第7章 基因突变和遗传重组的分子机制

1、第第7章章 基因突变和重组基因突变和重组（Gene Mutation and Recombination） 来自百度图库来自百度图库亲代子代的相似性：遗传？亲代子代的相似性：遗传？亲代子代的差异性：变异？亲代子代的差异性：变异？自然界生物性状突变的现象自然界生物性状突变的现象 人类的白化症人类的白化症生理疾病并非上帝的惩罚！生理疾病并非上帝的惩罚！我们需要增强自我认识！我们需要增强自我认识！变异的种类变异的种类变变异异可遗传可遗传不可遗传不可遗传突变突变重组重组变异的种类变异的种类基因突变染色体畸变染色体组突变 突变突变的分类：突变的分类：1.1. 按诱发突变的因素分突变分为自发突变和人工突变

2、按诱发突变的因素分突变分为自发突变和人工突变两大类。两大类。自发突变自发突变（spontaneous mutationspontaneous mutation）是微生物未经）是微生物未经人为诱变剂处理或杂交等生物工程手段而自然发生人为诱变剂处理或杂交等生物工程手段而自然发生的突变。的突变。诱发突变诱发突变（induce mutation）是人为用化学、物理）是人为用化学、物理诱变剂处理微生物而引起的突变。诱变剂处理微生物而引起的突变。 遗传的物质基础是遗传的物质基础是DNA，它是基因的载，它是基因的载体。体。DNA不管是在细胞核或是在细胞质不管是在细胞核或是在细胞质中，只要其分子结构发生变化，

3、一般都会中，只要其分子结构发生变化，一般都会使遗传性状改变。使遗传性状改变。基因突变基因突变是指是指DNA特定部位上核苷酸序列特定部位上核苷酸序列的变化，致使蛋白质的结构改变，最后导的变化，致使蛋白质的结构改变，最后导致个体表型的不同。致个体表型的不同。7.1 基因突变的类型基因突变的类型 7.2 突变发生的机理突变发生的机理7.3 保证遗传稳定的机制保证遗传稳定的机制7.4 基因重组交换的分子机制基因重组交换的分子机制本章内容本章内容 dNt deletion or insertion = 3x dNt n x Amino acid = 3x dNt Frameshift 7.1.1 点突变

4、点突变 (Point mutation )transition(转换转换) Py Py Pu Pu transvertion(颠换颠换) Py Pu 7.1 基因突变的类型基因突变的类型 转换突变转换突变（transition mutation）：嘧啶被嘧啶替换或嘌呤被嘌呤替换（AG;CT）；颠换突变颠换突变（transversion mutation）：嘧啶被嘌呤替换或嘌呤被嘧啶替换（A C; G T）。 双链双链DNA的置换的置换 单链单链DNA的置换的置换 （实线为转换，虚线为颠换）（实线为转换，虚线为颠换） conversion effect -Samesense mut. GAA(E

5、) GAG(E) -Missense mut. GAA(E) AAA(K) -Nonsense mut. GAA(E) TAA(stop) 突变的表达类型突变的表达类型 -获得突变型是遗传学研究的重要前提获得突变型是遗传学研究的重要前提 -非条件型突变；非条件型突变； allele in DNA level (RFLP, RAPD) allele in phenotype (红花红花/白花，糯白花，糯/非糯非糯) 条件型突变；条件型突变； 突变的表现突变的表现 = 突变基因型突变基因型 + 诱导条件诱导条件 （光，温敏感不育，（光，温敏感不育，Ts, su-） 同义突变（同义突变（synony

6、my mutationsynonymy mutation）和沉默突变）和沉默突变（silent mutationsilent mutation）是指是指DNADNA分子上的遗传密分子上的遗传密码由于置换而成为新的密码子，但是这种新密码由于置换而成为新的密码子，但是这种新密码子构成的氨基酸与原有密码子所构成的氨基码子构成的氨基酸与原有密码子所构成的氨基酸相同。酸相同。错义突变（错义突变（missense mutationmissense mutation）是新密码子是新密码子编写的氨基酸与原来的密码子不相同使多肽链编写的氨基酸与原来的密码子不相同使多肽链的氨基酸顺序发生变化。的氨基酸顺序发生变化

