基因结构及其重组机理课件

第十二章基因结构及其重组机理目录第一节基因结构与功能一、重组测验二、互补测验三、断裂基因与重叠基因四、基因功能第二节同源重组一、同源重组二、基因转变三、同源重组机理第三节位点专一性重组一、λ噬菌体整合与切除二、专一性重组序列第四节异常重组一、原核生物转座子二、玉米转座子基因是功能、突变及交换的基本单位(Morgan)。基因内结构和功能否再细分？一、重组测验(recombinationtest)(一)、拟等位基因（pseudoallele）Wb+

Wb+杏红+W

Wb+杏红WbW

Wb+杏红++

Wb+红眼99.9%0.1%Wb+

Wb+杏红

+WY白眼Wb+

+W杏红

Wb

+Y杏红以往认为果蝇红.杏红.粉红.伊红.牙白和白眼分别W+.Wa.Wb.Wc.Wd.W基因控制,是等位基因。但该杂交组合F2中99.9%为杏红眼，但有0.1%例外,为红眼。1、果蝇眼睛色泽杂交实验第一节基因结构与功能一、重组测验(recombinationtest)(一)、拟等位基因（pseudoallele）2、拟等位基因提出①F1全为杏红,说明Wb对W是显性，是等位基因(基因不互补)。②F2红眼占0.1%，说明Wb与W之间发生了基因交换，则它们不是等位基因。③Wb与W不是等位也不是非等位基因，命名为拟等位基因。Wb+

Wb+杏红+W

Wb+杏红WbW

Wb+杏红++

Wb+红眼99.9%0.1%Wb+

Wb+杏红

+WY白眼Wb+

+W杏红

Wb

+Y杏红第一节基因结构与功能一、重组测验(recombinationtest)(一)、拟等位基因（pseudoallele）3、拟等位基因及其遗传效应①基因内不同位点间有结构或排列差异的基因称拟等位基因②基因内片段排列方式差异能产生基因功能差异。如图1wb与w顺排时为红眼；图2wb与w反排时为杏红眼顺式排列(cis)：野生型基因排在同一染色体上；反式排列(trans)：显隐性基因在同一染色体上。++

WbW红眼trans+W

Wb+杏红cis第一节基因结构与功能(二)、重组测验（recombinationtest）一、重组测验(recombinationtest)1、双重感染——研究基因内结构差异Benzer，T4phagerⅡ区，3000多个突变体.是等位、非等位还是拟等位基因？发明了基因内精细结构及遗传距离的研究方法——双重感染测验法。突变体不能感染E.coliK株,但能感染E.coliB株.成对感染E.coliB株能产生野生型重组子，再感染K株能测定重组率大小，称双重感染(doublefenction)

