遗传学第六章

1、第六章第六章 遗传重组遗传重组遗传重组遗传重组遗传重组：造成基因型变化的基因交流过程。遗传重组：造成基因型变化的基因交流过程。发生：减数分裂性细胞内，体细胞发生：减数分裂性细胞内，体细胞地点：地点： 核基因间，叶绿体基因间，线粒体基因间，核基因间，叶绿体基因间，线粒体基因间， 重组子间；重组子间；前提条件：不同基因型的遗传物质彼此能够转移。前提条件：不同基因型的遗传物质彼此能够转移。作用：作用： 保证了遗传多样性保证了遗传多样性,为选择奠定了物质基础为选择奠定了物质基础,是是生物得以进化发展，与突变一起是变异的来源生物得以进化发展，与突变一起是变异的来源遗传重组主要类型：遗传重组主要类型：(依

2、据对依据对DNA序列和序列和所需蛋白质因子的要求所需蛋白质因子的要求) 同源重组同源重组 位点专一性重组位点专一性重组 异常重组异常重组 其共同点是双股其共同点是双股DNADNA间的物质交换，但发间的物质交换，但发生的情况不同。生的情况不同。第一节第一节 遗传重组的类型遗传重组的类型一、同源重组一、同源重组/ /普遍性重组普遍性重组 1.1.同源重组：同源重组：依赖大范围的依赖大范围的DNADNA同源序列的联会，同源序列的联会，重组过程中，两个染色体或重组过程中，两个染色体或DNADNA分子交换对等的部分。分子交换对等的部分。 例：同源染色体非姐妹单体交换；细菌的转化、转导、例：同源染色体非姐

3、妹单体交换；细菌的转化、转导、结合；噬菌体的重组结合；噬菌体的重组n需要重组的蛋白质参与；（例如需要重组的蛋白质参与；（例如. .大肠杆菌：大肠杆菌：RecARecA蛋白、蛋白、RecBCRecBC蛋白）蛋白）n蛋白质因子对蛋白质因子对DNADNA碱基序列的特异性要求不高；碱基序列的特异性要求不高；（存在重组热点和序列长度的影响）（存在重组热点和序列长度的影响）n真核生物染色质的状态影响重组的频率。真核生物染色质的状态影响重组的频率。 2.条件：条件：2个个DNA分子序列同源，且同源分子序列同源，且同源 区域越长越有利。区域越长越有利。 3.功能：功能： A：维持种群的遗传多样性；：维持种群的

4、遗传多样性； B：有助于：有助于DNA的损伤修复；的损伤修复； C：使真核生物产生第一次减数分裂中：使真核生物产生第一次减数分裂中染色体正确分离到子细胞至关重要的瞬间染色体正确分离到子细胞至关重要的瞬间物理连接。物理连接。 二、位点专一性重组/保守性重组 原核生物中最为典型 特点： 供体与受体的特定位点的短同源序列之间。 DNA精确切割 连接 DNA不失去、不合成、不交换对等部分（有时是一个DNA分子整合到另一个DNA分子中，又称整合式重组），需要位点专一性的蛋白质因子参与。例如：例如： 噬菌体噬菌体DNA通过其通过其attP位点和大肠杆菌位点和大肠杆菌DNA的的attB位点之间专一性重组而实

5、现整合过位点之间专一性重组而实现整合过程。条件：一段程。条件：一段15bp的同源序列和位点专一性的同源序列和位点专一性的蛋白质因子（不能催化其他任何两条不论是的蛋白质因子（不能催化其他任何两条不论是同源的还是非同源序列间的重组，从而保证了同源的还是非同源序列间的重组，从而保证了噬菌体整合方式的专一性和高度保守性，因噬菌体整合方式的专一性和高度保守性，因此又称保守性重组。）而且这一重组不需要此又称保守性重组。）而且这一重组不需要RecA 蛋白质的参与。蛋白质的参与。三、异常重组三、异常重组 完全不依赖于序列间的同源性而使一段完全不依赖于序列间的同源性而使一段DNA序列插入另一段中，但在形成重组序

