外显子洗牌
外显子洗牌(Exon shuffling )系指产生新基因的一 种分子机制。来自不同基因的两个或多个外 显子，经过异位(ectopiclly)重组或加倍形成 新的具有外显子-内含子结构的基因。
外显子洗牌的依据：1）外显子编码的多肽链往 往形成一个相对独立的结构域（module）； 2）内含子处独立的结构域之间；3）氢键或 二硫键出现在外显子编码多肽链内部；4）重 复的外显子多肽链产物和重复的结构或功能 单元对应；5）非同源基因同源外显子编码相 似的多肽结构。
基因的进化速率是不相同的
1）生物信息学研究发现，与基础代谢有关的基因相对比 较保守，进化速率较慢；调控基因涉及表达模式的确 定，进化速率较快；
2）涉及环境适应性的基因进化速率相对较快。人类和黑 猩猩的进化树中，与免疫、细胞凋亡和精子发育相关 的基因演变的速度甚至比随机突变还要快。因为病毒 和其他病原体的进化速度很快，人类免疫系统不断受 到新出现的病毒的威胁，因此，与抵抗疾病相关的基 因进化更加迅速。
第13章-2 基因水平的进化
新基因的产生
新基因产生的主要方式: 1) 基因加倍之后的趋异，是新基因产生的主要方式。 2) 结构域洗牌, 即不同的结构域加倍或重组, 产生创新
功能基因。真核生物约19%的基因产生于外显子洗 牌。 3) 基因裂变与融合, 一分为二或者合二为一。原核生物 约0.5%的基因由此产生。 4) 嬗变, 由非编码顺序转变为编码顺序（例罕见子）。
定向 DNA 洗牌
不同生物的同源基因编码序列仅有少量的差异，但编码的蛋白产 物在功能上有很大差别。将这些同源基因的DNA混合，然后将 其断裂为长短不一的片段。解链后再复性，可形成杂合双链， 再完成自身引物PCR，形成经洗牌重组的DNA。从这些重组 DNA克隆中可筛选到蛋白活性改进的基因。通过这种方法，已 将头孢菌素酶（cephalosporinase）的活性提高250倍。 Nature, 1998, 391: 288-291
Hoxc-6
基因在 鸡和蛇 胚胎中 的表达 模式
Hox 基因决定动物个体重复结构的形态，数目及其进化，如像脊椎动物 的脊椎骨数目与类别。图左为鸡胚胎发育时期的脊椎组成，Hoxc-6基因 控制7数胸椎的模式，蓝色部分将发育为肋骨。 图右为乌蛇 胚胎，Hoxc6基因的表达调控使乌蛇胸椎数目（蓝色）极度扩展，从头部一直延伸到 尾部。
蛋白 质创 新
功能 域洗 牌
组织血纤蛋白溶酶原激活因子（tissue plasminogen activator，TPA） 是功能域洗牌的一个例子。 TPA基因有4个外显子，最上游的外显 子编码一个指形模块，来自纤连蛋白。第2个TPA外显子指令一个 生长因子结构域，来自表皮生长因子基因。后面2个外显子编 “Kringle”结构，使TPA与血纤维蛋白凝块结合，来自血纤维蛋白 溶原酶基因。Mol Evol 40:331-336，1995
蛋 白 质 体 外 进 化
体外蛋白质进化的设计原理类似于DNA洗牌。利用嵌合 寡聚DNA引物扩放靶基因或同源基因的外显子，随 后将扩放产物混合，变性后复性，再完成自身引物 PCR。最后通过实验筛选重组基因，检测蛋白活性。
Bioscience and Bioengineering，2006,101:449-456
HOX基 因家族 的加倍 与形态
创新
果蝇含有一个与体节分化有关的HOX基因家族。脊椎动物的祖先整个 Hox基因簇连续两次加倍，形成了4个Hox基因簇。哺乳动物4个Hox基 因簇分布在4条不同的染色体上，分别称为Hox-A、Hox-B、Hox-C和 Hox-D。这4个Hox基因簇中，有的基因簇发生了局部的基因重复或缺 失，因此现存哺乳动物总共只有39个Hox基因。
β-球蛋白基因
加倍趋异
哺乳动物和禽类β-球蛋白 基因有着共同的祖先。 原 始β-球蛋白基因（ pβ1和 pβ2 )和调控顺序（LCR和 增强子）在经历一次加倍 后，分为两支进化：一支 向真哺乳亚纲和袋鼠发展； 一支成为禽类现存β-球 蛋白基因（p, Ε，pβA和 pβB ）的先祖。 PNAS 98：1327-1329, 2001
外显子 洗牌的 分子机
制
-
逆转录介 导的外显 子整合
L1介导的外显子洗牌 a) 在L1的3‘ 端连接反向标记基因neo，当中插入一段内含 子。SD和SA分别为mRNA加工剪接的供体位和受体位。neo基因两端连接异 源启动子（L1pA和SV40pA）和Poly(A)加尾信号。b) 转化HeLa细胞后，反 义neo mRNA的转录物经逆转录后整合到寄主染色体中。c) 当逆转录产物插 入寄主染色体基因的内含子时，该基因转录后产生融合mRNA。d) 融合 mRNA翻译表达Neo蛋白，使转化细胞获得对G418的抗性，在筛选培养基上 可正常生长。Science 283：1530-1534，1999
Hale Waihona Puke 基因 的裂 变与 融合Durrens P等从12种真菌中根据基因组数据收集了1 680个基因融合和裂 变事件。作者发现，基因融合和裂变的数目和基因组大小有关； 从比例看，融合占优势；融合基因趋向于相同的生化功能。作者 认为基因融合和裂变可作为物种进化距离的标尺，比突变更适合 用来判断物种进化的历史。A) 基因裂变事件；B)基因融合事件。 颜色方块为比对的蛋白质结构域，白色是非比对区域。
HOX基因簇的进化
Hox基因家 族在动物的 发育与体节 模式确定中 起着极其重 要的作用。 哺乳动物的 4个Hox基因 簇的来源可 以追溯到原 始的HoxEvx/Meox基 因的加倍， 趋异与缺失， 代表基因进 化的一种主 要方式。
基因重复与适应性进化球蛋白基因
哺乳动物现存球蛋白基因 经历过前后5次加倍与趋 异。原和原球蛋白的 祖先基因在约5亿年前加 倍，在2亿年之后球蛋 白和球蛋白祖先基因又 出现加倍，随之各自发生 分离。现存的肌球蛋白 和球蛋白的功能发生了 趋异，适应了生物进化的 需要： 胎儿期表达的球蛋白可满 足从母体血液吸收氧的功 能，成年表达的球蛋白与 氧结合能力减弱。