第一节基因结构与功能4、rⅡ区突变体测定结果(二)、重组测验（recombinationtest）一、重组测验(recombinationtest)Benzer用该方法测定了T4phagerⅡ区有3000多个突变体，定位了3000多个基因。第一节基因结构与功能二、互补测验（complementationtest）(一)、互补测验——研究基因内基因的功能差异在不允许基因交换的背景下(如rⅡ区突变体成对到K株)测定突变体间能否产生野生型.产生野生型说明该对突变体遗传功能互补，不产生野生型说明该对突变体遗传功能不互补,称互补测验。E.coliK株r104++r47r104与r47成对感染K,无菌斑.遗传功能不互补E.coliK株r102++r47r102与r47成对感染K,有菌斑.遗传功能互补第一节基因结构与功能二、互补测验（complementationtest）(二)rⅡ区互补测验结果第一节基因结构与功能Benzer用该方法，将rⅡ区3000多个突变位点(突变体)共分为A、B二个基因功能单位(基因功能差异)，r47-r106为A基因，r51-r102为B基因。A基因内有1000多个小基因是同一个基因功能单位,B基因也是如此二、互补测验（complementationtest）(三)、顺反子（cistron）1、同一遗传功能内的小基因间有顺反位置效应r47与r104同为A基因功能区内的小基因,反排基因功能不互补,K株中无菌斑，但成对感染B株后,基因呈顺排,K株中有菌斑。从而可见:同一遗传功能内的小基因间顺反式排列的结构差异导致基因功能差异。r104++r47E.coliB株E.coliK株++r104r47r104++r47E.coliK株等位基因内基因有顺反位置效应第一节基因结构与功能二、互补测验（complementationtest）(三)、顺反子（cistron）2、不同遗传功能的小基因间没有顺反位置效应r47与r102为A、B基因功能区间的小基因,感染B株后，顺排时有菌斑，功能互补；直接感染K株反排时,有菌斑功能也互补。从而可见，不同遗传功能的小基因间没有顺反位置效应。r102++r47E.coliB株E.coliK株++r104r47r104++r47E.coliK株非等位基因间没有顺反位置效应第一节基因结构与功能二、互补测验（complementationtest）(三)、顺反子（cistron）3、顺反子定义顺反排列结构差异能产生遗传功能差异区间，称为顺反子。顺反排列能产生不同遗传功能的区间为同一个顺反子，如同在A基因内的2个突变基因。顺反排列没有遗传功差异的区间为不同的顺反子，如分别在A、B基因间的2个突变基因。一个顺反子就是一个基因，是基因的同义词。2个突变基因在A基因内2个突变基因在AB基因间第一节基因结构与功能(四)、突变子与重组子（mutonandrecon）二、互补测验（complementationtest）1、突变子产生非野生型突变的区间称突变子，突变最小单位rⅡ区A基因内有rⅡ47、rⅡ104、rⅡ101……rⅡ1061000多个突变体，1000多个突变位点位于一个A基因内，每个突变位点为一个muton。是突变的最小单位。第一节基因结构与功能(四)、突变子与重组子（mutonandrecon）二、互补测验（complementationtest）2、重组子能交换产生野生型的区间称交换子，交换最小单位rⅡA基因内rⅡ47与rⅡ104、rⅡ101、…rⅡ106之间能交换产生野生型，A基因内每个交换重组的区间就是一个recon。是交换的最小单位。第一节基因结构与功能三、断裂基因与重叠基因（splitandoverlappinggene）(一)、外显子与内含子(extronandintron)1、断裂基因结构基因内的间隔序列。Chambon(法),1977年,首次发现猴病毒SV40DNA间隔序列，打破了结构基因为连续DNA片段的观念，是真核生物普遍现象。如兔血清蛋白β4与β3间断裂。第一节基因结构与功能三、断裂基因与重叠基因(一)、外显子与内含子(extronandintron)2、内含子(intron)DNA上不能与mRNA配对的区间称内含子。鸡输卵管卵清蛋白mRNA与其DNA分子杂交，mRNA比DNA短许多，没有配对部分就向外拱呈7个环状，称7个内含子。3、外显子(extron)DNA上与mRNA能配对的区段。即没有拱起来的区段，称外显子，是结构基因表达模板。第一节基因结构与功能(二)、重叠基因（overlappinggene）三、断裂基因与重叠基因1.概念多个基因共用同一段DNA序列phageфX174核苷酸：5258个gene：9个氨基酸：2000个欠614个核苷酸是B被包含在A基因内,E基因被包含在D基因内出现基因重叠。2.Sanger发现了重叠基因(1978)第一节基因结构与功能四、一个基因一种酶Beadle，脉孢菌，1941，精氨酸合成前体

