第六章 (2)真核生物的遗传分析

1、第三节第三节 真核生物重组的分子机制真核生物重组的分子机制 遗传重组的类型遗传重组的类型 生物适应与进化的基础是可遗传的变异，而变异生物适应与进化的基础是可遗传的变异，而变异 的来源是突变和遗传重组。的来源是突变和遗传重组。 虽然都是虽然都是DNA双链间的物质交换，但其发生所需双链间的物质交换，但其发生所需 条件和辅助因子不完全相同。主要有四种类型条件和辅助因子不完全相同。主要有四种类型: 普遍性重组或同源重组普遍性重组或同源重组 位点专一性（特异性）重组位点专一性（特异性）重组 转座重组转座重组 异常重组异常重组 遗遗 传传 重重 组组 （1）同源重组）同源重组(homologous rec

2、ombination)或或普遍性重组普遍性重组 同源重组的发生同源重组的发生依赖于大范围的依赖于大范围的DNA同源序列同源序列的联会，的联会， 主要利用两个主要利用两个DNA分子序列的同源性识别重组对象，负责分子序列的同源性识别重组对象，负责 DNA配对和重组的蛋白质因子配对和重组的蛋白质因子没有碱基序列的特异性没有碱基序列的特异性，只要，只要 两条两条DNA序列相同或接近，重组就可以在此序列中的任何一序列相同或接近，重组就可以在此序列中的任何一 点发生，点发生，重组中重组中两两DNA分子相互分子相互交换对等交换对等的的结构结构部分部分。 在真核生物中，重组发生在减数分裂期间在真核生物中，重组

3、发生在减数分裂期间同源染色体的非姊同源染色体的非姊 妹染色体之间妹染色体之间。低等真核生物和细菌的转化、转导、接合以及。低等真核生物和细菌的转化、转导、接合以及 一些病毒的重组均属于同源重组。一些病毒的重组均属于同源重组。 重组也有热点重组频率高的序列：如异染色质区很少发生重组也有热点重组频率高的序列：如异染色质区很少发生 重组。重组。 细菌重组一般需要细菌重组一般需要RecA蛋白因子，因此细菌重组也叫做依蛋白因子，因此细菌重组也叫做依 赖于赖于RecA因子的重组。因子的重组。 （2）位点专一性重组）位点专一性重组 这类重组依赖于小范围的同源序列联会；重组事件只这类重组依赖于小范围的同源序列联

4、会；重组事件只 涉及特定位置的短同源序列，或仅涉及特定的碱基序列。涉及特定位置的短同源序列，或仅涉及特定的碱基序列。 重组时发生精确的切割和连接反应，重组时发生精确的切割和连接反应，DNA不丢失、不不丢失、不 合成。合成。 重组发生在特殊位点上，此位点含有短同源序列，有重组发生在特殊位点上，此位点含有短同源序列，有 位点专一性的蛋白因子催化。位点专一性的蛋白因子催化。 两个两个DNA分子并不交换对等的序列部分，而往往是一分子并不交换对等的序列部分，而往往是一 个个DNA分子整合到另一分子整合到另一DNA分子中。因此这种重组又叫分子中。因此这种重组又叫 做做整合式重组整合式重组(Integrat

5、ive Recombination). 噬菌体的整合是一个典型实例。噬菌体的整合是一个典型实例。 （3）异常重组）异常重组 异常重组异常重组(Illegitimate Recombination)完全不依赖于重完全不依赖于重 组序列之间的同源性，重组时一段序列插入到另一序列中。组序列之间的同源性，重组时一段序列插入到另一序列中。 形成重组分子时往往依赖于形成重组分子时往往依赖于DNA复制来完成重组过程。因复制来完成重组过程。因 此也叫做复制性重组此也叫做复制性重组(Replicative Recombination)。 转座子的转座是一个典型实例。转座作用不依赖转座转座子的转座是一个典型实例。

6、转座作用不依赖转座 子子DNA序列与被插入序列序列与被插入序列DNA的同源性，也不需要的同源性，也不需要RecA 蛋白因子。蛋白因子。 转座依赖于转座区的转座依赖于转座区的DNA复制和与转座有关的酶来完复制和与转座有关的酶来完 成重组。成重组。 异常重组异常重组/非常规重组非常规重组：发生在彼此同源性很小或没有同源：发生在彼此同源性很小或没有同源 性的性的DNA序列之间。序列之间。 按其机制主要分为两类：按其机制主要分为两类： 1.末端连接（末端连接（end-joining)：是指断裂的：是指断裂的DNA末端彼此相连。末端彼此相连。 玉米染色体的断裂融合桥循环玉米染色体的断裂融合桥循环Brea

7、kage-fusion-bridge-cycles。 2.链滑动（链滑动（strand-slippage）：是指）：是指DNA复制时，由一个模板复制时，由一个模板 跳跃到另一个模板所引起的重组。跳跃到另一个模板所引起的重组。 例例DNA复制时的链滑动复制时的链滑动 Because the same short homologous unit (CA, for example) is repeated over and over again, DNA polymerase may develop a stutter during replication, that is, it may slip

8、 and make a second copy of the same dinucleotide, or skip over a dinucleotide. 填空：填空： 1、根据对、根据对DNA序列和所需蛋白质因子的要求，遗传重组可序列和所需蛋白质因子的要求，遗传重组可 分为三类：（分为三类：（ 同源重组同源重组 ）、（位点专一性重组）、（位点专一性重组 ）、（异常）、（异常 重组）。重组）。 2、遗传重组包括：、遗传重组包括： （ 同源重组同源重组 ）、（位点专一性重组）、（位点专一性重组 ）、）、 （转座重组）、（异常重组）。（转座重组）、（异常重组）。 3、异常重组按其机制不同可以分为

