基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和第八章 比较基因组 学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和第一节 基因组进化的分子机制基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和l突变与重组是导致基因组不断变化的2个主要因素。l突变：基因组小区段内核苷酸顺序的改变。大多数为点突变，少数为插入或缺失。点突变2种类型：转换、颠换l重组：基因组的区段发生重新组合。这种重新组合可以来源于减数分裂时同源染色体的交换，也可以来源于转座过程。基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和突 变突变的2种方式：l复制中的自发错误复制过程中逃脱了DNA多聚酶校正而保留在新合成子链中的错配。l诱变剂与亲代DNA分子的反应诱变剂的影响改变了核苷酸碱基配对的能力。基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和复制错误的突变机制错配突变 从化学角度来看，碱基互补的方式并不 特别精确。根据概率计算，纯化学的碱基配对差 错率为5-10%。误导掺入 每一种核苷酸都有二种互变异构体，它 们处在动态平衡中。每一个分子都可能偶尔从一 种异构体转换为另一种异构体。不同异构体复制 时选择不同碱基进行配对。滑序复制 （replication slippage）如果模板中含有 较短的重复顺序，特别容易产生复制滑移，导致 插入和缺失突变。基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和动态突变三核苷酸扩张基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和诱变剂引起突变的机制l诱变剂是碱基类似物，作为底物，复制时掺入新链。如，5-溴尿嘧啶。l诱变剂直接作用于DNA，引起模板链结构改变，导致复制错误。如脱氨基试剂。l诱变剂间接作用于DNA，使细胞产生化学物质导致突变产生。如促使细胞合成氧自由基的物质。基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和诱变剂的类型l物理诱变剂 离子辐射、紫外辐射、热诱变l化学诱变剂 嘌呤嘧啶碱基类似物、脱氨基试剂、烷化 剂、嵌入试剂基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和突变对基因组的影响同义突变 突变的密码子仍然指令同一氨基酸， 因而同义突变是沉默突变。非同义突变 这类突变可改变密码子的含义，指 令一个不同的氨基酸。非同义突变又称错义突 变。终止突变 可使原来编码氨基酸的密码子变成翻 译终止密码，产生残缺的蛋白质。连读突变（read through） 与上述突变正好相反 ，终止密码变成指令某一氨基酸的密码子，使 翻译继续进行。突变发生在编码区基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和突变发生在非编码区l蛋白质结合顺序突变如启动子区域、增强子区域等的突变影 响基因表达。l内含子-外显子交界位点突变前体mRNA加工识别位点被破坏或者产 生新的识别位点。基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和突变对多细胞生物的影响l功能丧失：导致蛋白质活性降低或丧失。一般为隐性突变。l功能获得：导致一种异常的蛋白质活性。多发生在调控区，一般为显性突变。基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和超突变与程序性突变 倾向差错修复1）许多生物种属都有一些专门负责损伤DNA复制的多聚酶，它们可在特定的条件下以倾向差错或无差错方式复制DNA。目前已在人细胞中发现具有倾向差错复制的DNA多聚酶(eta)，该酶如 发生突变，可引起着色性干皮病，这是一种皮肤癌。 2）生物之所以选择这种高突变率的修复系统可能同进化有关，倾向差错DNA复制在遭遇不利的生存环境时能增加突变获得更多的多样性，使种群得以繁衍。基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和SOS倾向差错修复的调控基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和SOS倾向差错修复机制基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和大肠杆菌适应性突变（或称定向突变）1）大肠杆菌的一个品系在乳糖操纵子中有一移码突变， 不 能利用环境中的乳糖。当这些细胞涂抹到只有乳糖 的培养基上时，可发现正常生长的细胞，说明在乳糖 操纵子中发生了第二次突变，恢复了野生型表型。具 有这种效应的突变频率远高于预期值，也高于基因组 中其它区域的平均突变率。2）上述实验提出一个饶有兴趣的观点，即细菌可以发生 定向突变以适应它们所遇到的选择压力。换句话说， 环境可直接影响生物的表型，如拉马克曾经主张的那 样，其所蕴含的非达尔文主义的观点引起了广泛而激 烈的争论。基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和突变率与生物复杂性1）这是一个意味深长的话题。现存生物，包括低等生 物 和高等生物基因组的自发突变率约为10-9，这是各 种因素综合作用的结果。有理由相信，突变率一定经 历过自然选择。2）每个基因都有积累突变的风险，由于大多数突变都 是 有害的，因此生物含有的基因数越多，发生突变的 机 率越大。3）平均突变率为生物的复杂性设定了一个上限。群体 遗传学家估计，根据DNA复制的忠实性，哺乳动物含 有的基因数不会超过60 000。 基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和DNA修复大多数细胞都有4种不同的DNA修复系统：错配修复 该系统修复复制中发生的差错，切除 含错误碱基的DNA单链，然后再将缺口补平 。碱基切除修复 将受损的核苷酸硷基周围一段核 苷酸切除，然后再通过 DNA多聚酶重新合成 。核苷酸切除修复 与碱基修复系统类似，只是切 除的受损DNA范围更大。重组修复 用于修复断裂的双链。基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和DNA单链的非对称性进化1）DNA双链的非对称性复制导致延滞链突变率提高 其一，延 滞链的复制总比先行链慢一拍，要求很长的一段单链暴露， 增加了延滞链模板受到伤害的机会。