6、列插入另一段中，但在形成重组分子时往往依赖分子时往往依赖DNA复制而完成重组过复制而完成重组过程，因此又称复制性重组。程，因此又称复制性重组。一、重组双方一、重组双方DNA分子的断裂与重接分子的断裂与重接 1. 证据：证据： 1961，M.Meselson and J.J.Wergle两个双标记两个双标记噬噬菌体感染大肠杆菌。菌体感染大肠杆菌。(c.mi) )噬菌体噬菌体1 13C和和14N “重重”链链 (+.+) ) 噬菌体噬菌体2 12C和和14N “轻轻”链链同时感染同时感染大肠杆菌大肠杆菌子代噬菌体子代噬菌体CsCl密度梯度离心密度梯度离心重链重链重链和轻链重链和轻链轻链轻链第二节第

7、二节 同源重组的分子机制同源重组的分子机制2、几个概念、几个概念： 重组核心：两个重组核心：两个DNA分子的连接分子的连接 连接分子连接分子/接合分子：接合分子： 重组接点重组接点/重组结合点：重组结合点： 杂种杂种DNA/异源双链异源双链DNA： 分支迁移：重组接点沿双链移动分支迁移：重组接点沿双链移动 交互重组：一条亲本双螺旋分子和另外交互重组：一条亲本双螺旋分子和另外 一条亲本一条亲本 双螺旋分子共价连接，中间有一端异源双链区，这种双螺旋分子共价连接，中间有一端异源双链区，这种重组称为交互重组。重组称为交互重组。染色体配对时形成的联会复合体结构电镜照片染色体配对时形成的联会复合体结构电镜

8、照片二、同源重组的二、同源重组的Holliday模型模型Robin Holliday于于1964年提出了重组的杂和年提出了重组的杂和DNA模型，模型，又称又称Holliday模型。该模型对重组过程的解释如下：模型。该模型对重组过程的解释如下：A、同源的非姐妹染色单体联会；、同源的非姐妹染色单体联会；B：同源非姐妹染色单体：同源非姐妹染色单体DNA中两个方向相同的单链，中两个方向相同的单链，在在DNA内切酶的作用下，在相同位置同时切开；内切酶的作用下，在相同位置同时切开；C：切开的单链交换重接：切开的单链交换重接;D：形成交联桥结构；：形成交联桥结构；E：交联桥沿配对：交联桥沿配对DNA分子分子

9、“移动移动”。两个亲本。两个亲本DNA分子间造成一大段异源双链分子间造成一大段异源双链DNA（ Holliday结构）结构）F：E和和F相同；相同；G：绕交联桥旋转：绕交联桥旋转1800；J：形成：形成Holliday异构体；异构体；I、通过两种方式之一切断、通过两种方式之一切断DNA单链，若左右切，单链，若左右切，则形成非重组体，若上下切则形成重组体。则形成非重组体，若上下切则形成重组体。 由上可知：无论由上可知：无论Holliday结构断裂是否导致结构断裂是否导致旁侧遗传标记的重组，他们都含有一个异源双旁侧遗传标记的重组，他们都含有一个异源双链链DNA区。区。HOLLIDAY模型 同源重组

10、的同源重组的Holliday模型模型 （杂种DNA模型或异源 双链模型）：环状环状DNA分子的重组分子的重组 两个环状DNA分子配对、断裂、重接形成“8”字型结构中间物，根据切割的位置不同，可分别形成两个亲本环、大的单体环或者是滚环结构。也可以形成“” 结构。粗糙链孢霉的生活史Photomicrograph showing segregation of dark and light ascospores in Neurospora.三、基因转变及其分子机理三、基因转变及其分子机理（一）异常分离与基因转变（一）异常分离与基因转变 1938，H.Vinkle 基因转变基因转变(gene conve

