新基因起源与进化

因此，科学家迫切需要一些年 轻的新基因起源实例，作为近距 离观察新基因起源的分子机制和 进化的动力学过程的研究材料。
新基因起源研究现状
▪ 人们对新基因起源问题的兴趣，可以追溯到上世 纪30年代。Haldane和Muller提出：通过基因重 复可以产生新的基因。
▪ 此后随着分子生物学实验手段的进步和遗传学的 发展，染色体重复、基因家族和断裂基因等大量 实验现象进入人们视野，在此基础上提出了一些 新基因产生的假说 。
新基因的产生与进化
（Sources and evolution of new genes ）
研究一个新基因的起源的两个步骤
▪ 首先，我们要知道一个新的基因结构在自 然界的某一生物个体产生的突变步骤。
▪ 其次，我们需要知道这一单一个体的新基 因扩散到一个物种所有个体的固定过程。
新
基
因
产
生
的
分
子
机 制 ▪ AFGP, antifreeze glycoprotein; CG, chorionic gonadotropin polypeptide; Cid,
斯芬克斯(sphinx)
狮身人面像
④可移动元件（Mobile elements）
▪ Makalowski等最早描述了Alu元件可以整合进人类衰减加速 因子基因（DAF）的蛋白编码区。他们发现基于可移动元 件的多样性并不仅限于人类基因组或是Alu家族。
▪ 麦克琳托克原先在玉米中发现的DNA片段的移动，它们甚 至能采取遗传物质全盘打乱重组或复制的方式。所有这些 变化，能影响基因的表达，或者，使复制出的基因自由地 发展新功能。
精 卫 填 海
▪ 又北二百里，曰发鸠之山，其上多柘木。有 鸟焉, 其状如乌；文首、白喙、赤足，名曰精卫。 是炎帝之少女名曰女娃，女娃游于东海，溺而不 返，故为精卫。常衔西山之木石，以堙于东海。 ——《山海经 ·北山经》
②基因复制（Gene duplication）
▪ 基因重复是人们最早认识到的新基因产生机制。 ▪ 这个经典的机制认为，通过重复产生的冗余拷贝，
▪ 所以一个有功能的逆转录转座基因呈现出一种嵌合结构－逆 转录转座的编码区域和一个新的5’端调控序列。或是逆转录 转座的编码区域和一个从整合靶位点附近招募的新的基因片 断－这会导致新的嵌合机制具有和亲代基因不同的生物学功 能。
斯芬克斯(sphinx)
▪ 迄今发现的第一个年轻的RNA基因—— sphinx（司芬克斯）基因 ，sphinx的发现 揭开了基因组中众多非蛋白编码RNA基因 （ncRNA）起源发生研究的第一页。对 sphinx及其所在果蝇4号染色体的深入研 究推翻了遗传学界近百年的一个错误认识， 即该染色体无交换重组。
新基因的 起源与进化
The origin and evolution of new genes
随着基因组数据的大量积累，人们越来越认 识到不同生物在基因组大小及基因数目上存在巨 大的差异。从仅含470个基因的支原体 Mycoplasma genitalium到约含3万多个基因的人 类基因组，相差达数十倍；即使是果蝇等分化时 间很短的近缘物种，其基因种类和数目也不尽相 同。这种差异引出一个根本性的生物学问题：
▪ by far, the most general and important mechanism to generate new copies of genes is the duplication of genes and/or genomes
▪ Adh and Adhr genes of Drosophila ▪ one is their significant sequence similarity (about 40% amino acid identity); the other
▪ 但已经获得的基因组数据中，大多数的基因产生 太早，在漫长的进化时间中积累的大量突变，早 已湮没了大部分重要的进化信息。许多关于新基 因起源的细节随着漫长的进化年代都丢失了。
▪ 与那些古老的基因相比，年轻基因由于产生时间 短，保留了大量进化过程中的重要信息，可以提 供给人们新基因进化早期的结构、序列信息，有 助于推断其起源机制及进化力量，是研究新基因 产生的理想材料。
基因是怎样产生的？
▪ 如果弄清基因形成和固定机理，科学家就 能深入探讨物种的形成和分子进化、物种 进化之间的关系，也能根据基因产生的规 律设计新的生物活性药物。
▪ 所以说，研究基因的起源机制，实际上是 探究生命演变的根源，同时也具有重要的 应用科学意义。
■被称为“生命编码”的基因序列，记录着 最原始最真实的生命进化信息。
▪ 根据重复区域的大小，基因重复可分为单 个基因重复、部分基因组重复(segmental duplication)和整个基因组重复(genome duplication)即多倍体化。单个基因和部分 基因组的重复主要通过不等交换产生，而
基因组重复是有丝分裂或减数分裂过程中 和人的全基因组 信息对基因重复的频率做了保守的估计，约为每 基因每百万年0.01次。
