水平基因转移在生物进化中的作用

水平基因转移现象的发现揭示出生物进化的另一条途径,并引发研究人员对生物进化描述方式进行更多的思考和讨论.目前普遍认为,水平基因转移在原核生物和单细胞真核生物中发生较为频繁,并且是二者进化的重要动力,但在多细胞真核生物中,其发生范围及进化意义尚存争议.本文列举原核生物、单细胞真核生物以及多细胞真核生物3个重要类群(动物、植物、真菌)中已被报道的部分研究实例,分析水平基因转移在这些类群进化过程中的作用及其产生的影响.此外,还简要地介绍了目前水平基因转移常用的检测手段、可能的发生机制以及其发生的倾向性,并对未来多细胞真核生物水平基因转移事例的发现作出预测.     

分子减速进化的普遍性研究

分子水平“中性突变”的发现与“中性学说”的提出丰富了人们对生物进化尤其是分子进化的认识,同时对达尔文主义提出了严峻挑战.中性论者认为:分子水平的绝大部分突变对生物体既非“有利”,亦非“有害”,而是中性.它们主要是通过在群体中的遗传漂变被随机固定或消除,因而具有恒定的,与生物世代长短无关的突变速率.60年代中期Zuckerkandl等提出的“分子进化钟”假设(即分子进化速率在整个物种演化中恒定)是中性理论的主要支柱.但此假设自问世以来就一直存有争议,只是由于双方均采用相对分子进化速率(为两物种分子进化速率均值),双方的证据均不能让对方信服.为解决此论争,我们建立了绝对分子进化速率(指单一物种分子进化速率)计算方程,揭示多系-集落刺激因子(multi-CSF)与GM(粒单系)-CSF在哺乳动物进化中不遵守“分子进化钟”,其进化速率随物种进化程度提高而降低,即呈现“减速进化(slow-down evolution)”.为判断此现象的普遍性,本文系统分析了4种不同蛋白质从单细胞原核生物到单细胞真核生物、植物、节肢动物,直至灵长类中人的绝对分子进化速率的变化情况,证明“减速进化”在不同蛋白质/酶中,在不同物种进化中均普遍存在,因而推测为一种普遍的规律.此外,本文还尝试了用此规律来分析、估计相近物种(     

浅析基因组大小的进化机制

基因组记录着物种的全套核苷酸序列信息,其大小与物种进化地位之间的关系由于"C值悖论"的提出而引人关注.本文回顾了关于基因组大小研究的历史,简述了基因组大小和细胞性状及自身组成之间关系的研究进展及相关假设,并在不同分类尺度上分析了影响基因组大小进化的可能因素.我们认为随着进化地位的提高和相应的遗传信息量增加,基因组大小有增加的内在必然性;但是在真核生物中,随着基因组的增大,增加的DNA逐渐由基因序列转变为主要是内含子和基因间区等非编码DNA序列,而非编码序列的大量增加并不明显改变物种的进化地位,却在很大程度上掩盖了基因组大小与物种进化复杂度之间的相关性,从而导致了C值悖论.我们认为分子突变导致了基因组大小的变化,而自然选择对保留有益的变化起到了重要的作用.     

RNA聚合酶动态调控DNA转录的单分子水平研究进展

真核生物的RNA聚合酶Ⅱ(Pol Ⅱ)和原核生物的RNA聚合酶(RNAP)主要负责转录合成信使RNA(mRNA)，调控不同基因的转录水平，以调节生物体的生长发育和应对复杂多变的环境。研究者采用传统的荧光显微镜观测到RNAP可形成团簇，据此针对DNA转录调控提出“转录工厂”模型。随着单分子技术的发展，研究者在单分子水平上观测到了活细胞中RNAP动态调控DNA转录，提出RNAP可以通过液-液相分离机制进行转录调控。该综述总结了不同单分子荧光显微镜的技术原理，以及相关的荧光探针标记方法，并介绍了在真核生物和原核生物中应用单分子成像技术可视化RNA聚合酶动态调控DNA转录过程的研究进展，最后展望了单分子技术在转录调控研究中的应用前景。     

