分子生物学重组和转座

第二章染色体与DNA

遗传物质的分子结构和性质

基因组和染色体

DNA的复制DNA损伤与修复重组和转座当前第1页\共有33页\编于星期五\3点没有遗传重组就没有进化当前第2页\共有33页\编于星期五\3点没有遗传重组就没有进化当前第3页\共有33页\编于星期五\3点重组同源重组(homologousrecombination)或普遍性重组（generalizedrecombination）真核生物中发生在减数分裂期位点特异性重组(site-specificrecombination)转座重组：转座子模板选择（copychoice）RNA病毒当前第4页\共有33页\编于星期五\3点重组同源重组(homologousrecombination)或普遍性重组（generalizedrecombination）真核生物中发生在减数分裂期位点特异性重组(site-specificrecombination)

转座重组：转座子模板选择（copychoice）RNA病毒当前第5页\共有33页\编于星期五\3点同源重组当前第6页\共有33页\编于星期五\3点Holliday模型分支端化（branchmigration）当前第7页\共有33页\编于星期五\3点Holliday模型的疑问Holliday模型能够较好解释同源重组现象，但也存在问题。该模型认为进行重组的两个DNA分子在开始时需要在对应链相同位置上发生断裂。DNA分子单链断裂是经常发生的事，但如何保证两个分子能在同一位置发生断裂？当前第8页\共有33页\编于星期五\3点同源重组的RecBCD途径Chi位点(5’-GCTGGGTGG-3’)是目前发现的主要的重组热点。E.coli平均每5000bp就有一个Chi位点，含有大约1000个Chi位点，亦即每五个基因就有一个Chi位点，这些Chi位点中很多在细菌的接合和转导过程中作为重组热点而刺激同源重组的发生。当前第9页\共有33页\编于星期五\3点位点特异性重组位点特异性重组是在专一酶的作用下，在DNA特异性序列之间进行重组。此过程往往发生在一个特定的短的（20-200bp）DNA序列内（重组位点）。噬菌体溶原途径的整合、抗体基因的重排等都是位点特异性重组。当前第10页\共有33页\编于星期五\3点位点特异性重组与同源重组的区别位点特异性重组同源重组位点同源短序列同源大片段酶、蛋白专一的酶RecA断裂特异位点随机当前第11页\共有33页\编于星期五\3点重组位点的特性每个重组位点由一对对称排列的重组酶识别序列构成，识别序列中间是一个短的不对称序列，称为交换区（crossoverregion），DNA的断裂和重新连接就发生在交换区。当前第12页\共有33页\编于星期五\3点λ噬菌体DNA的整合与切除最早研究清楚的位点特异性重组是λ噬菌体DNA在宿主染色体上的整合与切除。λ噬菌体DNA进入宿主大肠杆菌细胞后存在溶源和裂解两条途径，二者的最初过程是相同的，都要求早期基因的表达，为溶源和裂解途径的歧化做好准备。两种生活周期的选择取决于CI和Cro蛋白相互拮抗的结果。CI蛋白抑制除自身外所有噬菌体基因的转录，如果CI蛋白占优势，溶源状态就得到建立和维持。Cro蛋白抑制CI基因的转录，它占优势噬菌体即进入繁殖周期，并导致宿主细胞裂解。当前第13页\共有33页\编于星期五\3点当前第14页\共有33页\编于星期五\3点λ噬菌体的整合λ噬菌体DNA编码的λ整合酶(λintegrase,Int)能指导噬菌体DNA插入E.coli染色体DNA中。λ整合酶在λ噬菌体与宿主的两个特定位点之间催化重组的进行，这两个特异重组位点称为附着位点(att)。噬菌体的附着位点attP长度240bp，以POP’表示；细菌相应的附着位点attB只有23bp，以BOB’表示。二者含有共同的核心序列15bp（O区）。当前第15页\共有33页\编于星期五\3点当前第16页\共有33页\编于星期五\3点当前第17页\共有33页\编于星期五\3点转座重组有一种异常的重组类型，是一段DNA序列插入到另一段DNA序列中，而不依赖于序列同源性。这种使某些元件从一个位置向其他位置的移动方式是转座(transposition)。这段可以发生转座的DNA元件，称为转座子(transposon)转座中涉及的机制依赖于DNA链的切割和重接，因此与重组过程联系起来。