基因組進化的分子基礎(chǔ)“Nothinginbiologymakessense,exceptinthelightofevolution”.

Acitationfrom“GeneticsandtheOriginofSpecies”(1973)

T.Dobzhansky(1900-1975)基因組進化的分子基礎(chǔ):突變重組轉(zhuǎn)座突變

1.1突變的機制

?自發(fā)性損傷(復(fù)制中的損傷、堿基的自發(fā)性化學(xué)改變、

自發(fā)脫堿基、細胞的代謝產(chǎn)物對DNA的損傷)

?物理因素引起的損傷(電離輻射、紫外線、熱誘變等)

?化學(xué)因素引起的損傷（烷化劑、堿基類似物、嵌入試劑等）

1.1.1自發(fā)性損傷錯配突變堿基互補并不十分精確，純化學(xué)的堿基配對差錯率為：5％～10％為維持基因組的穩(wěn)定性，DNA的復(fù)制必須增加幾個數(shù)量級，提高DNA復(fù)制的精確性有2種方法：

*

摻入堿基的篩選：選擇正確的核苷酸

*

錯配堿基的校正：校讀

堿基異構(gòu)式引起DNA復(fù)制過程的錯誤-----自發(fā)突變堿基異構(gòu)式:

A(amino

氨基)A(imino

亞氨基)

G(keto

酮式)G(enol

烯醇式)

誤導(dǎo)摻入滑序復(fù)制

堿基類似物（Baseanalog）2-氨基嘌呤(AP或2-AP)：腺嘌呤類似物5-溴尿嘧啶(BrU)：嘧啶類似物OOBrNH21.1.2化學(xué)因素引起的損傷5-BrU:G:A

烯醇式enolBrOHHOBr

酮式KetoHOAGCTTCCTATCGAAGGATAGCTBCCTATCGAAGGAT酮式5-BrU的滲入AGCTBCCTATCGAAGGATAGCTCCCTATCGAGGGAT第二輪復(fù)制A·T

G·C

轉(zhuǎn)變AGCTBCCTATCGAGGGATAGCTTCCTATCGAAGGAT第一輪復(fù)制酮式到稀醇式的轉(zhuǎn)變烯醇式滲入為G·C

A·T

轉(zhuǎn)變紫外線的致突變作用---嘧啶二聚體(TTdimer)∧U.V.…CTTA…物理因素引起的損傷1.2突變的效應(yīng)

突變對基因組的影響同義突變：沒有改變產(chǎn)物氨基酸序列的密碼子錯義突變：堿基序列的改變引起了氨基酸序列的改變無義突變：堿基的改變使代表某種氨基酸的密碼子變?yōu)榈鞍缀铣傻慕K止密碼子連讀突變：與終止突變正好相反，終止密碼子變成指令某一氨基酸的密碼子，使翻譯繼續(xù)進行突變對多細胞生物的影響多細胞生物的細胞有2種類型：體細胞－－不參與時代間的遺傳事件種質(zhì)細胞－－負責將遺傳物質(zhì)傳遞給下一代多細胞突變產(chǎn)生的影響：體細胞－－僅限其本身、不會影響后代及進化；即使死亡，也有同類型的體細胞存在；引起細胞無限增值的突變，使細胞分裂失去控制，產(chǎn)生腫瘤；種質(zhì)細胞－－當代不會對個體表型產(chǎn)生重要影響，局限于很小的器官；可以傳遞給下一代，使子代個體所有細胞都含有從親代繼承的突變；

多細胞生物的突變效應(yīng)分為2類：功能喪失：使蛋白質(zhì)的活性降低或喪失；顯性、隱姓；顯性導(dǎo)致遺傳病，如Marfan綜合癥，產(chǎn)生異常的結(jié)締組織蛋白原纖維蛋白；功能增益：突變提供一種異常蛋白質(zhì)活性；一般為顯性；多發(fā)生在調(diào)控區(qū),如使1個或多個基因在錯誤的組織中表達,導(dǎo)致細胞功能紊亂，或控制細胞周期的一個或幾個基因的過量表達,使細胞分裂失控引發(fā)癌癥;突變率與生物的復(fù)雜性