漫谈宏基因组学

基因组学随着人类基因组计划的实施而诞生,现已成为后基因组时代一门重要的生命科学学科.研究者已经逐渐习惯于在对生物体的个别基因或蛋白质研究之前,先测定或分析该物种的基因组序列.目前已经知道全基因组序列的真核生物有40多种,而原核生物则多达200多种.这些工作表明,研究人员在基因组序列分析方面已经取得了巨大的进展.但是,对于自然界现存的物种而言,人类所测定的物种依然是少之又少.在原核生物世界中,仅仅是被命名的就达到5700种,而那些未知微生物的种类则可能多达上百万种.     

种系发生的系统网——更合适的种系发生图式(续)

类病毒→病毒→古细菌→真细菌→真核生物的进化顺序与实际似有不符根据对真核生物、原核生物、古细菌、病毒和类病毒起源及进化地位的讨论结果判断,它们不象是如图1所示的进化序列直线进化的.最早的始原细胞在早期进化中,可能已经分成两枝.一枝是真细菌,在以后的进化中又先后继续分出若干分枝.另一枝是真核细胞与古细菌的共同祖先,后来分出两个分枝:一个分枝是古细菌,古细菌虽然是个小分枝,但在长期进化中也先后继续分出一些更     

红树植物的盐适应性及其进化的研究进展

植物对环境的适应是进化生物学研究的重要内容. 红树植物是生长并适应于高盐的海岸潮间带环境的木本植物类群. 不同红树植物物种的耐盐水平不尽相同; 即使是同属的近缘物种也可能具有不同耐盐能力而生长于潮间带的不同位置; 部分物种具有可以在陆地和潮间带生长的不同的生态型. 这些特殊性状使红树植物成为研究植物对高盐环境适应和进化的良好生态模型. 本文简述了红树植物在形态结构和生理生态等方面的盐适应性特征, 并着重综述了最近几年来在基因和基因组水平上对红树植物的研究成果. 这些最新的研究成果不但证实了生理生态方面的研究结论, 更重要的是揭示了红树植物一些独特的基因表达模式并暗示了这些模式对红树植物的盐适应性进化的贡献; 通过整合以上研究成果, 并对不同红树植物和非耐盐植物进行比较, 初步揭示了红树植物盐适应性的主要特征, 为进一步研究红树植物适应性进化的分子机制提供了新的切入点.     

中国金丝猴物种瘦素基因(Leptin)分子进化研究

灵长目疣猴亚科金丝猴属(Rhinopithecus)包括4个种, 即滇金丝猴(R. bieti)、黔金丝猴(R. brelichi)、川金丝猴(R. roxellana)和越南金丝猴(R. avunculus). 除越南金丝猴外, 其他3个种都分布于中国地区6大主要山脉的高海拔地区(>2000 m), 是目前已知栖息地海拔分布最高的非人类灵长类动物. 与其他疣猴亚科相比, 中国金丝猴物种有更好的适应于高海拔地区低温缺氧环境的能力, 是研究动物对极端环境适应性进化机制的绝佳模型. 然而, 迄今为止, 从分子水平上对它们或者其他非人类灵长类的高海拔适应研究却非常缺乏. 瘦蛋白(Leptin)是一类由脂肪细胞分泌的细胞因子类激素. 它可以通过增加能量的释放、基础代谢率和非颤拌性产热来增强动物适应寒冷环境的耐受能力, 在适应高海拔低温缺氧环境中的能量平衡方面起重要作用. 本研究测定并比较了滇金丝猴、川金丝猴和低海拔物种越南金丝猴以及其他疣猴亚科物种的Leptin基因序列, 探讨了Leptin基因在非人类灵长类高海拔适应性进化中的作用. 结果显示, 在7个所研究的疣猴亚科物种中, 序列之间没有发现氨基酸替换, 表明高海拔金丝猴和其他疣猴亚科物种相比, 在Leptin基因进化模式上一致. 与以前在高原鼠兔中发现Leptin基因存在适应性进化模式的结果不同, 本研究表明Leptin基因在同样高海拔生存的中国金丝猴物种中并没有起到同样重要的作用. 因此, 在鼠兔Leptin基因中所表现出来的适应性进化模式并不普遍存在于所有高海拔动物中, 至少在中国金丝猴物种中. 研究提示, 通过研究与能量代谢相关的其他核基因可能会为进一步揭示中国金丝猴属如何适应高海拔寒冷缺氧的极端环境分子机制提供重要信息.     