9、两类：、异常重组按其机制不同可以分为两类：末端连接末端连接和和链滑动链滑动 4、异常重组常可以引起许多不同的结果：例如、异常重组常可以引起许多不同的结果：例如移码移码、缺失缺失、 倒位倒位、融合融合和和DNA扩增扩增。 3.1 真核生物同源重组发生在减数分裂前期真核生物同源重组发生在减数分裂前期 真核生物的遗传重组发生在减数分裂时期的同源染色体的非真核生物的遗传重组发生在减数分裂时期的同源染色体的非 姊妹染色单体之间，而且染色体或姊妹染色单体之间，而且染色体或DNA分子之间相互交换对等分子之间相互交换对等 的部分。的部分。 重组热点重组热点:即某类序列发生重组的概率高于其他序列。即某类序列发生

10、重组的概率高于其他序列。 真核生物的染色质状态影响重组，如异染色质及其附近区域真核生物的染色质状态影响重组，如异染色质及其附近区域 很少发生重组。很少发生重组。 同源重组对同源区的长度要求：同源重组对同源区的长度要求： 大肠杆菌活体重组至少要求大肠杆菌活体重组至少要求2040 bp同源序列同源序列 哺乳动物基因间的重组要求同源序列在哺乳动物基因间的重组要求同源序列在150 bp以上。以上。 同源区越长越有利于同源重组。同源区越长越有利于同源重组。 在真核生物中，双链在真核生物中，双链DNA分子间基因重组是完成减数分裂所分子间基因重组是完成减数分裂所 必需的，而且基因重组发生在减数分裂前期。必需

11、的，而且基因重组发生在减数分裂前期。 3.2 同源重组的分子模型同源重组的分子模型 （一）（一） Holliday 模型（霍利迪模型）模型（霍利迪模型）-双链侵入模型双链侵入模型 狭义的遗传重组专指因为狭义的遗传重组专指因为DNA分子内断裂分子内断裂接合接合 而引起基因交流的过程。而引起基因交流的过程。 同源重组有时又叫交换（同源重组有时又叫交换（crossing over） 它发生在它发生在DNA同源序列之间。同源序列之间。 1964年，年，Robin Holliday设想了一个模式，用来解设想了一个模式，用来解 释同源重组，经过许多细节上的修改：释同源重组，经过许多细节上的修改：Holli

12、day model for reciprocal genetic recombination 单链连接 联会 单链断裂 单链交换 交联桥 Holliday中间体中间体 分支迁移 DNA双链双链 （染色单体）（染色单体） 左右切拆分上下切拆分 旋转旋转180180 异构化 左右切左右切 重重 组组 合合 上下切上下切 亲亲 组组 合合 横向切开旁侧序列不变，纵向切开旁侧序列重组横向切开旁侧序列不变，纵向切开旁侧序列重组 1、同源染色体的识别和配对排列、同源染色体的识别和配对排列 2、两条多核苷酸链在对应位置断裂并相互侵入（交换）、两条多核苷酸链在对应位置断裂并相互侵入（交换） 3、酶的作用使交换

13、的链连接形成、酶的作用使交换的链连接形成HollidayHolliday中间体中间体 4、分枝移位（、分枝移位（Branch migration）形成异源双链）形成异源双链 DNA（Heteroduplex DNA） 5、异源双链、异源双链DNA转动，再次拉长转动，再次拉长HollidayHolliday中间体中间体 6、由内切酶在水平方向或垂直方向切开、由内切酶在水平方向或垂直方向切开Holliday中间体中间体 7、产生带间隙的双螺旋、产生带间隙的双螺旋 8、酶的作用使隙连接起来、酶的作用使隙连接起来 Holliday 模型（霍利迪模型）过程模型（霍利迪模型）过程 交联桥以两种方式进行交联

14、桥以两种方式进行 拆分，旁侧标记基因或是拆分，旁侧标记基因或是 发生交互重组，或是无重发生交互重组，或是无重 组。但是无论那种拆分方组。但是无论那种拆分方 式都在两条式都在两条DNA分子上留分子上留 下一段异源双链区。下一段异源双链区。 所谓异源双链区，就是所谓异源双链区，就是 该段该段DNA双链的一条单链双链的一条单链 来自于一个亲本的来自于一个亲本的DNA， 另一条单链来自于另一个另一条单链来自于另一个 亲本的亲本的DNA。也称为杂种。也称为杂种 DNA区。区。 实物照片实物照片 模式图模式图 环状环状 DNA 分子分子 的重的重 组组 两环状两环状DNA在同源区配对、断裂、重接形成在同源

15、区配对、断裂、重接形成8字型中间体字型中间体；中间中间 体切开有体切开有3种可能方式：种可能方式：1). 沿沿2、4方向切开产生两个亲本环方向切开产生两个亲本环， 各含一段杂合各含一段杂合DNA链；链；2). 沿沿1、3方向切开产生由两亲本环首方向切开产生由两亲本环首 尾共价连接的单体环尾共价连接的单体环。在任一同源区重组产生两个重组。在任一同源区重组产生两个重组DNA； 3). 沿沿1和和2或或3和和4切开产生滚环结构切开产生滚环结构。单体环是环状单体环是环状DNA重组重组 的必然过渡结构的必然过渡结构。 （2）Meselson-Radding模型（单链侵入模型）模型（单链侵入模型） 单链侵

