-基因结构和重组

1、基因结构和重组基因结构和重组一、一基因一酶学说一、一基因一酶学说 1941 Beadle & Tatum 提出：提出： “ one gene one enzyme” hypothesis SupplementsMutant strain Nothing Ornithine Citrulline Arginino- Arginine Growth response if nutrient is added to minimal medium succinate Wildtype Arg+ + + + + + Arg-E- - + + + + Arg-F- - - + + + Arg-G-

2、 - - - + + Arg-H- - - - - + Neurospora crassa粗糙链孢霉粗糙链孢霉鸟氨酸鸟氨酸 瓜氨酸瓜氨酸 精氨酸琥珀酸精氨酸琥珀酸 精氨酸精氨酸乙酰鸟氨酸酶乙酰鸟氨酸酶乙酰鸟氨酸乙酰鸟氨酸鸟氨酸鸟氨酸瓜氨酸瓜氨酸鸟氨酸转氨鸟氨酸转氨甲酰基酶甲酰基酶精氨酸琥珀精氨酸琥珀酸合成酶酸合成酶精氨酸琥珀精氨酸琥珀酸裂解酶酸裂解酶精氨酸琥珀酸精氨酸琥珀酸精氨酸精氨酸天冬氨酸天冬氨酸氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸Neurospora crassa乙酰醋酸乙酰醋酸尿黑酸氧化酶尿黑酸氧化酶尿黑酸尿黑酸对羟甲基苯丙酮酸对羟甲基苯丙酮酸对羟甲基苯丙对羟甲基苯丙酮酸氧化酶酮酸氧化酶酪氨酸酪氨酸苯

3、丙氨酸苯丙氨酸转氨酶转氨酶苯丙氨酸羟化酶苯丙氨酸羟化酶苯丙酮酸苯丙酮酸黑色素黑色素3,4二羟苯丙氨酸二羟苯丙氨酸延胡索酰乙酰乙酸延胡索酰乙酰乙酸延胡酸延胡酸乙酰乙酸乙酰乙酸苯丙氨酸苯丙氨酸苯丙氨酸羟化酶苯丙氨酸羟化酶转氨酶转氨酶对羟甲基苯丙对羟甲基苯丙酮酸氧化酶酮酸氧化酶acid尿黑酸氧化酶尿黑酸氧化酶酪氨酸酪氨酸对羟甲基对羟甲基苯丙酮酸苯丙酮酸尿黑酸尿黑酸乙酰醋酸乙酰醋酸苯丙酮酸苯丙酮酸黑色素黑色素呆小症呆小症甲状腺甲状腺酪氨酸代谢紊乱酪氨酸代谢紊乱尿黑酸症尿黑酸症脑损害脑损害白内障白内障黄疸黄疸肝脏肿大肝脏肿大肾损害肾损害半乳糖激酶半乳糖激酶1磷酸半乳糖磷酸半乳糖尿苷二磷酸葡萄糖尿苷二磷酸

4、葡萄糖葡萄糖葡萄糖1磷酸尿苷转移酶磷酸尿苷转移酶尿苷二磷酸半乳糖尿苷二磷酸半乳糖差向异构酶差向异构酶 one gene one polypeptide theoryGene Structure gene recombinationandcis - trans test and cistronAspergillus nidulans曲霉菌（腺嘌呤缺陷型）曲霉菌（腺嘌呤缺陷型）heterokaryon异核体异核体diploid conidia二倍体分生孢子二倍体分生孢子ad 16+ad 8ad 16+ad 8ad 16+ad 16ad 8ad 8+ad 16ad 16ad 8ad 8突变型突变型野

5、生型野生型野生型野生型突变型突变型ad 16+ad 16+ad 8ad 8transciscis-trans effectcistron有缺陷有缺陷有缺陷有缺陷有缺陷有缺陷正常正常野生型野生型突变型突变型complementation test B K( ) + - + +r IIr II+T4T4突变型突变型rII 和野生型和野生型rII+在不同菌株上的噬菌斑在不同菌株上的噬菌斑(大而清晰大而清晰)(小而模糊小而模糊)(小而模糊小而模糊)(E.coli)重组测验：重组测验：rx+ry；B，总数；，总数； K( )，重组子（，重组子（+， rxry ）Benzer r II : r II A

6、and rII B ( two cistrons )互补互补m1 m2 + +m1 + + m2 m1 m2 + +m1 + m2顺式顺式反式反式顺式顺式反式反式同一顺反子同一顺反子不同顺反子不同顺反子野生型野生型突变型突变型野生型野生型野生型野生型_无互补无互补互补实验可确定有同一表型效应的两个突变型是等位的还是非等位的。互补实验可确定有同一表型效应的两个突变型是等位的还是非等位的。三、同源重组分子模型三、同源重组分子模型 1、断裂重接模型、断裂重接模型2、模板选择学说、模板选择学说 3、Holliday模型模型4、Meselson-Radding模型模型5、双链断裂模型、双链断裂模型 断裂