胰核糖核酸酶基因(RNASE1)重复与功能分化

适应是生物进化中最根本的问题之一. 胰核糖核酸酶(RNASE1)由胰脏分泌, 是一种非常重要的消化酶. 目前已证实RNASE1基因重复与前肠发酵食草动物中独特消化系统的功能适应紧密相关, 成为研究动物对食性适应性进化遗传机制的重要模式系统之一. 同时有研究发现, 在不具有前肠发酵特征的某些哺乳动物中也存在RNASE1基因重复事件, 提示该基因在这些物种中可能产生了新的组织特异性或功能. 文章综述了RNASE1基因在动物适应性进化, 包括食性方面的研究进展.     

新基因的起源与进化

随着基因组数据的大量积累, 人们愈加认识到各种有机体中基因数目的巨大差异. 这些差异的存在表明, 新基因如何产生不仅是一个重要的进化生物学问题, 也是生命科学中面临的一个基本问题. 对新基因起源机制的探索, 可以追溯到大半个世纪以前, 然而直到上世纪90年代第一个年轻基因——精卫基因(jingwei)的发现, 才使以实证方法研究新基因起源的分子机制成为可能. 此后的10多年中又陆续发现一些新的年轻基因的例子, 对这些基因起源与进化的研究极大地丰富了人们在这一领域的认识. 但目前有限的例子难以从整体的水平对基因组中新基因产生的速率以及新基因的产生对原基因组的影响等问题作出解答. 我们正致力于在基因组的水平寻找更多年轻基因的实例, 以期总结新基因起源与进化的一般规律.     

Gabija细菌免疫系统的抗病毒机制

<正>为抵抗病毒的频繁入侵,原核生物进化出了许多精巧的防御策略,被统称为“原核免疫系统”^[1～3].原核生物与病毒之间的生存竞争是自然界最大规模的斗争,也是生物技术的重要来源.其中,限制-修饰系统^[4]和CRISPR-Cas系统^[5]是分布最为广泛的原核免疫系统,它们的机制解析分别带来了基因工程和基因编辑的技术革命,均被授予诺贝尔奖.微生物宏基因组分析表明,     

脊椎动物附肢发育及进化机制的研究进展

动物形态的多样性造就了丰富多彩的动物世界.脊椎动物附肢形态的发生一直以来是研究物种形态进化发育的典型例子.脊椎动物的附肢在漫长的进化历程中发生了多次重大的改变,这大大提高了脊椎动物的适应性.另外,在由水生鳍向陆生足演化以及四足动物形态各异的四肢发育过程中,涉及很多与发育相关的基因和调控通路.本文结合发育生物学和遗传学的证据,综述了近年来对脊椎动物四肢发育及进化机制的相关研究,强调了基因的时空差异表达及调控是造成生物形态适应性进化的主要驱动力.     

非洲锥虫抗人血清相关基因的进化

抗人血清相关蛋白(SRA)是非洲睡眠病的病原体布氏锥虫罗得西亚亚种抵抗人血清中的锥虫溶解因子溶解的关键蛋白. 该蛋白同时也作为鉴定罗得西亚亚种的重要分子标记. 本研究从锥虫亚属各物种的基因组中克隆出与SRA同源的基因片段SRAbc, 并对其进行了测序和结构分析. 测序结果显示, 各物种之间的SRAbc核酸序列同源性高达82%, 表明SRAbc在锥虫亚属的种类中具有起源相同并相对保守的特性. 由于在罗得西亚亚种内同时存在SRA和SRAbc, 故认为SRAbc可以作为VSG重组的“供体VSG”, 通过复制和插入机制整合表达位点. 在自然选择的压力下, SRAbc 将可能再次进化成有功能的SRA基因.     