转座重组会破坏染色体上基因的排列顺序。当前第18页\共有33页\编于星期五\3点转座子的发现20世纪40年代，美国遗传学家BarbaraMcClintock在研究玉米的遗传因子时发现，某些基因活性受到一些能在不同染色体间转移的控制因子（controllingelement）所决定。这一发现与当时传统的遗传学观点相抵触，因而不被学术界所普遍接受。60年代后期，美国青年细菌学家JamesShapiro在大肠杆菌中发现一种由插入序列所引起的多效突变，之后又在不同实验室发现一系列可转移的抗药性转座子，才重新引起人们重视。1983年McClintock被授予诺贝尔生理学与医学奖，距离她公布玉米控制因子的时间已有32年之久。当前第19页\共有33页\编于星期五\3点所有生物的基因组中均有转座子当前第20页\共有33页\编于星期五\3点转座子的特点转座子是不必借助同源序列就可以移动的片断,即转座作用与供体和受体的序列无关;原核生物和真核生物都有转座子;转座序列可沿染色体移动,甚至在不同染色体间跳跃(跳跃基因)转座子对基因组而言是一个不稳定因素，它可导致宿主序列删除、倒位或易位，并且其在基因组中成为“可移动的同源区”。位于不同位点的两个拷贝转座子之间可以发生交互重组，从而造成基因组不同形式的重排。有些转座子与基因组的关系犹如寄生，它们的功能只是为了自身的扩增与繁衍，因此被称为是自私的DNA。当前第21页\共有33页\编于星期五\3点转座子类型有三类转座因子:DNA转座子.类病毒反转录转座子和反转录病毒.聚腺苷酸反转录转座子,也称非病毒反转录转座子当前第22页\共有33页\编于星期五\3点DNA转座子DNA转座子上携带作为重组位点的DNA序列，以及参与重组的蛋白质的基因（转座酶基因）。转座子两端的重组位点以反向重复排列（25-几百bp），并且带有重组酶（转座酶，transposases；有时称整合酶，integrases）识别序列。靶重复序列（targetsiteduplications）是紧邻在转座子两端的短的重复序列（2-20bp），为正向排列；产生于重组过程。5’-CCCAGAC-3’3’-GGGTCTG-5’5’-GTCTGGG-3’3’-CAGACCC-5’5’-ATAGCCTGA-3’3’-TATCGGACT-5’5’-ATAGCCTGA-3’3’-TATCGGACT-5’当前第23页\共有33页\编于星期五\3点最简单的细菌转座子——插入序列产生于重组过程当前第24页\共有33页\编于星期五\3点靶重复序列的形成当前第25页\共有33页\编于星期五\3点转座子带有自身的转座酶的基因，除此之外也可能会携带一些其它基因（编码的蛋白质可能调控转座或为转座子或宿主细胞提供一些价值的功能）当前第26页\共有33页\编于星期五\3点转座作用的机制按转座子转座过程是否发生复制，可分为：非复制转座(nonreplicativetransposition)：又称为保留性转座(conservativetransposition)，转座子从原来位置上切除下来转入新的位置，其两条链均被保留。复制转座(replicativetransposition)：则在形成靶部位与转座子连接中间体后即进行复制。通过复制使原来位置与新的靶部位各有一个转座子。当前第27页\共有33页\编于星期五\3点复制式转座如Tn3非复制式转座如Tn10当前第28页\共有33页\编于星期五\3点类病毒反转录转座子/反转录病毒带有反向终端重复序列.反向终端重复序列嵌入在较长的正向排列的重复序列(长末端重复序列,longterminalrepeatsLTR)中；带有靶位点重复序列；类病毒反转录转座子编码两种移位所需的蛋白：转座酶和反转录酶。类病毒反转录转座子和反转录病毒的区别在于：反转录病毒的基因组被包装到病毒颗粒内，离开宿主细胞再去感染新的细胞；类病毒反转录转座子只能移位到一个新的DNA位点，不会离开宿主细胞当前第29页\共有33页\编于星期五\3点当前第30页\共有33页\编于星期五\3点聚腺苷酸反转录转座子不含终端反向重复序列；它的两端含有完全不同的序列:5‘UTR(untranslatedregion),3’UTR(untranslatedregion)和poly-A序列；两端也有短的靶重复序列（targetsiteduplications）;带有2