遗传重组机制

1、第四章 遗传重组（genetic recombination）重要性：它是产生变异和进化的主要力量之一，其机制研究有助于理解变异产生的原因，是学业考试的重点之一。关键掌握：1、概念、类型以及分子机制；2、基因转变的概念与机制; 3、转座子的种类、特点、机制、遗传学效应及应用。参考：Daniel L. HartlGenetics: Analysis of Genes and Genomes Chapter 6 Molecular biology of DNA replication and recombination1广义上，任何造成基因型变化的基因交流过程。非同源染色体的自由组合：不涉及DNA

2、分子内的断裂-复合。狭义上，指涉及DNA分子内断裂-复合的基因交流过程，有时也叫交换（crossing over）。第一节、遗传重组的类型根据对DNA序列和蛋白质因子的要求分为: 同源重组 位点专一性重组 转座作用 异常重组21. 同源重组（homologous recombination）需要：1）较大范围的DNA同源序列；2）非碱基序列特异的重组蛋白质因子（RecA）例：非姐妹染色单体间的交换、细菌的转化、转导、结合等。2. 位点专一性重组（site-specific recombination）需要：1）小范围的特异同源序列；2）位点专一性蛋白质因子。例： 噬菌体DNA通过其attP位点

3、与大肠杆菌DNA的attB位点之间的重组。33. 转座（transposition）转座因子从染色体的一个区段转移到另一个区段或者从一个染色体转移到另一个染色体上。不需要同源序列和RecA， 需要转座酶，常伴随着复制，也叫复制重组（replicative recombination）。4. 异常重组（illegitimate recombination）不需要DNA序列同源性、RecA和转座酶。了解不多（特殊重组）45目前虽然无法对遗传重组直接进行分子水平分析，但依据： 对DNA生物化学特性的分析； 对减数分裂过程中染色体行为和重组发生的性状观察； 对离体重组系统的研究；出现了旨在解释DNA同

4、源重组的模型。1、 同源重组的模型第二节、同源重组的机制A、Holliday 模型：美国人R. Holliday 在1964年提出。6（a）减数分裂前期I，同源的非姐妹染色单体DNA配对；（b）非姐妹染色单体方向相同的两条单链，在核酸内切酶作用下，在相同位置上同时切开，出现断裂；（c,d ）切开的单链交换重接，形成一个交联桥；（e, f）交联桥移动，在两个DNA分子上各形成一段异源双链区；（g ）染色体构型发生一定变化；7(g, h, i ) 交联桥旋转，形成十字构形（Holliday中间体）；( j ) 十字构形中2条单链保持完整，另2条单链出现断裂；( k,l ) DNA修补合成.两个单体

5、DNA是否出现重组与交联桥的断裂方式有关。但无论重组与否，都新出现有一段异源双链DNA，这是发生基因转变的遗传基础。故该模型也叫异源或杂合DNA模型。8how to think about this problem.BRANCH MIGRATIONROTATE PERSPECTIVEBREAKSconversion“horizontal breakage”9BRANCH MIGRATIONROTATE PERSPECTIVEBREAKShow to think about this problem.recombination“vertical breakage”10这一模型涉及到两次断裂和重接

6、： 前一次断裂、重接和分支迁移造成了异源双链； 后一次断裂和重接则决定是否出现重组。如果两次发生在相同的两条链上，只造成异源双链，在这段异源双链区两侧的遗传学位点将不会发生重组；如果两次断裂重接涉及四条单链，则除了有异源双链区之外，在这段异源双链区两侧的遗传学位点还将发生重组。11B、Meselson-Radding 模型该模型由M. Meselson 和C. Radding在Holliday模型的基础上修改的，与后者的主要区别：（1）开始只在单个染色体上造成切割。Holliday模型是在两个染色体上都造成切割。（2）按照 Meselson-Radding 模型，异源双链区可以只发生在两个染色

7、体的其中之一上，也可以发生在两个染色体上，取决于交联桥是否迁移。12（a）切割（b）链置换（c）链侵入（d）噜噗切除（e）连接（f）分支迁移13C Double-strand break （DSB) model 两个交联桥以同样方式切割只形成断口两侧的异源双链区，没有重组；两个交联桥以相反的方式切割，则除了有异源双链区外，也发生重组。1）非姐妹染色单体的一条双链断裂；2）从5降解，产生3游离单链；3）一3游离单链 侵入取代同向完整链4）3 单链延伸5）被取代的完整链与另一游离链配对；6）底链进行DNA的合成7）缺口结合形成两个Holliday 中间体14DSB更接近事实的原因：1）Homolo

8、gous recombination is often initiated by double-strand break (DSB) in DNA, not by aligned nicks of Holiday model.（同源重组通常由DSB引发）2）DSB occurs relatively frequently, but the aligned nicks not.（DSB现象常见）2、Holliday中间体存在的证据人们在研究大肠杆菌的环形DNA质粒时发现了一种8字形重组结构（两个环形质粒重组中间体）。15“8”结构经酶切后有4条臂，犹如希腊字母，因此称作Chi结构。在酵母菌等多种