16、入模型：在两个单链侵入模型：在两个DNA分子中的一个单链发生断裂，分子中的一个单链发生断裂， 游离出一个单链末端侵人到另一个游离出一个单链末端侵人到另一个DNA分子中。被切割的分子中。被切割的 DNA留下的缺口由留下的缺口由DNA聚合酶进行修复聚合酶进行修复(虚线虚线)。在另一个。在另一个 DNA分子中被替代的链降解，而两个末端被连接。开始，一分子中被替代的链降解，而两个末端被连接。开始，一 个异源双链将只在两个个异源双链将只在两个DNA分子中的一个形成，支链迁移将分子中的一个形成，支链迁移将 在另一个在另一个DNA分子上产生另一个异源双链。像在分子上产生另一个异源双链。像在Holliday模

17、型模型 一样，异构化使两侧的一样，异构化使两侧的DNA分子重组。通过这个模型，异源分子重组。通过这个模型，异源 双链首先只在两个双链首先只在两个DNA分子中的一个形成。然后一旦分子中的一个形成。然后一旦Holliday 连接体形成，支链迁移能在另一个连接体形成，支链迁移能在另一个DNA分子上产生异源双链。分子上产生异源双链。 这就解释了两个这就解释了两个DNA分子中异源双链是如何形成的分子中异源双链是如何形成的. 1 2 3 1 2 3 4 5 Meselson-Radding 模型模型(Meselson-Radding model)，也叫做单链断裂修复模型，也叫做单链断裂修复模型(singl

18、e-strand break and repair model)。该模型是。该模型是Meselson和和Radding在在1975年以年以Holliday模型为基础提出的。在这一模型中：模型为基础提出的。在这一模型中：(1) 游游 离单链来自于离单链来自于DNA双链中的单链复制，也可以由双链双链中的单链复制，也可以由双链DNA的切口和的切口和DNA呼吸产生；呼吸产生； (2) 游离单链被复制链所替游离单链被复制链所替 代；代；(3) 游离单链侵入另一游离单链侵入另一DNA双链中并通过同源序列间的互补替代一条单链，被替代的单链形成双链中并通过同源序列间的互补替代一条单链，被替代的单链形成D-环环

19、(D-loop)； (4) 形成形成D-环的单链被降解；环的单链被降解；(5) 分支迁移分支迁移(branch migration) 产生范围不同的异源产生范围不同的异源DNA双链区；双链区；(6) 连接缺口，连接缺口， 形成形成Holliday交联桥交联桥(Holliday junction)，也叫，也叫Holliday中间体中间体(Holliday intermediator)；(7) 为为(6) 中中 Holliday 交联桥结构下半部分向左旋转交联桥结构下半部分向左旋转180 形成的异构体；形成的异构体；(8) Holliday交联桥沿水平方向断裂并连接，形成在交联桥沿水平方向断裂并连

20、接，形成在B/b区域区域 有异源有异源DNA双链的、双链的、A和和C (a和和c)区没有重组的两条双链区没有重组的两条双链DNA；(9) Holliday交联桥沿垂直方向断裂并连接，形交联桥沿垂直方向断裂并连接，形 成在成在B/b区域有异源区域有异源DNA双链的、双链的、A和和C (a和和c)区发生重组的两条双链区发生重组的两条双链DNA。Radding对该模型做了一些补充修对该模型做了一些补充修 改：改：(1 ) 两条两条DNA双链中有一条有一段单链缺口；双链中有一条有一段单链缺口；(2 ) 另一条双链的一条单链通过同源序列在缺口处互补配对；另一条双链的一条单链通过同源序列在缺口处互补配对；

21、 (3 ) 侵入单链断裂、降解，并由复制链替代形成侵入单链断裂、降解，并由复制链替代形成(4)中的结构形式。中的结构形式。 （3）双链断裂重组模型（课本）双链断裂重组模型（课本P128-129） 虽然虽然Holliday模型以及随后的模型以及随后的Meselson和和Radding所作的修所作的修 改可以解释生物中发生的大多数同源重组事件，但仍有一些例改可以解释生物中发生的大多数同源重组事件，但仍有一些例 外的重组现象，最典型的例子为基因转换外的重组现象，最典型的例子为基因转换(gene conversion)。 基因转换首先在酵母及真菌中被发现，现已证实在许多生物中基因转换首先在酵母及真菌中

22、被发现，现已证实在许多生物中 存在。酵母中配子融合产生杂合子，后者经减数分裂形成有存在。酵母中配子融合产生杂合子，后者经减数分裂形成有4 个孢子的子囊。假如配子在某一座位有不同的等位基因，正常个孢子的子囊。假如配子在某一座位有不同的等位基因，正常 情况下情况下2个孢子将表现同一基因型，另个孢子将表现同一基因型，另2个孢子表现另一基因型。个孢子表现另一基因型。 但有时会出现例外，即这种但有时会出现例外，即这种2：2的分离比例由的分离比例由3：1比例取代。比例取代。 这种现象被称为基因转换，即一种等位基因形式转变为另一种这种现象被称为基因转换，即一种等位基因形式转变为另一种 等位基因形式，只发生在

23、减数分裂时期。等位基因形式，只发生在减数分裂时期。 有一种双链断裂模型用于解释重组过程中发生的基因转换事有一种双链断裂模型用于解释重组过程中发生的基因转换事 件，它们并非由单链缺口起始，而是先在件，它们并非由单链缺口起始，而是先在1个双链分子中产生断个双链分子中产生断 裂，即裂，即2个单链在同一位置产生缺口，然后将这个单链在同一位置产生缺口，然后将这2个缺口转移到个缺口转移到 同源的另一双链分子。同源的另一双链分子。 双链双链 断裂断裂 修复修复 模模 型型 真菌真菌 中的中的 一种一种 同源同源 重组重组 机制机制 双链断裂修复模型双链断裂修复模型(double-strand break a