7、重接模型和模板选择复制断裂重接模型和模板选择复制模型的否定模型的否定断裂重接模型不能解释基因转变和极化子断裂重接模型不能解释基因转变和极化子现象现象模板选择复制模型存在的问题：模板选择复制模型存在的问题： (1) 违背了半保留复制；违背了半保留复制； (2) DNA复制应在复制应在S期，重组应在期，重组应在M期，期，不应同时发生。不应同时发生。 (3)不能解释不能解释3线和线和4线交换。线交换。基因转变基因转变Gene conversionGene conversionP132单倍体菌丝单倍体菌丝 A单倍体菌丝单倍体菌丝 B二倍体合子二倍体合子染色单体转变染色单体转变6:2 or 2:6半染色

8、单体转变半染色单体转变5:3 or 3:5 or 3:1:1:3 基因转变（基因转变（Gene conversion）：将真菌）：将真菌中不规则分离现象解释为减数分裂过程中不规则分离现象解释为减数分裂过程中同源染色体联会时，一个基因使相对中同源染色体联会时，一个基因使相对位置上的基因发生相应的变化所致，因位置上的基因发生相应的变化所致，因而称为基因转变。而称为基因转变。 Hybrid DNA model联会联会酶切酶切游离端游离端移动联会移动联会游离端游离端交叉连接交叉连接分支点分支点移动移动交联桥交联桥两臂旋转两臂旋转中间体中间体branch migration of Holliday st

9、ructure EM of a Holliday Junction w/a few melted base pairs around junction不校正不校正A-CC-AA-C，T-GG-T，C-A A-C，C-A 双链断裂起始重组模型（双链断裂起始重组模型（DSBR模型）模型）（P129） 在酵母系统的重组研究中，发现载体DNA双链断裂可大大提高同源重组的效率。 受体双链产生断裂受体双链产生断裂断裂处扩展成带有断裂处扩展成带有3端单链端单链的缺口的缺口游离游离3端侵入供体双链，形端侵入供体双链，形成成D环；游离环；游离3端延伸，取端延伸，取代了供体的一条链代了供体的一条链供体的供体的D环

10、与受体的环与受体的3端配端配对；受体的另一对；受体的另一3端也进行端也进行修复合成修复合成分支点的移动产生了带有分支点的移动产生了带有两个重组连接点的分子两个重组连接点的分子转座子转座子1951年年McClintock提出转座（提出转座（Transposition）和和跳跃基因跳跃基因(jumping gene)的概念的概念 1967年年Shapiro才在才在E.coli中发现了转座因子中发现了转座因子（transposable element） McClintock转座子转座子 一段一段DNADNA序列可以从原位上单独复制或断序列可以从原位上单独复制或断裂下来，环化后插入另一位点，并对其裂下

11、来，环化后插入另一位点，并对其后的基因起调控作用，此过程称转座，后的基因起调控作用，此过程称转座，这段序列称为跳跃基因或转座子。这段序列称为跳跃基因或转座子。 玉米粒颜色的遗传玉米粒颜色的遗传正常：有色正常：有色 有色有色异常：有色异常：有色 色斑色斑 有色有色 无色无色 玉米色粒调控元件玉米色粒调控元件Ac-Ds系统系统 第第9染色体染色体C基因，基因， 色素合成基因。色素合成基因。Ac基因，自主移动的调节因子基因，自主移动的调节因子， 编码转座酶编码转座酶，并支配受体因子移动并支配受体因子移动。Ds基因，基因， 非自主移动的受体因子非自主移动的受体因子，不产生蛋白，不产生蛋白质质。插入引起

12、色素不能合成。插入引起色素不能合成。 C Ac 有色有色 C Ds 无色无色 C Ds Ac色斑色斑原核转座因子的类型原核转座因子的类型1、插入序列、插入序列(IS)（两端有略长的（两端有略长的IR和和短的短的DR）2、转座子：转座子： 简单转座子，如简单转座子，如Tn3（两端具有（两端具有IR而不是而不是IS ） 复合转座子，如复合转座子，如Tn10（两端组件为（两端组件为IS） 注：注：IR，反向重复序列；，反向重复序列；DR，正向重复序列。，正向重复序列。 插入序列插入序列(insertion sequence, IS) 仅含有转座酶基因的简单转移序列。长仅含有转座酶基因的简单转移序列。

13、长度多在度多在7001500bp左右。左右。 由末端反向重复序列由末端反向重复序列(IR)，转座酶基因转座酶基因组成。组成。 插入基因组中时，在靶位上生成正向重插入基因组中时，在靶位上生成正向重复序列复序列(DR) 反向重复序列：在同一多核苷酸链内下游存在着与上反向重复序列：在同一多核苷酸链内下游存在着与上游某一段序列的互补序列反向的序列。如图一游某一段序列的互补序列反向的序列。如图一GTGCTAAGTGCTAA和和TTAGCACTTAGCAC构成反向重复序列。在双链构成反向重复序列。在双链DNADNA中反向重复中反向重复可能引起十字形结构的形成。可能引起十字形结构的形成。 常见的IS结构IS 长度 末端IR 靶位DR 插入选择IS1 7