9、生物中也发现了类似的结构。Chi结构的发现直接验证了重组中Holliday中间体的存在。163. 基因转变及机理无性繁殖：分生孢子萌发，菌丝生长形成菌丝体（n）；有性繁殖：不同交配型A和a产生分生孢子散落在不同交配型子实体的受精丝上，进入子实体后融合成2n核（Aa）。2n核行减数分裂，获得一个细胞内含有4个单倍体的产物，产物按照一次减数分裂的结果呈直线顺序排列，称为顺序四分子。再经一次有丝分裂，在子囊中产生8个单倍体的子囊孢子，子囊孢子成熟后萌发长成新的菌丝体。粗糙链孢霉（Neurospora crassa）的繁殖方式：17Production of ordered tetrads of Ne

10、urospora.AaAa18Segregation patterns in Neurospora.1920Photomicrograph showing segregation of dark and light ascospores in Neurospora.5:36:24:4基因转变（gene conversion)正常情况下形成子囊孢子的分离应该是 4:4 ，但有的时候会发现异常的分离比。这与基因转变有关：在重组过程中，一个基因变为它的等位基因的现象叫做基因转变。21基因转变机理异源双链DNA模型（Holliday模型）可以很好地解释基因转换发生的机理。现象：基因转变现象常常和邻近基

11、因的重组相伴发生。解释：可能发生基因转变的基因正好位于异源双连区。例如 g+ x g杂交中 ，如果两基因有一对碱基之差（下图）：22A C A G TT G T C AA C A T TT G T A Ag+g -A C A G TT G T A AT G T C AA C A T T或者异源双连区是：23可能的校正方式：GAGCTA(+)(g)有丝分裂+-GA+-校正到+校正到-不校正修正发生在减数分裂之后，有丝分裂之前24CTCGAT(+)(g)校正到+校正到-不校正CT有丝分裂+-+-25G/C= +A/T= g两个杂种分子都未校正一个杂种分子校正为+ 或 g/+两个杂种分子都校正为+

12、或 g异常的44 两个杂种分子分别校正为+ 和 g异源源双链区26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（错配修复）识别下，不同的修复/不修复产生的结果。不同的修复会产生不同的结果。27识别错配识别对错： GATC有甲基化的为对错配酶与未甲基化的GATC和新链错配处结合错配修复酶切除包括错配碱基的部分新链聚合修补并连接关键点：对模板认定正确：完全修复；错误，产生突变28第三节、位点专一性重组噬菌体侵入大肠杆菌细胞后，面临着裂解生长还是溶源生长的选择;进入溶源状态需要DNA整合进寄主DNA,由溶源状态进入裂解生长需要DNA从寄主DNA切除下来;这里的整合和切除都是通过

13、细菌DNA和DNA上位点专一性重组实现的。这些专一性位点叫做附着点（attachment site），简写为att。29 噬菌体侵染周期30位点专一性重组过程attBattP整合酶Int切除酶Xis整合宿主因子(IHF)31attB和attP位点处的序列，O序列叫做核心序列，全长15bp，富含AT碱基对，在attB和attP中完全一致。3233第四节、转座因子转座因子理论推翻了经典遗传学关于基因座位是固定的观念，是一种革命性的理论人们把麦氏的成就比之为一百年前另一位伟大的遗传学家孟德尔的成就。1983年,美国遗传学家BMcClintock因在发现转座因子方面的重大贡献，被授予诺贝尔医学奖。34

14、1951年，在冷泉港生物学专题讨论会上， McClintock报告了遗传基因可以改变自身位置，她称之为“转座子” 。转座理论遇寒冬当时占统治地位的理论认为基因以一定的顺序在染色体上作线性排列，彼此之间的距离非常稳定；常规的交换和重组只发生在等位基因之间，并不扰乱这种距离； 除了发生频率低的染色体倒位和相互易位等畸变可以改变基因的位置外，人们无法想象基因会从一处跳跃到另一处。35转座理论被接受上世纪70年代后在生物中发现了更多可移动的遗传因子；从而麦氏的理论被人们重新提起并得到了验证，80年代初麦氏理论为科学界普遍接受。她走在时代前面四十年，同时也为此冷落奋斗了四十年。 转座因子是可以在染色体内

15、或染色体间(以及细菌染色体与质粒间）改变位置的一段脱氧核糖核酸序列。目前认为“转座”的命名并不准确。在转座过程中，转座因子的一个拷贝常留在原位置上，在新位点上出现的仅是新拷贝。因此，转座过程实际上是依赖于DNA复制的重组过程。361940初，McClintock发现这一突变与染色体重组（断裂、解离）有关。一、麦氏的工作染色体的断裂、解离(dissociation)有一个特定位点(Ds)；但Ds并不能自行断裂、解离，受一个激活因子Ac(activator)控制，而Ac即可以正常传递，也可以转移座位。Ds只有在Ac存在时才能移动，McClintock把Ac和Ds称为控制因子或转座因子。Emerso