24、nd repair model)是以是以Holliday模型为基础提出的模型为基础提出的 酵母类真菌的同源重组分子机制。在这一模型中：酵母类真菌的同源重组分子机制。在这一模型中：(1) 在两条在两条DNA双链中的一条双链双链中的一条双链(深色深色)在在 同源区发生双链断裂；同源区发生双链断裂；(2) 核酸外切酶核酸外切酶(5 3 )在断裂处降解在断裂处降解DNA-5 端，对应产生两个单链缺端，对应产生两个单链缺 口；口；(3) 未降解的单链未降解的单链DNA-3 端侵入另一条端侵入另一条DNA双链双链(浅色浅色)中形成中形成D-环；环； 5 3 双链断裂修复模型双链断裂修复模型(double-

25、strand break and repair model)是以是以Holliday模型为模型为 基础提出的酵母类真菌的同源重组分子机制。在这一模型中：基础提出的酵母类真菌的同源重组分子机制。在这一模型中： (4) 通过通过DNA修复修复 合成延长单链合成延长单链3 -端，扩大端，扩大D-环；环；(5) 连接两个断裂单链形成两个连接两个断裂单链形成两个Holliday交联桥交联桥 (Holliday junction)；(6) Holliday交联桥向左右迁移，扩大异源交联桥向左右迁移，扩大异源DNA双链区；双链区； 5 5 双链断裂修复模型双链断裂修复模型(double-strand bre

26、ak and repair model)是以是以Holliday模型模型 为基础提出的酵母类真菌的同源重组分子机制。在这一模型中：为基础提出的酵母类真菌的同源重组分子机制。在这一模型中： (6) Holliday 交联桥向左右迁移，扩大异源交联桥向左右迁移，扩大异源DNA双链区；双链区；(7) 两个两个Holliday交联桥均以水平方交联桥均以水平方 式断裂并连接产生的两条双链式断裂并连接产生的两条双链DNA旁侧基因旁侧基因(A/a和和C/c)不重组；不重组； 双链断裂修复模型双链断裂修复模型(double-strand break and repair model)是以是以Holliday模

27、型为模型为 基础提出的酵母类真菌的同源重组分子机制。在这一模型中：基础提出的酵母类真菌的同源重组分子机制。在这一模型中： (7 ) 两个两个Holliday交交 联桥均以垂直方式断裂并连接产生的两条双链联桥均以垂直方式断裂并连接产生的两条双链DNA旁侧基因旁侧基因(A/a和和C/c)也不重组；也不重组； 双链断裂修复模型双链断裂修复模型(double-strand break and repair model)是以是以 Holliday模型为基础提出的酵母类真菌的同源重组分子机制。在这模型为基础提出的酵母类真菌的同源重组分子机制。在这 一模型中：一模型中： (8)(或或(8 )两个两个Holl

28、iday交联桥分别以水平和垂直方式交联桥分别以水平和垂直方式 断裂并连接产生的两条双链断裂并连接产生的两条双链DNA旁侧基因旁侧基因(A/a和和C/c)均发生重组。均发生重组。 双链断裂修复模型双链断裂修复模型(double-strand break and repair model)是以是以 Holliday模型为基础提出的酵母类真菌的同源重组分子机制。在这模型为基础提出的酵母类真菌的同源重组分子机制。在这 一模型中：一模型中： (8)(或或(8 )两个两个Holliday交联桥分别以水平和垂直方式交联桥分别以水平和垂直方式 断裂并连接产生的两条双链断裂并连接产生的两条双链DNA旁侧基因旁侧

29、基因(A/a和和C/c)均发生重组。均发生重组。 3.3 联会复合体与重组联会复合体与重组 在减数分裂过程中，同源染色体配对形成联会复合在减数分裂过程中，同源染色体配对形成联会复合 体。多年来，认为联会复合体与重组有关，有可能是体。多年来，认为联会复合体与重组有关，有可能是 DNA 重组的必要前提。而近年研究表明，重组的必要前提。而近年研究表明，联会复合体是联会复合体是 重组的结果，而不是原因。重组的结果，而不是原因。 （1）联会复合体在双链断裂后形成）联会复合体在双链断裂后形成 对酵母的研究结果证明，不论是同源重组还是位点对酵母的研究结果证明，不论是同源重组还是位点 专一性重组，只有双链断裂

30、才能起始重组。专一性重组，只有双链断裂才能起始重组。 双链断裂也发生在减数分裂早期，而且是在联会复双链断裂也发生在减数分裂早期，而且是在联会复 合体形成之前合体形成之前 在一种酵母突变（在一种酵母突变（rad50）中，由于突变阻止平齐末）中，由于突变阻止平齐末 端转变为单链突出端，导致重组无法进行，可见双链断端转变为单链突出端，导致重组无法进行，可见双链断 裂对于重组是必需的前提。裂对于重组是必需的前提。 重组与联会复合体的形成关系密切，果蝇和酵母中重组与联会复合体的形成关系密切，果蝇和酵母中 研究结果表明，凡是不能进行染色体配对的突变体都不研究结果表明，凡是不能进行染色体配对的突变体都不 能

31、发生重组。由此可见产生双链断裂并进一步引发重组能发生重组。由此可见产生双链断裂并进一步引发重组 的系统是很保守的。的系统是很保守的。 根据根据rad50突变型不能将中央成分转变为联会复合体突变型不能将中央成分转变为联会复合体 的现象，认为在减数分裂中，联会复合体是染色体配对的现象，认为在减数分裂中，联会复合体是染色体配对 所必需的，进而使分子水平引起重组这一传统观点受到所必需的，进而使分子水平引起重组这一传统观点受到 了挑战。了挑战。 在酵母的研究中发现，联会复合体是在双链断裂起始重组在酵母的研究中发现，联会复合体是在双链断裂起始重组 之后形成，它一直持续到重组体形成，故联会复合体对于重组之后