11、rsion)：一个基因转变为：一个基因转变为它的等位基因的遗传学现象。（它的等位基因的遗传学现象。（源于基因内重组） pdxp：酸度敏感的VB6需要型 pdx： 酸度不敏感的VB6需要型 Mitchell： + pdxp x pdx + 孢子对子囊12341+ pdxppdx +pdx +2+pdx + pdxp+ pdxp3+ pdxp+pdx +4pdx + pdxppdx +pdx +AAAAaaaa粪生粪壳菌粪生粪壳菌(Olive):GA gaGA 非重组孢子对GagaGAgAga非重组孢子对重组孢子对，一个孢子基因转变重组孢子对，一个孢子基因转变（二）（二） 基因转变的类型基因转变的

12、类型 染色单体转变：染色单体转变：2：6或或6：2分离比分离比 减数分裂减数分裂4个产物中，一个出现基因转变个产物中，一个出现基因转变 半染色单体转变：半染色单体转变：5：3；3：1：1：3 减数分裂四个产物中，一个或减数分裂四个产物中，一个或2个的一半出现基因转变个的一半出现基因转变 减数分裂后分离：等位基因的分离发生在减数分减数分裂后分离：等位基因的分离发生在减数分裂后的有丝分裂中裂后的有丝分裂中 （三）基因转变的分子机制 基因转变的实质：重组过程中留下的局部异源双链区，在细胞内的修复系统识别下不同的酶切/不酶切产生的结果。不同的切除会产生不同的结果。根据切除修复原理，基因转变的几种类型产

13、生的根据切除修复原理，基因转变的几种类型产生的分子机制可以归纳如下（图分子机制可以归纳如下（图8-8）。）。 1两个杂种分子均未校正（图两个杂种分子均未校正（图8-8A）复制后）复制后出现异常的出现异常的44g（或（或3113）的分离。）的分离。 2一个杂种分子校正为一个杂种分子校正为+，或校正为，或校正为g时，则时，则发生另一种类型的半染色单体转变，前者修复发生另一种类型的半染色单体转变，前者修复后出现后出现53的分离，后者子囊孢子的异常分离的分离，后者子囊孢子的异常分离比为比为35（图（图8-8B）。）。 3两个杂种分子都被校正到两个杂种分子都被校正到+（或（或g）时（图）时（图8-8C）

14、，修复后出现），修复后出现62g（或（或26g）的）的异常分离。这便是出现染色单体转变的起因。异常分离。这便是出现染色单体转变的起因。 4当两个杂种分子都按原来两个亲本的遗传当两个杂种分子都按原来两个亲本的遗传结构进行修复时，则减数分裂结构进行修复时，则减数分裂4个产物恢复成个产物恢复成G-C、G-C、A-T、A-T的正常配对状态，子囊的正常配对状态，子囊孢子分离正常，呈现孢子分离正常，呈现44g的结果，如图的结果，如图8-8D所示。所示。四、四、Meselson-Radding模型模型 Holliday模型中为对称的杂合双链，而实际情况有模型中为对称的杂合双链，而实际情况有不均等分离现象，不

15、均等分离现象，1975年年Meselson-Radding 提出模型提出模型解释这种不对称重组现象：解释这种不对称重组现象： 1.单链切断单链切断 2.链置换链置换 3.单链入侵单链入侵 4.泡切除泡切除 5.链同化（碎链吸收）链同化（碎链吸收） 6.异构化异构化Holliday 7.分支迁移分支迁移第三节第三节 细菌的同源重组细菌的同源重组 一一 、细菌同源重组的特点、细菌同源重组的特点 细菌的接合、转化以及转导重组都是同源重细菌的接合、转化以及转导重组都是同源重组，而且这种重组是发生在一个完整的环状组，而且这种重组是发生在一个完整的环状双螺旋双螺旋DNA分子与一个双链或单链分子与一个双链或

16、单链DNA分子分子片段之间的。且重组需要片段之间的。且重组需要3种基因所编码的种基因所编码的RecA和和RecBC蛋白质。蛋白质。 RecA蛋白：多功能蛋白蛋白：多功能蛋白 1.NTP酶活性：存在单链酶活性：存在单链DNA时，时， RecA具水解具水解ATP/dATP活性，促进联会。活性，促进联会。 2. 单链单链DNA结合活性：结合活性：RecA蛋白与单链蛋白与单链DNA形成丝状形成丝状复合物，使其免受核酸酶攻击。复合物，使其免受核酸酶攻击。 3.DNA解旋活性：解旋活性：DNA为单链或寡聚核苷酸。为单链或寡聚核苷酸。RecA蛋蛋白在双链白在双链DNA的单链切口处解开双螺旋的单链切口处解开双