16、n（1914）发现一种玉米果皮色素遗传特殊突变体-花斑条纹果皮，这种突变可以发生多次突变和回复，原因不清。37在单个胚乳细胞中跳来跳去，形成花斑胚乳38转座因子如果在质粒上，将质粒加热变性，两条链各自复性，会形成茎环结构。 二、转座因子存在的直接证据39三、转座因子的分类和结构它是一类最小的转座因子，除有转座酶基因外，一般不含其它基因，大小在7681530 bp；它们是细菌基因组或质粒DNA的正常组成部分；一个细菌细胞常带有少于10个IS序列。（一）、原核生物的转座因子根据分子结构与遗传特性可以分为三类：1插入序列（insertion sequence，IS）40虽然IS大小不同，但有共同特征

17、：在IS两末端都有一段短的反向重复序列（IR），长度不一。反向重复序列举例：TGAAAACTTT:TTTCAAAAGT所以，含有IS的质粒经变性后，分别以单链复性，在电镜下出现茎环结构：茎的部分是（ ），大环是（ ），小环是（ ）。4142当IS插入靶DNA后，导致在插入片段两侧出现（靶片段）的重复。432. 转座子（transposon）含有转座酶基因外，还带抗药或其它基因。转座子又可以分为两类：.复合转座子：IS因子抗菌素抗性片段IS因子 。IS因子可以是反向重复构型或同向重复构型。相同复合式转座子Tn9的结构44复合转座子中的IS序列既能单独转座，又能带动整个复合体转座。与以下两个因素有

18、关：A、在非选择压力下，两个IS距离越大，IS自身转座的可能性越大，复合转座子转座的频率越小。B、在选择压力下，复合转座子整体转座的频率会明显增加。45.有些转座子末端并不是IS，而是反向重复序列，这类叫复杂转座子（Complex transposon，称TnA族）。如Tn3系转座子：长约5 kb，末端有一对38 bp IR序列，不含IS因子序列。有3个基因：一个是编码对氨苄青霉素抗性的内酰胺酶(-lactamase)基因，TnpA负责转座, TnpR编码TnpA的阻遏蛋白。 463.转座噬菌体Mu噬菌体是E.coli的温和噬菌体，溶源化后能起转座子作用。Mu噬菌体也含有与转座有关的基因和反向

19、重复序列。Mu能够整合进寄主染色体任何部位（不同于 ），催化一系列染色体的重新排列。转座的机制主要是复制型转座，有时也切离转座。47（二）、真核生物的转座因子： 1、分类与结构48玉米籽粒色斑的产生、果蝇复眼颜色的变异、啤酒酵母接合的转换等现象都与转座因子在染色体上的转座有关。玉米除Ac-Ds系统外，Spm控制因子也有自主控制因子+非自主控制因子。Ac由4563个核苷酸组成：一个由11个核苷酸组成的末端反向重复区+两个与转座有关的酶基因（一个大基因和一个小基因）。Ds因子的大小差别很大。Ds9很象Ac，只是缺失了194个核苷酸。而一个最小的Ds因子只有Ac长度的1/10，仅仅包括了Ac因子的未

20、端反向重复区（下图）49果蝇的转座因子有Copia、412与297等；转座子未端序列是转座酶识别位点（保守性很强）。503、酵母的Ty （Transposon yeast）两端是340 bp的同向重复，称为元件。TyA编码DNA结合蛋白，TyB编码反转录酶、整合酶等。Ty元件是典型的反转录转座子，需要通过RNA 中间体进行转座。Solo可判断Ty插入事件：51四、转座的机理（一）反转录转座进行此种转位的是反转录转座子，如酵母的Ty1。1、该因子先转录为RNA中间体；2、该转录本指导一种反转录酶的合成，后反转录出双链DNA；3、在整合酶的作用下整合到染色体的随机位点。整个过程同反转录病毒早期感染

21、类似。广泛存在于酵母、果蝇和哺乳动物中52（二）切离转座在切离转座中，原始转座子作为一个可移动的实体直接从染色体的一个位点转移到另一个位点。如IS序列、玉米的Ds等。特异的转位酶附着于两端的反向重复序列，使转位子切离下来，整合到另一个位置；原来切口被封闭，但往往在该处发生突变。53（三）复制转座细菌转座子的转座机制研究最为清楚。复制性转座是一个非同源重组的过程，通过这一重组，转座子出现在一个新的位置上，可是原来位置上的转座子并不消失，所移动和转位的是原转座子的拷贝。Tn类转座主要是这种形式。54J.A Shapiro的复制转座模型（1）切开（2）连接（3）复制（4）重组TnTn位点专一性重组55五、转座的遗传效应1、转座引起插入基因突变或失活；562、转座产生新的基因；例如：外显子改组573、转座导致染色体畸变，增加新的变异 如切离效应：584、转座造成同源序列的整合