真核生物中基因的合表达现象

Jaoob和Monod在1960年提出的基田操纵子作用原理给我们认识基因的表达和调节机制起到了推动性的作用。而如今田生物芯片的出现，对真核生物的基图表达分析显示针对体内的某一生命现象．高等生物中的基因表达和调节也是高度互协调的，此观象被称为基因的“合表达(synexpression)”现象。而相应参与的基因被称为“合表达群(synexpression group”但与操纵子不同的是被激活的舍表选基因可参与不同的信号途径．相应基因可在不同的染色体上。另外合表达现象可能也是导致生物在进化上产生生物多样性的一个主要因素。     

关于分子进化理论

本文阐述了现代分子生物学的成就对综合进化论的发展。生物分子顺序的分析,可以重建物种之间的亲缘关系。遗传密码的发现,证实了所有物种基本的生命机制的统一性。所有物种和个体的遗传和形态发生,都可归诸于基因组的信息。基因组的信息也是自然选择得以作用的唯一信息。核酸遗传信息向蛋白质传递的顺序的不可逆性,证明了“获得性状”是不可能的。分子生物学表明,生命体具有一种结构和机制以保证一模一样地复制自身结构以及复制在这个结构中发生的突变类型。由此可见,生命的特权是保守,进化不是生物的一个规律。有三类与选择进化论格格不入的理论:一是认为物理规律不能说明生命的存在和进化的活力论;二是认为进化不仅是生物的规律,而且是整个宇宙向上渐进的规律的泛灵论;三是以某些热力学家为代表的、主张地球上生命的出现和进化的必然性的泛灵论。如果接受选择的进化论,必须认为生命在地球上的出现,任何物种以及人类、社会的存在,都是在整个宇宙中只发生一次的事件,是完全不可预言的。     

EXO70基因在甘蓝和白菜基因组中的倍增与趋异进化

为探明EXO70基因在白菜和甘蓝基因组中的倍增,从BRAD数据库中分别搜索并鉴定出39和45种不同的EXO70基因.分析发现,同种EXO70及其编码基因在白菜和甘蓝中极度保守,不同类型EXO70的氨基酸组成存在差异,pfam03081是每个EXO70蛋白所共有;不同EXO70基因的外显子数目差异明显,尤以EXO70A的外显子数目最多;Bo EXO70在进化过程中发生了较BrE XO70程度更高的DNA丢失情况;白菜和甘蓝EXO70基因总的密码子偏性近乎相同,而不同类EXO70基因之间的密码子使用却出现程度不同的差异.得出推论,尽管EXO70基因在两物种中拥有近乎相同的倍增模式,它在甘蓝中的倍增程度高于白菜;同种类型的EXO70基因在白菜和甘蓝中高度保守,pfam03081是决定EXO70蛋白功能的关键因素;EXO70基因在两个物种内的倍增表现出趋异的进化.     