7、。无义突变无义突变(nonsense mutation) (nonsense mutation) DNADNA分子上遗分子上遗传密码子的碱基发生置换，结果由于决定氨基传密码子的碱基发生置换，结果由于决定氨基酸的密码子被终止密码子（酸的密码子被终止密码子（UAGUAG）代替，使转）代替，使转译工作中途停止，难以完成一条完整的多肽链译工作中途停止，难以完成一条完整的多肽链的合成，这种肽链是没有活性的，这种突变属的合成，这种肽链是没有活性的，这种突变属 原序列原序列 5-AUG CCU UCA AGA UGU GGG Met Pro Ser Arg Cys Gly碱碱 (1)同义突变同义突变 5-

8、AUG CCU UCA AGA UGU GGA基基 Met Pro Ser Arg Cys Gly置置 (2)错义突变错义突变 5- AUG CCU UCA GGA UGU GGA换换 Met Pro Ser Gly Cys Gly (3)无义突变无义突变 5- AUG CCU UCA AGA UGA GGA Met Pro Ser Arg 7.1.2 移码突变移码突变DNA分子中的每一个碱基都是三联密码中分子中的每一个碱基都是三联密码中的一个成员，而且遗传信息为的一个成员，而且遗传信息为DNA链上排链上排列成特定序列的密码子所控制，在这种碱列成特定序列的密码子所控制，在这种碱基序列中有一个或

9、几个碱基增加或减少而基序列中有一个或几个碱基增加或减少而产生的变异，称产生的变异，称移码突变移码突变（frame-shift mutation）。）。移码突变分插入和缺失移码突变分插入和缺失。 移码突变的分类移码突变的分类 插入插入是指微生物细胞复制时一个新碱基插入是指微生物细胞复制时一个新碱基插入DNADNA分子的序列中，由于这个新碱基加入到某分子的序列中，由于这个新碱基加入到某个密码子中，造成在它之后的个密码子中，造成在它之后的DNADNA链上碱基全链上碱基全部往后移动，使密码子中的碱基组成发生变部往后移动，使密码子中的碱基组成发生变化，使这些密码子由化，使这些密码子由RNARNA的转录的

10、肽链也不相的转录的肽链也不相同，导致突变。同，导致突变。 缺失缺失是在碱基序列中丢失一个或几个碱基。是在碱基序列中丢失一个或几个碱基。 移码突变其结构造成从改变的碱基开始所移码突变其结构造成从改变的碱基开始所有其后的密码子碱基都往后移动，使密码有其后的密码子碱基都往后移动，使密码子从新编组，使多肽链上的氨基酸序列发子从新编组，使多肽链上的氨基酸序列发生很大的改变，将出现明显的遗传性状变生很大的改变，将出现明显的遗传性状变异。异。引起移码突变的诱变剂：引起移码突变的诱变剂：主要是主要是吖啶类染料，如吖啶黄、吖啶橙等等。吖啶类染料，如吖啶黄、吖啶橙等等。这类化合物都是平面型的三环分子，它们的结这类

11、化合物都是平面型的三环分子，它们的结构与一个嘌呤构与一个嘌呤嘧啶对十分相似。嘧啶对十分相似。能诱发移码突变的几种代表性化合物能诱发移码突变的几种代表性化合物7.2.1 自发突变自发突变 7.2.1.1 碱基异构式引起碱基异构式引起DNA复制过程的错误复制过程的错误 a) 碱基异构式碱基异构式 A(amino) A(imino) C(a) C(i) G(keto) G(enol) G(k) G(e,i) T(keto) T(enol-2) or T(enol-4) 7.2. 突变发生的机理突变发生的机理A(a) T(k) A(a, anti) T(k, anti) C(i) C(a, anti)

12、 A(a) A(a, anti) 碱基异构式引起碱基异构式引起DNA的错配突变的错配突变 C(i) C(a)G(k, syn) G(k, syn) G(k, anti)G(k)7.2.2 诱发突变诱发突变 7.2.2.1 物理诱变物理诱变 a) 电离辐射诱变；电离辐射诱变； Co60 ()( ) ray Cs137() () ray H3 () ray P32, S35() ray 卫星搭载诱变；卫星搭载诱变； 高真空，强辐射，微重力高真空，强辐射，微重力 ()( ) ray穿透性穿透性 （外照射处理）（外照射处理） () () ray非穿透性非穿透性 （内标记处理）（内标记处理） dNt电荷