生物進化的基本動力：突變?nèi)绻蛔兟侍撸蚪M處于不穩(wěn)定狀態(tài)，不利于進化；現(xiàn)存生物，包括低等生物和高等生物基因組的自發(fā)突變率約為10－9－－－－這是各種因素綜合作用的結(jié)果；每個基因都有積累突變的風險，而大多數(shù)突變都是有害的，因此生物含有的基因數(shù)越多，發(fā)生突變的幾率越大，由此判斷平均突變率為生物的復(fù)雜性設(shè)定了一個上限；群體遺傳學(xué)家估計，根據(jù)DNA復(fù)制的忠實性，哺乳動物含有基因數(shù)不超過60000。1.3超突變和程序性突變SOS修復(fù)系統(tǒng)傾向增加突變SOSrepair是一種錯誤傾向性極強的修復(fù)機制是進化中形成的“喪失某些信息而存活總比死亡好一些”的措施（正常狀態(tài)下，SOS是關(guān)閉的）大腸桿菌的適應(yīng)性突變大腸桿菌（乳糖操縱子發(fā)生移碼突變），不能利用乳糖在只有乳糖的培養(yǎng)基上培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)正常生長的細胞（乳糖操縱子發(fā)生第二次突變）恢復(fù)野生型引發(fā)激烈爭論：”環(huán)境影響生物的表型”,”生物對環(huán)境作出響應(yīng)發(fā)生程序性突變”1.4DNA修復(fù)DNA的修復(fù)系統(tǒng)：

堿基切除修復(fù)將受損的核苷酸堿基周圍一段核苷酸切除，然后通過DNA多聚酶重新合成

核苷酸切除修復(fù)與堿基修復(fù)系統(tǒng)類似，只是切除的受損DNA范圍更大，涉及更多極端損傷的類型

錯配修復(fù)錯配核苷酸本身化學(xué)結(jié)構(gòu)完全正確，只是所處的位置不對堿基切除修復(fù)核苷酸切除修復(fù)UvrA識別傷口

UvrB和UvrC共同切除錯誤傷口DNAmismatch+-----A------------C---錯配修復(fù)系統(tǒng)(MRSMismatchRepairSystem)校正活性所漏校的堿基,使復(fù)制的保真性提高102～103倍錯配修復(fù)

錯配修復(fù)系統(tǒng)重要酶類（Mismatchrepairsystem）外切核酸酶(Ⅰ和Ⅶ)連接酶MCE(mismatchcorrectenzyme)：

3subunitsmutH,L,SdamgeneDNA腺嘌呤甲基化酶(m6A甲基化酶)掃描新生鏈中錯配堿基識別新生鏈中非m6A的GATC序列酶切含錯配堿基的新生DNA區(qū)段MutS/MutH

掃描識別錯配堿基和鄰近的GATC序列

切點－－甲基化GATC中

G的5’側(cè)DNAhelicaseII,SSB,

exonucleaseI去除包括錯配堿基的片段DNApolymeraseIII和

DNAligase

填充缺口昂貴的代價用于保證DNA的準確性修復(fù)過程

1.5DNA單鏈的非對稱性進化大腸桿菌DNA復(fù)制的差錯率107個核苷酸1個錯誤;2條新合成的子鏈中差錯率分布不一致,延滯鏈復(fù)制的差錯率是引導(dǎo)鏈的20倍;造成子鏈差錯率非均一性的主要原因:DNA雙鏈復(fù)制的非對稱性;

延滯鏈的復(fù)制總比先行鏈慢一拍,先行鏈在復(fù)制前只有很短的DNA雙鏈區(qū)解鏈,但延滯鏈卻要求很長的一段單鏈暴露;

延滯連采取岡畸模型復(fù)制,大腸桿菌基因組每隔2Kb起始一次引物合成,DNA多聚酶Ⅰ的堿基選擇活性及較讀能力均比DNA多聚酶Ⅲ差轉(zhuǎn)錄的非對稱性;

轉(zhuǎn)錄時,非轉(zhuǎn)錄鏈則保持短暫單鏈暴露狀態(tài),增加了堿基突變的可能.,已知單鏈狀態(tài)的胞嘧啶脫氨基的比例高于雙鏈DNA上百倍,轉(zhuǎn)錄狀態(tài)使非轉(zhuǎn)錄鏈脫氨基比例增加4倍;二、重組接合作用