▪20世纪90年代以前，有关这一问题的探讨基本上 是设想性或理论性的。人们迫切需要能够获得一些 年轻的新基因起源的实例，使人们能够以实验的手 段近距离观察并阐明新基因起源的分子机制和进化 的动力学过程。
▪ 1993年，华裔学者龙漫远在果蝇中发现了 第一个年轻的基因—Jingwei基因（约2.5 My），才使以实证方法研究新基因起源的 分子机制成为可能，对新基因发生的研究 掀开了新的一页。近年来，又有大约20来 个新基因被报道，包括司芬克斯（sphinx） 基因和猴王基因等。
their common intron/exon structure ▪ Adh functions to detoxify dietary alcohols but Adhr has unknown function ▪ Adh and Adhr were separated by 300 bp ▪ in D. melanogaster. two kinds of transcripts: Adh and both genes ▪ Recent data on the expression of Adhr in D. lebanonensis and D. buzzatii suggest that
▪ 尽管这种侧向的、或水平的基因转移可以导致同源基因的交换， 但是有证据表明它可以招募新的基因并提供新的表型；比如使良 性细菌转变为病原体。
▪ the gene encoding N-acytylneuraminate lyase in the protozoan Trichomonas vaginalis shares 80% identity with the neuraminate lyase bacteria Haemophilus influenzae in protein sequence
centromere identifier; DAF, decay-accelerating factor; HLA-DR-1, major histocompatibility complex DR1; PGAM3, phosphoglycerate mutase 3; Pgk2, phosphoglycerate kinase 2; PMCHL, pro-melanin-concentrating hormone-like; RNASE, ribonuclease; Sdic, sperm-specific dynein intermediate chain; UEV, tumour
■目前已知两种外显子重排：异常重组和逆转座子介导的 外显子插入。此外，相邻基因间序列的缺失产生的基因 融合也可造成外显子重排。
hamster Acrystallin gene
▪ low-density lipoprotein (LDL) receptor
▪ Patthy surveyed protein databases systematically and showed that exon shuffling occurred in many genes of vertebrate and invertebrate organisms.
由于不受或很少受到选择压力，不断积累各种突 变，最终可能与原基因产生分化，形成具有新生 物学功能的基因，而祖先拷贝仍保持原来的功能。 现在科学家已经确认，基因重复是新基因产生的 重要来源之一。 ▪ 许多新的基因功能都是通过基因复制进化来的， 而且对不同种生物的发育程序的进化起了巨大的 作用。同样，在染色体片断和基因组水平的复制 对人类的新功能的产生和进化也起了重要的作用。
▪ 研究发现其3’端外显子与ATP合成酶F链具有同源性，但不含内含子， 其两端有短的重复序列(TTCG)，并且在3’末端有poly(A)序列，这些证 据指示此外显子是由ATP合成酶F链逆转座插入产生的。而sphinx基因 5‘端的调控序列及外显子被推测是由原先已存在的基因所贡献，这2部 分通过外显子重排形成一新的嵌合基因。sphinx基因具有多种剪切形式， 并且有的剪切形式具有性别表达特异性
the co-transcription is the primitive state
③逆转座（Retroposition）
▪ 逆转座是指转录产生的RNA通过逆转录合成cDNA插入到基 因组的过程。
▪ 由于通过逆转座产生的新拷贝一般不含启动子和调控序列， 使得大部分产生的序列成为假基因。然而，在特殊情况下， 逆转座序列通过原基因不正常转录携带有启动子，或者插入 到基因组后获得外源调控序列而具有表达活性，进而可形成 新的表达特异性或新的功能。
①外显子重排（exon shuffling）
■外显子重排是指由来自不同基因的2个或多个外显子相互 接合，或基因内部的外显子产生重复而形成新的基因结 构。 20世纪70年代，在真核生物中发现断裂基因后，Gilbert 提出，通过内含子介导的重组，不同基因的外显子可发 生互换，使得原基因结构发生变化，可能产生新的基因。