13、及结构改变电荷及结构改变 卫星搭载育种卫星搭载育种 太空西瓜太空西瓜微重力微重力高真空高真空强射线强射线b) b) 非电离辐射非电离辐射Ultra Violet light (U.V)Ultra Violet light (U.V)-胸腺嘧啶二聚体胸腺嘧啶二聚体(TT dimer )is generated by covalent links between adjacent TT U.V.C T T Adeaminationoxidation U.V.CU A(a)U.V.U.V.H2O H+ + OH-C(a) C(i) A(a)depurination 7.2.2.2 化学诱变化学诱变a

14、) 干扰碱基合成的化学诱变剂干扰碱基合成的化学诱变剂6-巯基嘌呤巯基嘌呤干扰嘌呤合成干扰嘌呤合成SH5-氨基尿嘧啶氨基尿嘧啶干扰嘧啶合成干扰嘧啶合成 OOH2Nb) b) 碱基类似物碱基类似物(5-BrU)BrBr5-BrU(k) 5-BrU(e)ReplicationBrU(k)BrU(e)ATGCreplication errorA/T G/Cincorporation errorG/C A/TA(a)T(k)5-BrU(k)G(k)5-BrU(e)C(a)mispairingmispairingT(k)A(a)5-BrU(k)G(k)C(e)5-BrU(e)A(a)G(k)G(k)A(a

15、)Replication errorReplication errorIncorporation errorIncorporation error5-BrU(k)5-BrU(e)5-BrU(k) 5-BrU(e)ReplicationBrU(k)BrU(e)GCreplication errorA/T G/Cincorporation errorG/C A/TIn DNABrU(k) BrU(e) (normal) (isoform)BrU(k) BrU(e)难难易易A G G AT C C T HNO2 (Nitrous acid NA) A C GInosine CUracil AXant

16、hine Cdeamination HNO2 c) 碱基修饰诱变剂碱基修饰诱变剂 Base modifying chemical mutagenNH2OH (Hydroxylamine HA 羟胺羟胺)C(i) A(a)HNHHOC(a)HAHNHHHOHNHHOHNHHOHNHHON H羟胺胞嘧啶羟胺胞嘧啶d) 烷化剂烷化剂EMS (Ethyl methane sulfonate)CH3SO-CH2CH3OOMMS CH3SO-CH3OOSM (Sulfur Mustards gas 硫芥子气硫芥子气)HS CH2CH2ClCH2CH2Cl诱变效应；诱变效应； 使碱基多处发生烷化，导致使碱基

17、多处发生烷化，导致DNA结构变异结构变异敏感敏感位点位点H2NOOOCTN3, C4-N N3, C4-OAGN1, N3, C6-N, N7, C8 N1, C2-N, N3, C6-O, N7, C8H2NONHH Apurination (de-pu)CH3CH2GMPCH3CH2 - OC6-O-烷基嘌呤烷基嘌呤 = TC4-O-烷基胸腺嘧啶烷基胸腺嘧啶 = GG GCH2CH2S-CH2CH2H 烷化碱基烷化碱基电离电离异构式异构式 错配错配 多功能烷化剂多功能烷化剂DNA分子交联分子交联畸变畸变G XCOe) 插入诱变剂插入诱变剂AO (Acridine Orange) AO (A

18、cridine Orange) 扁平分子扁平分子EB (Ethidium Bromide)EB (Ethidium Bromide)-ATTTTTCG -TAAAAAGC-A TTTCG -T AAAGC-TAO T-AT EB TTTTCG-TA分子插入分子插入AOE B-ATTTCG -TAAAGC-ATXTTTTCG-TAX AAAAGC-XAAAAGC-7.2.2.3 基因的突变热点基因的突变热点基因自发突变的频率是一定的基因自发突变的频率是一定的不同基因不同基因DNA序列序列不同序列序列不同形成特定排列的形成特定排列的突变热点频率不同突变热点频率不同玉米玉米 R 粒色粒色I 色素抑制

19、基因色素抑制基因Pr 紫色紫色 Su 非甜非甜 Y 黄色子粒黄色子粒 Sh 饱满子粒饱满子粒492/106106/10611/1062.4/1062.2/1061.2/106Mutation Hotpoint Mutation Hotpoint ？a) repetitive seq. / palindromic seq.e.g. Lac. Operon-CTGGCTGGCTGG- b) m5Cc) 不同诱变剂作用位点不同，转座子插入位点不同不同诱变剂作用位点不同，转座子插入位点不同UC m5CT脱氨氧化脱氨氧化复制时，模板与新生链间滑动错配复制时，模板与新生链间滑动错配缺失，插入突变缺失，插入