32、形成，它一直持续到重组体形成，故联会复合体对于重组 的形成不是必需的。而在一些缺失正常联会复合体的突变体中的形成不是必需的。而在一些缺失正常联会复合体的突变体中 重组型仍可以形成，不能进行重组的突变型则不形成联会复合重组型仍可以形成，不能进行重组的突变型则不形成联会复合 体。这充分表明：联会复合体仅仅是随染色体配对之后的重组体。这充分表明：联会复合体仅仅是随染色体配对之后的重组 结果。结果。 人们一直认为：人们一直认为：Holliday结构的解离方式决定了最终是产结构的解离方式决定了最终是产 生非交换产物还是交换产物，即取决于解离发生在哪些链上。生非交换产物还是交换产物，即取决于解离发生在哪些

33、链上。 但是最近对于非交换和交换产物生成时间的分析表明，交换产但是最近对于非交换和交换产物生成时间的分析表明，交换产 物直到接合分子第一次产生后的相当一段时间才会出现，而非物直到接合分子第一次产生后的相当一段时间才会出现，而非 交换产物几乎与接合分子同时出现。如果两种产物由同一解离交换产物几乎与接合分子同时出现。如果两种产物由同一解离 过程产生，那么它们就应在同一时间出现。这一时间上的差异过程产生，那么它们就应在同一时间出现。这一时间上的差异 表明，交换产物不是按原先设想的通过接合分子解离产生的，表明，交换产物不是按原先设想的通过接合分子解离产生的， 而是由另一条途径产生。而是由另一条途径产生

34、。 （2）同源染色体配对与联会复合体的形成是两个独立的过程）同源染色体配对与联会复合体的形成是两个独立的过程 突变可以发生在染色体配对或是联会复合体形成的任一突变可以发生在染色体配对或是联会复合体形成的任一 过程，并且彼此互不干涉。过程，并且彼此互不干涉。Zip2突变型中染色体可以配对，突变型中染色体可以配对， 但不能形成联会复合体，所以同源染色体之间的识别不依赖但不能形成联会复合体，所以同源染色体之间的识别不依赖 于重组或是联会复合体的形成。在于重组或是联会复合体的形成。在rad50突变体中，双链断突变体中，双链断 裂后的裂后的5端与端与Spo蛋白相连。只有蛋白相连。只有Spo被移走后，核酸

35、酶被移走后，核酸酶 才能发挥作用，并证明至少有才能发挥作用，并证明至少有9种其他蛋白质共同参与双链种其他蛋白质共同参与双链 断裂过程，一组蛋白质将双链断裂端转变为断裂过程，一组蛋白质将双链断裂端转变为3羟基突出的单羟基突出的单 链末端；另一组蛋白质使单链末端侵入同源双链链末端；另一组蛋白质使单链末端侵入同源双链DNA分子分子 图图615（b） 。 迄今还不能完全揭示重组的发生与所观察到的不同结迄今还不能完全揭示重组的发生与所观察到的不同结 构构重组结与交叉的联系，且在分子水平上阐明其本质。重组结与交叉的联系，且在分子水平上阐明其本质。 第四节第四节 基因转变及其分子机制基因转变及其分子机制 4

36、.1 异常分离与基因转变异常分离与基因转变 同源重组也同源重组也并非始终产生交互的重组型并非始终产生交互的重组型，减数分裂的产物，减数分裂的产物 虽然大多数是交互的正常分离，但也有少数的异常分离虽然大多数是交互的正常分离，但也有少数的异常分离 (Abnormal Segregation)。 在四分子分析中在四分子分析中已知一对等位基因杂交子代的子囊可形成已知一对等位基因杂交子代的子囊可形成6 种正常分离类型：种正常分离类型：AAAAaaaa或或aaaaAAAA AAaaAAaa或或aaAAaaAA AAaaaaaAA或或aaAAAAaa 这只是四分子中是否发生重组和纺锤体随机取向而形成，这只是

37、四分子中是否发生重组和纺锤体随机取向而形成， 两种孢子的比例相等，即等位基因两种孢子的比例相等，即等位基因A:a4:4。后来发现有些孢。后来发现有些孢 子分离比例异常，如子分离比例异常，如3: 5和和6: 2以及异常的以及异常的4: 4分离分离 在脉孢菌和粪生粪壳菌（在脉孢菌和粪生粪壳菌（Sodaria fimicala）等子囊菌中）等子囊菌中 也发现了一些异常分离（也发现了一些异常分离（abnormal segregation）现象。）现象。 Mitchell 将与维生素将与维生素B6 合成有关的不同的突变型进行杂合成有关的不同的突变型进行杂 交，将两个吡哆醇突变株杂交交，将两个吡哆醇突变株

38、杂交: pdxp pdx 取得子一代子囊后，对取得子一代子囊后，对585个子囊中的孢子依次解剖，进个子囊中的孢子依次解剖，进 行培养和鉴定。他发现其中行培养和鉴定。他发现其中4个子囊中有野生型的孢子对出个子囊中有野生型的孢子对出 现，可是跟预期的相反，如果这两个基因间发生了重组，重现，可是跟预期的相反，如果这两个基因间发生了重组，重 组后应该同时出现的双突变型（组后应该同时出现的双突变型（pdxp dxp）孢子对却没有）孢子对却没有 发现（表发现（表6-7） 怎样解释这一现象？不可能是突变，因为它们的频率怎样解释这一现象？不可能是突变，因为它们的频率 远比这些基因的正常突变率高得多。分析的方法