(conjugation)轉(zhuǎn)化作用

(transformation)轉(zhuǎn)導(dǎo)作用

(transduction)同源重組

(homologousrecombination)位點專一性重組(site-specificrecombination)雙鏈斷裂重組發(fā)生在同源序列間的重組稱為同源重組(homologousrecombination)，又稱基本重組。是最基本的DNA重組方式，通過鏈的斷裂和再連接，在兩個DNA分子同源序列間進行單鏈或雙鏈片段的交換。一、同源重組以E.coli的同源重組為例，了解同源重組機制的Holliday模型。Holliday模型Holliday模型中，同源重組主要4個關(guān)鍵步驟①兩個同源染色體DNA排列整齊②一個DNA的一條鏈斷裂、并與另一個DNA對應(yīng)的鏈連接，形成Holliday中間體③通過分支移動產(chǎn)生異源雙鏈DNA④Holliday中間體切開并修復(fù)，形成兩個雙鏈重組體DNA，分別為：片段重組體(patchrecombinant)拼接重組體(splicerecombinant)

內(nèi)切酶

(recBCD)DNA侵擾(recA)分支遷移

(recA)

內(nèi)切酶(recBCD)

DNA

連接酶5′3′5′3′5′3′5′3′5′3′5′3′5′3′5′3′5′3′5′3′5′3′5′3′5′3′5′3′3′3′5′3′5′3′3′5′5′3′5′3′5′3′Holiday中間體5′3′5′3′5′3′5′3′Holiday中間體5′3′5′3′5′3′5′3′5′3′5′5′5′3′3′3′5′5′5′5′3′3′3′3′5′5′5′5′3′3′3′3′5′5′5′5′3′3′3′3′5′5′5′5′3′3′3′3′內(nèi)切酶(ruvC)內(nèi)切酶(ruvC)DNA連接酶DNA連接酶片段重組體拼接重組體片段重組體

（見模型圖左邊產(chǎn)物）：切開的鏈與原來斷裂的是同一條鏈，重組體含有一段異源雙鏈區(qū)，其兩側(cè)來自同一親本DNA。拼接重組體（見模型圖右邊產(chǎn)物）：切開的鏈并非原來斷裂的鏈，重組體異源雙鏈區(qū)的兩側(cè)來自不同親本DNA。

二、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組（一）接合作用當細胞與細胞、或細菌通過菌毛相互接觸時，質(zhì)粒DNA從一個細胞（細菌）轉(zhuǎn)移至另一細胞（細菌）的DNA轉(zhuǎn)移稱為接合作用(conjugation)。可接合質(zhì)粒如F因子(Ffactor)質(zhì)粒——細菌染色體外的小型環(huán)狀雙鏈DNA分子（二）轉(zhuǎn)化作用通過自動獲取或人為地供給外源DNA，使細胞或培養(yǎng)的受體細胞獲得新的遺傳表型，稱為轉(zhuǎn)化作用

(transformation)。例：溶菌時，裂解的DNA片段被另一細菌攝取。（三）轉(zhuǎn)導(dǎo)作用當病毒從被感染的（供體）細胞釋放出來、再次感染另一（供體）細胞時，發(fā)生在供體細胞與受體細胞之間的DNA轉(zhuǎn)移及基因重組即為轉(zhuǎn)導(dǎo)作用(transduction)。三、位點特異重組位點特異重組(site-specificrecombination)

是由整合酶催化，在兩個DNA序列的特異位點間發(fā)生的整合。例（一）λ噬菌體DNA的整合λ噬菌體的整合酶識別噬菌體和宿主染色體的特異靶位點發(fā)生選擇性整合；反轉(zhuǎn)錄病毒整合酶可特異地識別、整合反轉(zhuǎn)錄病毒cDNA的長末端重復(fù)序列(longterminalrepeat,LTR)。三、轉(zhuǎn)座由插入序列和轉(zhuǎn)座子介導(dǎo)的基因移位或重排稱為轉(zhuǎn)座(transposition)。轉(zhuǎn)座子可在染色體組內(nèi)移動，從一個位點切除，插入到一個新的位點,引起基因的突變或染色體重組。插入序列(insertionsequences,IS)組成：二個分離的反向重復(fù)(invertedrepeats,IR)序列特有的正