17、螺旋 4.部分单链部分单链DNA区，区，RecA蛋白促进蛋白促进DNA分子间联会。分子间联会。RecA蛋白蛋白异源双链区异源双链区 RecBC：溶解酶：溶解酶(Resolvase)活性活性,断裂断裂Holliday 结构的交联桥完成重组。结构的交联桥完成重组。二、细菌转化重组机制二、细菌转化重组机制 实质：单链实质：单链DNA片段与完整片段与完整DNA之间的重之间的重组，如下情况：组，如下情况： 切除外源切除外源DNA无重组无重组 切除受体切除受体DNA发生重组发生重组 无修复作用无修复作用 子代细胞出现两种基因子代细胞出现两种基因型（受体基因型和重组体基因型）型（受体基因型和重组体基因型）*

18、通常采用有利于重组体基因型生长的选择条通常采用有利于重组体基因型生长的选择条件件 高效率标记（高效率标记（high-efficiency maker)：在转化：在转化中，有些遗传标记或是很少发生校正作用，或中，有些遗传标记或是很少发生校正作用，或是校正切除几乎总是在受体是校正切除几乎总是在受体DNA上，因此转化上，因此转化频率较高，这类遗传标记称为频率较高，这类遗传标记称为。 低效率标记（低效率标记（ low-efficiency maker ）：转化）：转化中一些标记的校正切除总是倾向于发生在供体中一些标记的校正切除总是倾向于发生在供体单链上，因而出现很低的转化频率，这类标记单链上，因而出现

19、很低的转化频率，这类标记称为称为。三、细菌的接合与转导中的重组机制三、细菌的接合与转导中的重组机制 接合重组（Hfr与F-之间进行）部分DNA进入细胞，且只有其中的部分参与重组，需要RecA和RecBC参与，机制与转化重组相似 转导重组 （phage-DNA与细菌之间）双链DNA与完整双链DNA之间的重组，供体DNA以双链进入受体细胞，并且以双链形式整合进入染色体，需要RecA和RceBC参与。第四节第四节 位点专一性重组位点专一性重组 一、一、噬菌体的整合和切除噬菌体的整合和切除 噬菌体：噬菌体： attP POP、 大肠杆菌：大肠杆菌： attB/ att BOB、 1.整和：整和： BO

20、B、+ POP、 BOP、+ POB、 2.切除：切除： BOP、+ POB、 BOB+ POPIntIHFInt,Xis IHF 通过attP和attB间的相互重组，环状的噬菌体DNA转换为整合的原噬菌体，原噬菌体通过attL和attR间的相互重组而切除二、位点专一性重组的核苷酸序列二、位点专一性重组的核苷酸序列 1. POP:O为15bp(核心)富含A-T的非对称序列； P为-160 0的160bp序列 P为0 80的80bp序列 共240bp 2. BOB:B为-11 0序列 B为0 11序列 共23bp位点专一性重组：条件性基因敲除重组的应用实例-基因敲除第五节第五节 异常重组异常重组

21、原核生物转座子原核生物转座子转座子转座子(transposon,Tn):基因组内不必借助于同源基因组内不必借助于同源序列就能序列就能 改变自身位置的一端改变自身位置的一端DNA序列序列. 异常异常: 转座、重组发生在非同源序列间，不转座、重组发生在非同源序列间，不 需需RecA蛋白蛋白一、原核生物中的转座子一、原核生物中的转座子 1.插入序列（插入序列（inserted sequence,IS)：长度在：长度在768-5700bp, 两端具几两端具几几十几十bp的反向重复序列的反向重复序列含有含有Is的质粒经变性后形成柄环结构的质粒经变性后形成柄环结构当一个当一个IS插入插入“靶靶”DNA后，