20、突变v 事实上大多数基因的作用就是决定特定的生化过程，而生化过程才能决定形态结构v 在这个意义上说，几乎所有的基因突变都是生化突变。复制过程中的错配修复复制过程中的错配修复DNA的损伤修复的损伤修复基因的回复突变基因的回复突变密码的简并密码的简并致死突变致死突变多倍体多倍体7.3 保证遗传稳定的机制保证遗传稳定的机制DNA mismatch+ - A- -C-DNApol (= 10-8)经第二次校正= 10-11错配修复系统(MRSMismatch RepairSystem)错配修复碱基来源：错配修复碱基来源：校正活性所漏校的碱基 使复制的保真性提高102103倍7.3.1 复制过程中的错配

21、修复机制复制过程中的错配修复机制 (= 10-11)7.3.1.1 错配修复系统（Mismatch repair system）DNA polymeraseHelicase SSB 外切核酸酶外切核酸酶 (和和) 连接酶连接酶MCE (mismatch correct enzyme) 3 subunits mutH, L, S dam geneDNA腺嘌呤甲基化酶腺嘌呤甲基化酶(m6A甲基化酶甲基化酶)扫描新生链中错配碱基识别新生链中非 m6A 的GATC序列酶切含错配碱基的新生DNA区段 （1）组成 DNADNA合成过程中的甲基化变化合成过程中的甲基化变化DNA中的GATC(palindro

22、mic seq.)为m6A甲基化敏感位点平均每2kb左右有一GATC seq.错配修复系统受甲基化的引导错配修复系统受甲基化的引导 甲基化程度的差异a、MutH/MutS 扫描识别错配 碱基和邻近的GATC序列 切点甲基化GATC中 G的5侧 DNA helicase II, SSB, exonuclease I去除包括错 配碱基的片段 DNA polymerase III 和 DNA ligase 填充缺口昂贵的代价用于保证DNA的准确性（2） 修复过程 7.3.1.2 尿嘧啶尿嘧啶-N-糖苷酶系统糖苷酶系统 ( ung system )修复尿嘧啶的来源：修复尿嘧啶的来源：dUTP的渗入的渗

23、入 胞嘧啶的自发脱氨氧化胞嘧啶的自发脱氨氧化A-TAGC-ATCG-TAGC-A CG-U-TAGC-ung-ase GCUU-TAGC-A CG-AP内切酶(Apurinase)-TAGC-ATCG-DNApolLigase PR 471aa7.3.2.1 光复活（photo reactivation ）-TT-AA-TT-AA-TT-AA-TT-AA- 复制前、不容易出错 400 nm 蓝光、PR 酶 (photo-reactivation enzyme) 光敏裂合酶（photolyase）可见光激活7.3.2 DNA的损伤修复的损伤修复 复制前进行复制前进行 不易出错不易出错 UvrA,

24、 B, C gene 内切核酸酶内切核酸酶 （Endonucleases） 外切核酸酶外切核酸酶 （Exonuclease） DNA pol Ligase 碱基切除修复核苷酸切除修复碱基切除修复核苷酸切除修复7.3.2.2 切除修复切除修复ABA BCA B CA BCAB螺旋酶Pol 螺旋酶连接酶切补切封7.3.2.3 重组修复重组修复（RecombinativeRepair）后复制修复、后复制修复、E.coli的挽回系统的挽回系统U.V 计量w.t.UvrA+ RecA+ uvr a-rec a-该系统存在的实验证据 Rec-A. gene 以某种方式参与DNA损伤修复 Rec修复系统比切

25、除修复系统更有效 目前知道目前知道 Uvr系统负责切除二聚体 Rec系统负责消除没有被切除的二聚体 可能造成的后果TT TTAA AATT TTTT TTAA AATT TT变性 E.coli (Rec-A, uvr-a-)D.S. DNAS.S. DNAU.V. 复制提取 变性复制过程越过二聚体而在相应新链上留下缺口二聚体后起始二聚体后起始 修复时期的证明 与Rec-A蛋白引起的重组(strand transfer)有关 TT dimer未被修复，仅表现在后代群体中TT dimer浓度的稀释 链的非准确转移，导致突变机率的增加 修复相关机制修复相关机制:E.coli k12w.t. 500

