质更多是通过现有基因的重排产生，功能域区段重排 功能域加倍：编码结构域的基因区段可因不等交换、滑序复制或其他引起DNA序列重复的方法增加拷贝。加倍的结构域也可能发生突变，为蛋白质提供新的活性。功能域加倍增加基因长度，基因组进化的普遍特点 功能域或外显子洗牌（domain shuffling / exon shuffling) ：由不同基因中编码不同结构域的片段彼此连接形成的全新编码序列。全新的结构组合，可为细胞提供完全不同的生物学功能。 组织血纤维蛋白溶酶原激活因子TPA--功能域洗牌 Single starting sequence versus naturally occurring Homologous sequences – functional diversity 4 1.6 kb genes 4 libraries 5x10 4 Transformants Selection on moxalactam 0.016-32 mg/ml 体外蛋白质进化：根据外显子洗牌理论设计，产生具有创新活性蛋白质。通过内含子的重组将外显子按希望的方式重新组合，保持原有外显子排列次序，获得人工创新编码基因 突变 突变机制 自发性损伤(复制中的损伤、碱基的自发性化学改变、自发脱碱基、细胞的代谢产物对DNA的损伤) 物理因素引起的损伤(电离辐射、紫外线、热诱变等) 化学因素引起的损伤（烷化剂、碱基类似物、嵌入试剂等） 自发性损伤 错配突变：纯化学的碱基配对差错率为5％～10％。为维持基因组的稳定性，DNA 的复制必须增加几个数量级，提高DNA复制的精确性有2种方法（掺入碱基的筛选、错配碱基的校正） 误导掺入：碱基异构式引起DNA复制过程的错误--自发突变 滑序复制 滑序复制 突变的效应 突变