39、是灵敏的，远比这些基因的正常突变率高得多。分析的方法是灵敏的， 如果有双突变的话，就能够检出。如果有双突变的话，就能够检出。Mitchell的上述实验结的上述实验结 果用图果用图6 -16来表示。来表示。 由于重组，出现了完全野生型的由于重组，出现了完全野生型的 孢子对（，），但没有重组的孢子对（，），但没有重组的 对应产物对应产物双突变型的孢子对双突变型的孢子对 （pdx pdxp），结果应如图），结果应如图6 -16所示。所示。 然而发生的情况说明尽管然而发生的情况说明尽管pdxp出现出现 异常的异常的3:1分离，但紧密连锁的分离，但紧密连锁的pdx基基 因却显示出正常因却显示出正常2:2

40、分离。分离。 这些反常的情况，好像是一个基这些反常的情况，好像是一个基 因转变为它的等位基因，这种现象因转变为它的等位基因，这种现象 称为基因转变（称为基因转变（gene conversion）。 图图6-16中，基因中，基因pdxp转变为转变为pdxp （或），图中以（或），图中以 表示该基因发生表示该基因发生 了基因转变。所以双突变型的孢子了基因转变。所以双突变型的孢子 对没有出现。对没有出现。 4.2 基因转变的类型基因转变的类型 基因转变的类型分为：基因转变的类型分为： 染色单体转变染色单体转变 (chromatid conversion)，即减数分裂的，即减数分裂的4个产物中个产物中

41、 有一个产物发生了基因转变，出现有一个产物发生了基因转变，出现6g : 2g或或2g: 6g类型的子囊。类型的子囊。 有有1个产物的一半或两个产物的各一半出现基因转变，因而形成个产物的一半或两个产物的各一半出现基因转变，因而形成5: 3或或3: 5和异常和异常4:4即即3:1: 3:1类型的子囊，基因转变只影响半个染类型的子囊，基因转变只影响半个染 色单体分离显然是发生在减数分裂后的有丝分裂中，所以又称为色单体分离显然是发生在减数分裂后的有丝分裂中，所以又称为 减数后分离（减数后分离（post-meiotic segregation）。）。 半染色单体转变半染色单体转变(half-chroma

42、tid conversion)，即减数分裂的，即减数分裂的4个产物中，个产物中， 4.3 基因转变的分子机制基因转变的分子机制 由由Holliday模型和模型和DSB起始重组模型都已清楚表明在对称起始重组模型都已清楚表明在对称 的异源双链区存在着不配对碱基（如的异源双链区存在着不配对碱基（如A-T ，A-C），形成两），形成两 个杂种分子。异源个杂种分子。异源DNA不稳定，细胞内的修复系统能够识别不稳定，细胞内的修复系统能够识别 不配对碱基，并以切除修复的方式完成修复过程，杂种分子不配对碱基，并以切除修复的方式完成修复过程，杂种分子 得到校正。得到校正。 研究表明基因转变产生的机制是由于研究表

43、明基因转变产生的机制是由于DNA的错配修复的错配修复 （Mis-match repair）。）。 两个杂种分子两个杂种分子 均未校正，复均未校正，复 制后出现异常制后出现异常 的的4:4g（或（或 3:1: 1:3）的分）的分 离离 一个杂种分子一个杂种分子 校正为，或校正为，或 校正为校正为g时的时的 半染色单体转半染色单体转 变变，分离比为，分离比为 3: 5 染色单体转变：两个杂种染色单体转变：两个杂种 分子都被校正到（或分子都被校正到（或g） 时，修复后出现时，修复后出现6:2g （或（或2: 6g）的异常分离）的异常分离 按原来两个亲本的遗传结构按原来两个亲本的遗传结构 进行修复进行

44、修复, 4个产物恢复正常个产物恢复正常 配对状态配对状态, 子囊孢子分离正常子囊孢子分离正常 根据切除修复原理，基因转变的几种类型产生的分子机制归纳如下根据切除修复原理，基因转变的几种类型产生的分子机制归纳如下 切除修复系统识别异源双链切除修复系统识别异源双链DNA中错配的碱基对时，切除中错配的碱基对时，切除 其中的一条链，使其恢复互补性。于是，使得代表一个等位基其中的一条链，使其恢复互补性。于是，使得代表一个等位基 因的因的DNA链变成了代表另一个等位基因的序列。如果这种校链变成了代表另一个等位基因的序列。如果这种校 正变化只发生在一个异源双链正变化只发生在一个异源双链DNA分子上，就会产生

45、分子上，就会产生5：3 （或（或3：5）的异常分离。如果两个异源双链以同样方式校正，）的异常分离。如果两个异源双链以同样方式校正， 就产生了就产生了2：6（或（或6： 2）异常分离。）异常分离。所以基因转变实质上是所以基因转变实质上是 异源双链异源双链DNA错配的核苷酸对在修复校正过程中所发生的一错配的核苷酸对在修复校正过程中所发生的一 个基因转变为它的等位基因的现象。个基因转变为它的等位基因的现象。 名词解释：名词解释： 基因转变基因转变（gene conversion）：由于异源双链）：由于异源双链DNA区段不对称区段不对称 碱基对的不同修复过程导致一个基因转变为它的等位基因。称碱基对的不