22、其两端会出现一后，其两端会出现一小段正向重复序列（约小段正向重复序列（约5-11个核苷酸对。个核苷酸对。插入位点形成正向重复序列的机制插入位点形成正向重复序列的机制二、转座子：二、转座子： 大大(2000-25000bp)，转座有关的基因，转座有关的基因,抗药性及其他基抗药性及其他基因，两端具相同或同源序列。如因，两端具相同或同源序列。如IR序列。序列。三、转座噬菌体：三、转座噬菌体：Mu噬菌体噬菌体 与其他温和性噬菌体的差别：其基因组不论在进入裂与其他温和性噬菌体的差别：其基因组不论在进入裂解周期或处于溶源状态都可随机整合到宿主染色体的解周期或处于溶源状态都可随机整合到宿主染色体的任何位置，

23、且游离的和已整合的基因次序是相同的任何位置，且游离的和已整合的基因次序是相同的.使宿主菌获得一定特性Tn3的结构模式图的结构模式图 9.2.2 转座子（转座子（transposon，Tn） 转座子是一类复合性转座因子，它带有同转座无关的基因（如抗药性基因），转座子两端有反向或正向重复的IS。 Tn的转座过程：的转座过程： 第六节第六节 异常重组异常重组真核生物中的转座子真核生物中的转座子 一、酵母菌的转座子：一、酵母菌的转座子： Ty系列，长度约系列，长度约6300bp，两端含有两个，两端含有两个 正向重复正向重复序列，其插入酵母菌染色体后，受体出现序列，其插入酵母菌染色体后，受体出现5bp的

24、正向重的正向重复序列。复序列。 二、果蝇的转座子二、果蝇的转座子 P因子：杂种不育因子：杂种不育 ORF0 ORF1 ORF2 ORF3，内含子内含子1，2，3 P（母）（母）x P（父），（父）， M（母）（母）x M（父），（父）， P（母）（母）x M（父）：（父）：F1正常；正常； P（父）（父）x M（母）：（母）： F1不正常不正常9.3 异常重组-真核生物的转座子9.3.1 果蝇的P因子 全长全长P 因子：因子： 2907bp，两端 33bp的IR，4个外显子， 在生殖细胞中编码有活性的转座酶，在体细胞中编码无活性的转座酶。缺失型缺失型P因子因子：P因子中段缺失衍生物，长度为0.

25、51.4kb ,依赖 全长P因子的转座酶才能转座。果蝇果蝇P品系品系的基因组有3050份 P因子拷贝，1/3为全长P因子。由于P因子的转座而引起的果蝇的杂种发育障碍：P() M() P因子转座，引起插入突变，染色体畸变M() M()或或M() P() 无生育障碍(卵细胞质中含有大量的无活性的转座酶，转座抑制元件)。杂种发育障碍有效地将相互杂交的群体逐渐隔离开来，并在生殖细胞中引入新的突变，对物种形成有重要影响无转座，后代可育转座，后代劣育无转座，后代可育P因子与杂种劣育 三、玉米的转座子三、玉米的转座子 1932年，美国玉米遗传学家年，美国玉米遗传学家B.McClintock发现玉发现玉米籽粒

26、色斑不稳定遗传现象，于米籽粒色斑不稳定遗传现象，于1951年，第一年，第一次提出转座因子的概念。次提出转座因子的概念。糊粉层颜色：糊粉层颜色： A C R Pr I/Ds 花色素花色素 颜色颜色 红红 紫紫 抑制因子抑制因子 解离因子解离因子 I/Ds：解离因子：解离因子 Ac：激活因子：激活因子DNA transposable element Ac和和Ds位于玉米第位于玉米第9染色体短臂上的色素基因染色体短臂上的色素基因C附附近近;有Ac而没有Ds时，C基因正常表达，籽粒有色； 当Ac和Ds都存在时，部分细胞中Ds会引起染色体断裂而去除色素基因C的作用，同时由于Ac因子转座酶的作用在另一些细胞中Ds会切离转座，因而色素基因C仍能正常表达，籽粒表现为无色斑点