26、3200uvr-a/Rec-A 8 50Uvr-A/rec-a 3 20uvr-a/rec-a 0.2 1.3存活率为对照存活率为对照37%的的U.V.计量计量Genotype (尔格尔格/mm2) TT数量数量/107 bp 存在与重组有关的暗修复机制存在与重组有关的暗修复机制 与与Rec-A基因引起的基因引起的strand transfer有关有关 TT dimer未被修复，仅表现在后代群体中未被修复，仅表现在后代群体中TT dimer 浓度的稀释浓度的稀释 链的非准确转移，导致突变机率的增加链的非准确转移，导致突变机率的增加 重组修复 (链转移修复) 复制后修复 容易出错 RecA, D

27、NApolymerae ligase二聚体后起始 RecA 聚合酶、连接酶重组修复后的损伤位点可由其它机制进一步修复7.3.2.4 SOS修复（修复（SOS repair）E.coliE.coliE.coli 80% 10 % 100 % mut. 100% 50% 10% 损坏的噬菌体 DNA 在E.coli A被修复 E. coli 的SOS修复能被U.V.诱导 (A & B) SOS 修复过程有非常高的突变频率(易出错)ABCUV 复活复活或或 W复活复活（Jean Weigh）（1 1） 实验证据实验证据（2） SOS 修复机制修复机制 SOS 修复无模板指导的DNA复制 大剂

28、量的紫外线照射，大量的二聚体产生 SOS系统诱导，错误潜伏的复制超越二聚体而进行错误碱基 SOS 修复只是SOS反应的一部分 RecA在SOS反应反应中起核心作用 RecA与LexA组成调控环路DNA 损伤 SOS RecA受LexA的部分抑制RecA-P; 三种功能三种功能 DNA 重组活性重组活性 与与S.S. DNA结合活性结合活性 少数蛋白的少数蛋白的proteinase活性活性当当DNA正常复制时正常复制时（无复制受阻，无（无复制受阻，无DNA损伤，损伤， 无无TT dimer） RecA-p不表现不表现proteinase活性活性当当DNA复制受阻复制受阻/ DNA damaged

29、能量大量消耗能量大量消耗细胞内原少量表达的细胞内原少量表达的RecA-p与与S.S, DNA结合结合激活激活RecA-p的的proteinase活性活性修复损伤修复损伤LexA-p降解降解RecA-p高效表达高效表达 300 times upSOS open当当DNA复制度过难关后复制度过难关后SOS repair 是一种是一种error-prone 极强的修复机制极强的修复机制是进化中形成的是进化中形成的“ 竭尽全力，治病救人竭尽全力，治病救人” 的的措施措施（正常状态下，（正常状态下，SOS是关闭的）是关闭的）RecA-p很快消失很快消失LexA gene onSOS off7.3.2.5

30、. 突变的形成突变的形成DNA未经修复未经修复经过修复经过修复 / 校正校正 死亡死亡突变率降低突变率降低倾向差错修复倾向差错修复 (重组修复，重组修复，SOS）避免差错修复避免差错修复(光修复，切补修复光修复，切补修复)形成突变形成突变不形成突变不形成突变DNA damaged / mispairing物理诱变，化学诱变，自发突变物理诱变，化学诱变，自发突变突变是在修复过程中形成的（非准确的修复）突变是在修复过程中形成的（非准确的修复）7.3.3 回复突变回复突变 (抑制突变抑制突变)回复突变回复突变：突变体突变体经过第二次突变又完全地或部分地恢复为原来的基因型和表现型表现型。表现型：具有特

31、定基因型的个体，在一定环境表现型：具有特定基因型的个体，在一定环境条件下，所表现出来的性状特征的总和。条件下，所表现出来的性状特征的总和。突变体：由于基因突变而表现突变性状的细胞突变体：由于基因突变而表现突变性状的细胞或个体，称为突变体（或个体，称为突变体（mutant）或突变型。）或突变型。与突变型相对的概念是野生型（与突变型相对的概念是野生型（wild type）。）。（1）抑制突变发生的部位）抑制突变发生的部位基因内抑制突变：抑制突变发生在正向突变的基因中基因内抑制突变：抑制突变发生在正向突变的基因中基因间抑制突变：抑制突变发生在正向突变基因外的其它基因间抑制突变：抑制突变发生在正向突变

