内含子形成的原因.doc

二.内含子形成的原因 黄叙久 ??????对于大多数的细菌来说,整个基因组中非编码DNA序列很少；象大肠杆菌比较多的,也只有11%左右。多数基因间几乎没有间隔，基本没有内含子或者极少。与原始细菌同源的真核生物核外的线粒体基因组和叶绿体基因组情况也一样，基因组的内含子很少，象人类线粒体基因组的37个基因中都没发现内含子。 ??????但对于高级的真核细胞生物，象人类基因组中的基因平均都有9个左右的内含子，哺乳动物细胞中许多基因都包含50个以上的内含子,有的竟然有上百个。非编码的DNA序列长度大多数都占基因本身的一半以上，不少内含子还占到基因总长度的90%以上，这是很令生物学家困惑的问题。 ??????可以想象，生命起源早期的DNA序列都是由简洁、几乎没有冗余非编码DNA的小基因的聚合体存在，这是原始简单生物适应环境必然具备的特性。现在存在的原核生物、线粒体和叶绿体，基本保持这样的特性。但生物往高级进化，真核生物的内核基因组情况就不一样了。 ??????现代大多数生物学家基本认为，真核生物是内核基因和曾是自由营生的线粒体和叶绿体建立内共生关系而起源的。可能是原内核基因生物“俘获”原始好氧细菌和蓝细菌，内吞或侵入造成的。如现在美国麻萨诸塞州海域的某些象植物的原生动物，以海藻为生，把叶绿体以外的部分作为食物消化掉，留下叶绿体，靠其进行光合作用。在真核生物的细胞内，内核基因组只有一个，而线粒体和叶绿体基因组的拷贝则数量众多。正是由于线粒体和叶绿体提供的生化和能量的基础支持，才使得“受到保护”的内核基因组复杂性状和功能的进化成为可能。 ??????本人认为，内核基因组和线粒体的这种内共生关系，早期很大程度上是“奴役”的关系。由于线粒体始终承受着巨大的基础生存负荷，使得内核基因组躲过了大多数的选择压力，这就造成了线粒体基因组分子进化突变率高,而基因组大小、结构和基因数却很少进化的原因。内核基因组的分子进化突变率比前者低5—10倍，但其基因组大小、结构却不断在进化，基因数更是从最初的几十个进化到高等生物的几万个。 ??????做一个人文形象的比喻：内核基因组和线粒体的早期关系有点象奴隶主和奴隶的关系，正是由于奴隶们提供的物质基础支持，使得奴隶主们有心思从事文学艺术、科学技术等上层建筑的研究进化，也使得内核基因组的“腐败现象”成为可能。 ??????内核基因组丧失选择压力的这种“腐败现象”表现为：首先在于基因组内一些基因的失活；在与线粒体建立内共生关系前，内核基因组独自营生时，应该大部分的基因与线粒体是相似的，功能是相同的。当“奴役”线粒体，有些基因的功能被线粒体基因所承担，从而“无所事事”而失活，成为拟基因而以一段非编码的DNA序列存在。 ??????其次是复制错误等原因，使得全基因组倍增、染色体倍增、基因或某段DNA序列倍增等，这在真核生物的进化中是很普遍的现象，现在一些植物和动物中还会发生有四倍体等不少例子。 ??????再者,这种“腐败现象”也给“自私DNA”造成了寄生的环境，重复序列的DNA疯狂拷贝，单单象LINE1和Alu这两种转座元件竟然就占到人类基因组序列的27%，这些病毒寄生性DNA序列片段共占到人类基因组序列的近一半。 ??????这种倍增和转座等复制扩张最终造成的结果,看看人类基因组就可知道：内核基因组总大小有3200Mb,而编码DNA的基因大小只有48 Mb左右,只占人类基因组的1.5%。而象蝾螈和有花植物，内核基因组之大跟基因大小更是不成比例。 ??????当然，原始真核生物的内核基因组中必然有其“优等”基因存在，这一“优等”基因的存在，使得细胞共生体较一般低级的原核生物具有一定的生存优势，这也是线粒体基因组愿与之共生并为之“服务”的原因。否则拖着完全无作为的内核，真核细胞必然会被自然选择所淘汰。 ??????由于受到强大的保守性选择压力, 象脊椎动物，高度保守的编码序列和非编码RNA基因占到基因组大小的98%以上，线粒体基因组基本上丧失了大幅进化的可能性；并且功能严重特化，一些低效率的、可被核基因组代替的蛋白质编码基因反而在漫长的进化中逐渐丧失掉(一种假说认为这些基因被横向转移到内核基因组中)，变成专门制造和提供能量的组织。现代的原核细胞生物（细菌及藻类）的基因数已从原始的几十个进化到现在的数百几千个，基因组大小也达到一至数百万对DNA碱基；可线粒体基因组的基因数还是原来的数目，甚至更少，而象人类的线粒体基因组大小只有可怜的16kb。 ??????但真核生物的内核基因组和线粒体基因组已经形成了命运共同体，必须“同舟共济”。内核基因组必须为早期的“罪行”还债，线粒体基因组在进化过程中的“缺陷”就必须由强大的内核基因组来弥补了。线粒体有它自己的核糖体和少量的编码蛋白的基因，在线粒体基因组产生