46、同修复过程导致一个基因转变为它的等位基因。称 为基因转变。为基因转变。 无错配修复基因转换模型无错配修复基因转换模型(a model for gene conversion without mismatch repair)。该模型以双链断裂修复模型为基。该模型以双链断裂修复模型为基 础，从双链断裂修复模型础，从双链断裂修复模型(3)开始：开始：(1) D-环向右侧缩小以使修环向右侧缩小以使修 复合成延伸、覆盖整个复合成延伸、覆盖整个A/a基因座；基因座；(2) 两条单链均以两条单链均以a的的DNA 序列为模版进行修复合成，合成范围覆盖全部序列为模版进行修复合成，合成范围覆盖全部A/a基因座；基

47、因座； 无错配修复基因转换模型无错配修复基因转换模型(a model for gene conversion without mismatch repair)。该模型以双链断裂修复模型为基础，从双链断裂。该模型以双链断裂修复模型为基础，从双链断裂 修复模型修复模型(3)开始：开始： (3) 连接单链形成两个连接单链形成两个Holliday交联桥；交联桥；(4) 两个两个 交联桥向两侧迁移；交联桥向两侧迁移；(5) 两个交联桥均以水平方式断裂；两个交联桥均以水平方式断裂； 无错配修复基因转换模型无错配修复基因转换模型(a model for gene conversion without mis

48、match repair)。该模型以双链断裂修复模型为基础，从双链断裂修。该模型以双链断裂修复模型为基础，从双链断裂修 复模型复模型(3)开始：开始：(1) D-环向右侧缩小以使修复合成延伸、覆盖整个环向右侧缩小以使修复合成延伸、覆盖整个A/a基基 因座；因座；(2) 两条单链均以两条单链均以a的的DNA序列为模版进行修复合成，合成范围覆序列为模版进行修复合成，合成范围覆 盖全部盖全部A/a基因座；基因座；(3) 连接单链形成两个连接单链形成两个Holliday交联桥；交联桥；(4) 两个交联两个交联 桥向两侧迁移；桥向两侧迁移；(5) 两个交联桥均以水平方式断裂；两个交联桥均以水平方式断裂；

49、(6) 产生的两条双链产生的两条双链 DNA在在A/a基因座区域基因座区域A基因转换成基因转换成a。此外，两交联桥以其他方式断裂，。此外，两交联桥以其他方式断裂， 如垂直如垂直-垂直方式垂直方式(旁侧基因无重组旁侧基因无重组)及水平及水平-垂直或垂直垂直或垂直-水平方式水平方式(旁侧基因旁侧基因 重组重组)，其结果都伴随，其结果都伴随A/a基因座区域基因座区域A基因向基因向a转换。转换。 由于某些不配对碱基切除修复校正的结果与该区发生双交由于某些不配对碱基切除修复校正的结果与该区发生双交 换的效应一致，其实是基因转变的结果，因此出现换的效应一致，其实是基因转变的结果，因此出现C 值（并发值（并

50、发 系数）大于系数）大于1，这称为，这称为负干涉负干涉（negative interference），），即一即一 个区域的交换引起邻近区域另一次交换频率的增加的现象个区域的交换引起邻近区域另一次交换频率的增加的现象。 大量实验结果表明，大约有一半的子囊发生基因转变的同大量实验结果表明，大约有一半的子囊发生基因转变的同 时伴随两侧遗传标记的重组，而时伴随两侧遗传标记的重组，而“负干涉负干涉”形成的原因显然是形成的原因显然是 基因转变的同时并不伴随两侧遗传标记的重组。基因转变的同时并不伴随两侧遗传标记的重组。 4.4 基因转换与高度负干涉基因转换与高度负干涉 基因转变的极化子模型（基因转变的极化

51、子模型（polaron model ）：该模型假定）：该模型假定 内切酶首先作用于基因的一端，从起点开始，基因转变频率由内切酶首先作用于基因的一端，从起点开始，基因转变频率由 高到低形成一个梯度，在染色体上呈现基因转变极化现象的这高到低形成一个梯度，在染色体上呈现基因转变极化现象的这 样一个区域称为一个极化子（样一个区域称为一个极化子（polaron），有时一个极化子就），有时一个极化子就 相当于一个基因。相当于一个基因。 基因转变不仅是专一的，而且是有方向的，它不仅涉及单基因转变不仅是专一的，而且是有方向的，它不仅涉及单 个位点（或基因座），而且涉及染色体的一个区段，如一对含个位点（或基因座

52、），而且涉及染色体的一个区段，如一对含 有两个基因差异的突变型杂交时，在某些子囊中可以发生几个有两个基因差异的突变型杂交时，在某些子囊中可以发生几个 基因同时发生转变的现象，称为基因同时发生转变的现象，称为共转变共转变（coconversion）。共）。共 转变的频率大于独立转变的预期频率，两个基因距离越近，共转变的频率大于独立转变的预期频率，两个基因距离越近，共 转变频率越大，即在异源双链的同一区域内沿相同方向同时被转变频率越大，即在异源双链的同一区域内沿相同方向同时被 修复校正的概率越大。修复校正的概率越大。 实例：单转换与共转换中的子囊菌类型实例：单转换与共转换中的子囊菌类型 m1 +

53、+ m2 m1 + m1 + + m2 + m2 m1 + + + + m2 + m2 m1 + m1 + m1 + + m2 m1 + + m2 + m2 + m2 未转变未转变 m1 + m2 + + m1m1 + + m2 单转换单转换 共转换共转换共转换共转换 2.子囊菌纲的一种真菌子囊菌纲的一种真菌Ascobulus某座位上的一些突变产生浅某座位上的一些突变产生浅 色子囊孢子，称为色子囊孢子，称为a突变体。不同突变体。不同a突变体进行了以下的杂交，突变体进行了以下的杂交， 观察具有黑色野生型子囊孢子的子囊，杂交中出现的黑色孢子观察具有黑色野生型子囊孢子的子囊，杂交中出现的黑色孢子 的