32、基因外的其它 基因中基因中wild typemutant (表现型表现型)正向突变正向突变 (low F.)回复突变回复突变 (very low F.正向的正向的110)间接抑制突变间接抑制突变: 不恢复正向突变基因蛋白质产物的功能不恢复正向突变基因蛋白质产物的功能,而而 是通过改变其它蛋白质的性质或表达水平是通过改变其它蛋白质的性质或表达水平 而补偿原来突变造成的缺陷而补偿原来突变造成的缺陷,从而恢复野生型从而恢复野生型（2）野生表型恢复作用的性质）野生表型恢复作用的性质直接抑制突变直接抑制突变: 通过恢复或部分恢复原来突变基因产物蛋通过恢复或部分恢复原来突变基因产物蛋 白质的功能而恢复野生

33、表型白质的功能而恢复野生表型 （3）回复突变的分子机制回复突变的分子机制a) AGC (Ser) ACC (Thr) AGC (Ser)b) AGC (Ser) AGG (Arg) AGT (Ser)c) AGC (Ser) AGG (Arg) GGG (Gly) if Ser Glye.g. trp.A-UGG174-GGA210-(w.t.)(K) (G)back mutation (C) （G）-UGC 174-GGA210-UGG174-GAA210-UGC174-GAA210-活性结构活性结构无活性结构无活性结构无活性结构无活性结构 (K) (E)活性结构活性结构7.3.3.1 基因

34、内抑制基因内抑制7.3.3.2 基因间的抑制突变基因间的抑制突变无义突变无义突变-无义抑制突变无义抑制突变错义突变错义突变-错义抑制突变错义抑制突变移框突变移框突变-移框抑制突变移框抑制突变 发生在发生在 tRNA基因或与基因或与tRNA功能相关的基因上功能相关的基因上a a、基因间的无义抑制突变（、基因间的无义抑制突变（ Nonsense suppressor ）野生型野生型UAG、UGA、UAA三种无义抑制三种无义抑制 50赭石型无义抑制赭石型无义抑制tRNA产生的几率很低，且抑制效率很低产生的几率很低，且抑制效率很低AGAUCUArgGlyGGACCUUCUGlyCCUGlyb b、基因

35、间的错义抑制突变、基因间的错义抑制突变( ( Missense suppressor )Glyc、基因间移框抑制突变、基因间移框抑制突变总结：基因内和基因间的错义（无义）、移框抑制突变均总结：基因内和基因间的错义（无义）、移框抑制突变均 由相应的错义（无义）、移框突变抑制由相应的错义（无义）、移框突变抑制d）Intergenic suppression1 (代谢的补偿代谢的补偿)e.g. Neurospora+ Asp(鸟氨酸转甲酰磷酸酶鸟氨酸转甲酰磷酸酶)ArgArgNH3CO2ATPCarbamyl phosphate(苯甲酰磷酸苯甲酰磷酸)GlnCO2ATPCarbamyl phosph

36、ate+ ornithineCarbomylornithine(瓜氨酸瓜氨酸)Oct geneUridineUridineCps-ase(氨甲酰磷酸合成酶氨甲酰磷酸合成酶)7.3.3.2 基因间抑制基因间抑制 Arg+U+ (Csp+Oct+)w.t.Arg+u (cspOct +)mut.Arg+U+ (cspoct-)back mutant Why ? & How ?Why ? & How ?Intergenic suppression1 (代谢的补偿代谢的补偿)e.g. Neurospora+ Asp(鸟氨酸转甲酰磷酸酶鸟氨酸转甲酰磷酸酶)ArgArgNH3CO2ATPC

37、arbamyl phosphate(苯甲酰磷酸苯甲酰磷酸)Carbamyl phosphateGlnCO2ATP+ ornithineCarbomylornithine(瓜氨酸瓜氨酸)Oct gene-2-3% 即可催化反应即可催化反应 (oct-)UridineUridineCps-ase-7.4.1 自然界的自然界的DNA分分子均是重组体子均是重组体 (recombinant)变异是生物进化的重要因素之一变异是生物进化的重要因素之一生物对环境的适应机制生物对环境的适应机制自然选择的重要基础自然选择的重要基础7.4 基因重组交换的分子机制基因重组交换的分子机制可遗传的变异；可遗传的变异；突变