其二，延滞链采取冈畸 模型复制，在引物除去后由DNA多聚酶I填补空隙。DNA多 聚酶I的碱基选择活性及校读能力均比DNA多聚酶III差。2）单向复制使暴露链突变率增加 人细胞线粒体DNA的两条 单链有重链（heavy strand，H）和轻链（light strand，L） 之分。重链暴露状态要持续较长时间，受损伤的可能性大大 增加。3）转录的非对称性使非转录链突变率升高 非转录链则保持短 暂的单链暴露状态，增加了碱基突变的可能。细菌，酵母和 哺乳动物中均有转录偶联修复系统。非转录链缺少相应的修 复机制。转录状态使非转录链脱氨基比例增加4倍。基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和第二节 DNA重组DNA重组有2种方式：1）同源重组；2）位点专一性重组 3）双链断裂重组基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和减数分裂时同源姐妹染色体的交换与重组产生的表型改变称为变异。变异不涉及基因或染色体的突变, 但能提供大量的基因型, 是重要的进化动力之一。同 源 重 组基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和同 源 重 组 - Hol lida y 模 型同向旋转分支点断裂 动态结构同 源 重 组 启 动 模 式基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和大肠杆菌同源重组过程（1）RecBCD酶与线性分子的未端结合然后解旋朝前寻找第一个叉点（ 8碱基基序5GCTGGTGG3 ）RecBCD的核酸酶在离叉点3端约56个核苷酸处切开单链产生游离单链未端游离单链未端与RecA结合形成一个蛋白质包裹的DNA纤丝侵入同源双螺旋DNA形成D环结构（交叉）大 肠 杆 菌 同 源 重 组 过 程（ 1）基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和大肠杆菌同源重组过程（2）叉点前移在5-A/TTG/C-3顺序优先停止,该顺序在大肠杆菌基因 组中 经常出现. 当RuvAB复合物离开叉点后, 两个RuvC蛋白取而代之,并完 成Holliday结构的解体任务. 交叉DNA中的异源配对双链必需交互切 割才能彼此分开, 切割事件在5-A/TTG/C-3顺序的T和G/C之间.基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和双 链 断 裂 重 组1)酵母减数分裂细胞通过断裂重组发生基因转 换;2）免疫球蛋白基因片段通过双链断裂重组产 生 不同的编码拷贝；3) 锥虫表皮细胞蛋白质基因的表达更换也利用断裂重组机制. 基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和酵 母 基 因 转 换酵 母 双 链 断 裂 重 组 模 型基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和锥虫vsg基因的组成及其表达1) 在引起非洲磕睡病的锥虫中，其体表糖蛋白（vsg）基因可以通过断裂重组改变表达的基因成员,从而逃避寄主免疫系同的攻击。 2) Vgs基因的数目达1000多个，但在感染的动物血液中 ，锥虫只表达一个vsg基因，表达的vsg基因总是位于 染色体末端附近。所有其它的vsg基因包括位于端粒附近的vsg基因均沉默。 3) 位于表达位置之外的基因可通过断裂重组插入到表 达位置取代原有的基因, 产生新的表达产物.基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和锥虫vsg基因的断裂重组基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和位点专一性重组l2个DNA分子只有很短的共同序列，由此引发的重组称为位点专一性重组。lDNA向大肠杆菌基因组整合的过程涉及位点专一性重组。基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和位点专一性重组基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和噬菌体DNA位点专一性重组基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和第三节 转 座转座不是一种重组类型，而是一个利 用重组的过程，结果是将DNA片段从 基因组的一个位置转移到另一个位置 。转座的2种类型： 1）DNA转座2）RNA转座基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和两种DNA转座的方式基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和逆 转 录 病 毒 转 座基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和逆转录病毒RNA的逆转录(1)基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和逆转录病毒RNA的逆转录(2)基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和非 LTR 逆 转 子 转 座基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和第四节 基因组进化的模式l遗传系统的产生l新基因的产生l非编码顺序的扩张l比较基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和遗传系统的产生1) RNA世界2)基因组的起源3)生命三界基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和生命系统必须具备的基本属性l复制l催化生命起源的早期研究的注意力放在DNA与蛋白质的关系上。基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和RNA世界1) 1986年, Walter Gilbert发明了“RNA World”这一 名词,用来表示前生命时期携带信息并具有催化功能的 RNA分子。 2) 1986年, Thomas Cech首次发现具有自我催化的RNA 分子, 四膜虫rRNA分子可以自我剪切。 3) 1989年, Jack Szostak提供实验证据, 表