54、基因型如下：的基因型如下： a1 a2 a1 a3 a2 a3 a1 a1 a2 a1 a2 a2 a2 a3 a3 试说明这些结果。试说明这些结果。a1 ，a2和和a3 这这3个突变位点的可能次序个突变位点的可能次序 如何？如何？ a1 a2 a1 a3 a2 a3 a1 a1 a2 a1 a2 a2 a2 a3 a3 题中题中a1 、a3均发生基因均发生基因 转换，转换， a1 发生发生1次，次， a3发发 生生2次，次， a2发生发生0次。次。 根据极化子模型靠近切割根据极化子模型靠近切割 点的碱基出现不对称碱基点的碱基出现不对称碱基 时，出现修复的概率越高时，出现修复的概率越高 （或发

55、生基因转换的概率（或发生基因转换的概率 越高）。越高）。 因此三个突变位点的顺序因此三个突变位点的顺序 从切割点开始，应为：从切割点开始，应为： a3-a1-a2 a1 a2 a1 a3 a2 a3 a1 a1 a2 a1 a1 a2 a2 a3 a3 a2 a3 a3 第五节第五节 体细胞交换与基因定位体细胞交换与基因定位 5.1 单倍体化与体细胞交换单倍体化与体细胞交换 在真核生物的体细胞中也会发生基因重组。在真核生物的体细胞中也会发生基因重组。一种绿色霉一种绿色霉 菌菌构巢曲霉（构巢曲霉（Aspergillus nidulan），其分生孢子是单核的。），其分生孢子是单核的。 将两个不同营

56、养缺陷型菌株所产生的分生孢子大量混合接将两个不同营养缺陷型菌株所产生的分生孢子大量混合接 种在基本培养基的表面，可以得到少量的原养型菌落。由于这种在基本培养基的表面，可以得到少量的原养型菌落。由于这 些原养型菌落细胞含有来自两亲本的细胞核，因此称为异核体些原养型菌落细胞含有来自两亲本的细胞核，因此称为异核体 （heterokaryon）。）。 异核体：在同一个细胞质中含有两种或多种不同基因型的异核体：在同一个细胞质中含有两种或多种不同基因型的 细胞核的细胞、孢子或菌丝体。细胞核的细胞、孢子或菌丝体。 大量异核体中的核仍保持单倍体状态，但有少数单倍体细大量异核体中的核仍保持单倍体状态，但有少数单

57、倍体细 胞核融合成为二倍体细胞核或合核体（胞核融合成为二倍体细胞核或合核体（synkaryon）。）。 利用分生孢子颜色突变的遗传标记来鉴别一种菌落是二倍利用分生孢子颜色突变的遗传标记来鉴别一种菌落是二倍 体还是异核体。如构巢曲霉体还是异核体。如构巢曲霉 野生型（野生型（w y）分生孢子是绿色的，突变型有黄色分生 ）分生孢子是绿色的，突变型有黄色分生 孢子（孢子（w y）和白色分生孢子（ ）和白色分生孢子（w y） ） 由产生黄色孢子的某一营养缺陷型（由产生黄色孢子的某一营养缺陷型（A Bwy）和产生 ）和产生 白色孢子的另一缺陷型（白色孢子的另一缺陷型（A Bwy）组成的异核体的基因 ）组成

58、的异核体的基因 型为：型为： A B wy A B wy 异核体所产生的分生孢子就是两个亲本所产生的孢子，因异核体所产生的分生孢子就是两个亲本所产生的孢子，因 为这些单倍体在异核体中是各自分开的。由异核体产生的分为这些单倍体在异核体中是各自分开的。由异核体产生的分 生孢子则有黄、白两种。两个单倍体核偶尔也可以融合到一生孢子则有黄、白两种。两个单倍体核偶尔也可以融合到一 起形成上述二倍体菌本，由这种二倍体菌本所产生的分生孢起形成上述二倍体菌本，由这种二倍体菌本所产生的分生孢 子则都是绿色的。子则都是绿色的。 二倍体比异核体较为稳定，但是从大量二倍体分二倍体比异核体较为稳定，但是从大量二倍体分 生

59、孢子中也可以得到少数体细胞分离子生孢子中也可以得到少数体细胞分离子(segregant)， 所谓所谓分离子是重组体和非整倍体或单倍体的总称分离子是重组体和非整倍体或单倍体的总称。 在这里产生非整倍体或单倍体的过程称为在这里产生非整倍体或单倍体的过程称为单倍体化单倍体化 （haploidization)，产生重组体的过程称为，产生重组体的过程称为体细胞交体细胞交 换（换（somatic crossing over）。）。 单倍体化单倍体化 体细胞交换体细胞交换 分离子产生途径分离子产生途径 正常的体细胞有丝分裂两条染色体各自趋向一极，使两个正常的体细胞有丝分裂两条染色体各自趋向一极，使两个 子细

60、胞中各有一条。导致了在表型上的分离现象，最初是子细胞中各有一条。导致了在表型上的分离现象，最初是 Bridges观察果蝇杂合基因型观察果蝇杂合基因型M M（ （M 是决定细长刚毛性状的是决定细长刚毛性状的 显性基因）的雌蝇时，发现有些具有显性基因）的雌蝇时，发现有些具有M基因的雌蝇长出了一块基因的雌蝇长出了一块 扇形的野生型刚毛。表明杂合体的等位基因在表型上发生了分扇形的野生型刚毛。表明杂合体的等位基因在表型上发生了分 离。离。Bridges证明这是有丝分裂不分离（证明这是有丝分裂不分离（mitotic nondisjunction） 造成的。造成的。 单倍体化是在有丝分裂过程中染色体不分离的