38、突变 （点突变，染色体变异）（点突变，染色体变异）频率低，突变修复频率低，突变修复突变压改变群体的基因频率突变压改变群体的基因频率Pn = (1-P0)n遗传重组交换遗传重组交换染色体的自由组合染色体的自由组合染色单体间的交换染色单体间的交换分子克隆和转基因技术分子克隆和转基因技术(in vitro)普遍发生普遍发生自然界自然界DNA分子分子 均是重组体均是重组体7.4.2 同源重组的假说同源重组的假说a) Breakagerejoining (1930 Darlington)a) Breakagerejoining (1930 Darlington)a bA Ba BA bb) copy-c

39、hoice (1931 Belling)b) copy-choice (1931 Belling)DNA replication in S stage ? recombination in M stage ?c) Breakage rejoining model 的证据的证据-1E.coli growing in a medium of C12 & N14 infected with phage of ABC & abcABCabcC12 N14ABCabcDNA分子的交换是断裂分子的交换是断裂错接的过程错接的过程ABcabCRare Recom.abcabcABCmostC1

40、3 N15 C12 N14 Breakage rejoining model 的证据的证据-2E.coli growing in a medium of C12 & N14 infected with phage of AB & abABC13 N15abC13 N15C12 N14ABabAbaBrareDNA分子的交换与复制是两个不同的过程分子的交换与复制是两个不同的过程aBAbrareABabAbaBmost d) 同源重组的基本特征同源重组的基本特征 涉及同源染色体的同源序列间的联会配对涉及同源染色体的同源序列间的联会配对 涉及涉及DNA分子在特定的交换位点发生断裂分子

41、在特定的交换位点发生断裂 和错接的生化过程和错接的生化过程 单链单链DNA分子或单链分子或单链DNA末端是交换发生末端是交换发生 的重要信号的重要信号e) 同源重组的分子模式同源重组的分子模式1964 Holliday . R Holliday Intermediate1965. Whitehouse Polaron Hybrid DNA modela）交换发生的相关事件）交换发生的相关事件Synapsis ; paired DNA duplexesRecBC ; nicks made in homologous strands between two DNARecA ; leads to b

42、roken ends move and cross-over to pair with complement in other duplex7.4.3 同源重组的分子机制同源重组的分子机制b b）Holliday IntermediateHolliday Intermediate联会的染色体联会的染色体重组体融合重组体融合Heteroduplex DNAABBAABABABBAHolliday intermediatesABBAA BA BA BA BEndonucleasesaka. resolvases(e.g. RuvC)Products beforeDNA repairHolliday

43、 Intermediate(see Photo inLehninger pg 962)Termed “patch recombinants”c）Meselson-Radding修改后重组模型修改后重组模型HollidayHolliday模型要求在两个并排对齐的同源模型要求在两个并排对齐的同源DNADNA分子的对应位分子的对应位点形成单链切口，点形成单链切口，从而产生游离的单链末端。从而产生游离的单链末端。在在Meselson-RaddingMeselson-Radding遗传重组模型中，仅在一个双螺旋上遗传重组模型中，仅在一个双螺旋上产生单链切口。产生单链切口。利用切口处利用切口处3 3-OH

44、-OH合成的新链把原有的链逐步置换出来，使合成的新链把原有的链逐步置换出来，使之成为以之成为以5 5P P为末端的单链区。为末端的单链区。随后游离的随后游离的DNADNA单链侵入另一条单链侵入另一条DNADNA双螺旋中，取代它的同双螺旋中，取代它的同源单链并与其互补链配对形成异源双链区，被置换的单链形源单链并与其互补链配对形成异源双链区，被置换的单链形成成D D环（环（D-loopD-loop）。）。D D环单链区随后被切除环单链区随后被切除, ,两个两个DNADNA分子在分子在DNADNA连接连接酶的作用下形成酶的作用下形成HollidayHolliday交叉。交叉。与与HollidayHolliday不同，此时只在一条不同，此时只在一条DNADNA分子上出现异分子上出现异源双链区。如果发生分支迁移，在两条双螺旋上均源双链区。如果发生分支迁移，在两条双螺旋上均出现异源双链区。随后发生的连接