低等脊椎动物中存在基因组印迹进化的基础

哺乳动物配子发生过程中双亲特异性甲基化印迹导致父母双方的基因组在发育中的不等性和互补性, 使父母双方的基因组对正常发育都是必需的. 因此, 基因组印迹是胚胎发育过程中基因组整体水平上基因表达调控至关重要的第一步, 也是哺乳动物两性生殖的表观遗传基础. 但基因组印迹在脊椎动物中的进化起源、形成并维持稳定的表观遗传修饰分子机制都还完全不清楚. 在动物界, 由于至今未在非哺乳动物中发现内源印迹基因, 基因组印迹被认为可能是胎生哺乳动物单独进化出来的. 为探索基因组印迹的进化起源, 本文研究了哺乳动物印迹基因在低等脊椎动物的同源基因中是否存在双亲特异性差异甲基化区域. 通过用重亚硫酸氢盐测序的方法, 对金鱼Igf2基因的CpG岛在精子、卵子、不同发育阶段胚胎以及成体不同组织中的甲基化情况进行分析, 结果表明, 与哺乳动物Igf2基因一样, 金鱼Igf2基因内部也存在差异甲基化区域, 该区域在卵子中没有甲基化, 在精子中被高度甲基化; 但与哺乳动物印迹基因不同, 金鱼的双亲特异性甲基化差异不能在胚胎发育过程中保持稳定, 可能是脊椎动物进化早期的一种初级的基因组印迹. 这些结果说明, 低等脊椎动物中存在基因组印迹进化的基础, 基因组印迹不是哺乳动物单独进化产生的     

贾第虫4种新的box H/ACA snoRNA的鉴定及其进化意义

通过构建特异性的cDNA文库, 发现并鉴定了4种新的贾第虫box H/ACA snoRNA, 分别命名为GLsR22, GLsR23, GLsR24和GLsR25. 生物信息学分析表明, 这些snoRNA均可形成典型的box H/ACA snoRNA“双茎环”二级结构; GLsR24和GLsR25可能分别指导贾第虫23S rRNA上U1753和U2396的假尿嘧啶化修饰, 而GLsR22和GLsR23属于功能未知的“orphan” snoRNA. 新鉴定的box H/ACA snoRNA均位于蛋白质基因间隔区中, 并且都是由单拷贝基因编码的. 与古细菌及其他原生生物中已发现的同类分子相比, 贾第虫box H/ACA snoRNA具有很多独特特征, 提示snoRNA在从原核生物向真核生物进化的过程中可能有不同的进化路线.     

内变形虫类(Entamoeba)的进化地位

内变形虫类不仅因其寄生致病性而长期备受关注, 它们的进化地位也是一个十分令人注目的问题. 由于曾认为其不具线粒体等细胞器, 有人将其与其他的“不具线粒体”的原生动物统称为archezoa, 认为它们是在线粒体产生之前即已分化的极原始真核生物, 处在原核生物向真核生物的过渡阶段. 然而, 近年来的研究表明, 内变形虫类是具有线粒体等细胞器的, 其线粒体可能特化成了后来才发现的crypton或mitosome. 近来的分子系统研究也表明, 它们应该是具有(或曾经具有)线粒体的. 我们的DNA拓扑异构酶Ⅱ分子系统分析明显显示它们的分化应该是在很多具线粒体的生物分化之后. 本文就这些研究情况进行了较全面的概述,并对其进化地位进行了进一步分析探讨.     

PCR扩增黄鳝和刺鳅SRY盒基因

性别是从酵母到人类几乎所有真核生物所共有的性状,性别决定机制的探索一直是生物学研究的热点之一,其研究工作涉及遗传、发育和进化等领域,它不仅具有重要的理论意义,而且对实现动物性别的人为控制,对认识人类性分化异常等多种与性别有关的疾病,准确地进行产前性别诊断和预防性连锁疾病等都有重大的现实意义,同时,对性别这一在进化上保守性状进行深入研究,将会为生物的进化分析提供新的线索。近年来,在人和哺乳动物性别决定机制的研究方面,已取得突破性进展。位于Y染色体上的SRY基因被认为是性别决定的关键基因。在胚胎发育过程中,它决定着睾丸的形成,由此决定着个体向男(雄)性方向发育。最近的研究表明,在其他染色体上以及在进化程度明显不同的物种中,也广泛存在SRY的同源基因。这些拟SRY基因现已被命名为SRY盒(SRY-box)或者SOX基因。鱼类约占脊椎动物种数的一半,作为较低等的脊椎动物,是从水生到陆生进化上的一个重要环