鸟氨酸

瓜氨酸

精氨酸鸟氨酸精氨甲酰酶精氨琥珀酸合成酶精氨琥珀酸裂解酶突变品系基本需要添加的酶培养基鸟氨酸瓜氨酸精氨酸精氨酸突变arg－－－＋瓜氨酸突变cit－

－＋＋鸟氨酸突变orn－

＋＋＋鸟氨酸基因突变后需添加3种酶,瓜氨酸基因突变后需添加2种酶，精氨酸突变仅添加1种酶。第一节基因结构与功能1、Mendel基因：颗粒因子互不粘染，彼此独立；2、Morgan基因：交换、突变、功能的最小单位；3、Beadle基因：通过蛋白质控制性状表达；4、Benzer顺反子：遗传功能最小单位；交换子：基因交换最小单位；突变子：基因突变最小单位。5、Waston、Crick基因：DNA片断、特定碱基序列。五、基因概念及其发展第一节基因结构与功能五、基因概念及其发展6、Jacob基因：操纵调控表达系统，有调控、启动、操纵基因和结构基因的系统。7、Chambon基因：内含子使结构基因断裂。8、Meclintodk基因：能从某染色体或位点转到另一条染色体或位点上，称转座基因。9、Berg基因：供体基因能与载体基因组拼接，受体中表达DNA片段。10、基因组基因：基因组内表现出功能、结构和内在联系的DNA片段。第一节基因结构与功能第二节同源重组一、同源重组(homologousrecombination)特点1、需要依赖蛋白质参与(RecA、RecBC蛋白)；2、同源序列重组，特异性不强；有重组热点；3、真核生物染色质的状态会影响重组频率。(一)同源重组概念及其特点依赖DNA同源序列联会，对等交换的重组。RecA、RecBRecC蛋白一、同源重组(homologousrecombination)(二)断裂愈合模型(breakagejoiningmodel)1937，Darlington，细胞染色体水平揭示机理同源染色体联会引力与姊妹染色单体斥力维持联会平衡。但非姊妹染色单体间缠绕产生的张力只能靠单体断裂消除，从而断裂愈合产生重组。重氮标记λDNA后剃度离心能产生众多重量不等的DNA片段。λ-DNA断裂重接标记实验非姊妹染色单体的交换第二节同源重组该模型能解释大量正常分离重组的原因，但不能揭示生物发生异常分离重组分离和细菌环状染色体重组的机理。二、基因转变(geneconversion)粪壳菌1940Olive等人野生型g+黑色突变型g-灰色g+×g-→F120万个子囊中5:3分离的有100个;3:1:1:3的有36个,异常分离的共有236个。正常分离199764/2000006:2异常分离100/200000++++gggg++++++gg++gg++gg+++++ggg+++g+ggg++gg++gg5:3异常分离100/2000003:1:1:3异常分离36/200000(一)异常分离(abnormalsegregations)实验第二节同源重组二、基因转变(geneconversion)(二)基因转变概念及原因

第二节同源重组1.概念单方为对方提供DNA片断，使对方转变成另一等位基因形式，称为基因转变g+单体为g单体提供片段的基因转变，呈6:2分离仅g+半单体为g单体提供片段的基因转变,呈5:3分离二、基因转变(geneconversion)(二)基因转变概念及时期

2.时期第二节同源重组基因转变发生在减数后的有丝分裂过程中。因该时期发生染色单体片段转变称减数后分离(postmeioticsegreation)。24年后Holliday解释了基因转变的原因。(一)Holliday模型19641.内切酶切断酯键形成断口2.连接酶形成cross-bridge3.交联桥迁移产生G/A,C/T4.十字构型，并异构5.两方式切割一半完整，一半杂合双链，杂种DNA分子6.杂合双链G/A、T/C碱基对不匹配7.修补复制时，多方式校正产生异常分离三、同源重组机理第二节同源重组(二)Holliday模型与异常分离不匹配G/A异源双连GCGACTAT杂种分子均不校正产生3：1：1：3异常分离一杂种分子校正到+产生5：3异常分离G+C+G+C+C

+TgAgTgG+C+G+AgC+TgAgTg杂种分子均正确校正产生4：4正常分离杂种分子均校正为+产生6：2异常分离G+C+G+C+AgTgAgTgG+C+G+C+C+G+AgTg杂合双链区不同校正方式产生不同分离比。全亲型校正4：4分离全不校正3:1:1:3分离全野生型校正6：2分离半野生型校正5：3分离三、同源重组机理第二节同源重组Holliday认为环状DNA分子旋转形成“8”字型结构3种切割产生3种结果2.4切开形成双亲本环1.3切开产生重组1.2切开产生重组，且滚环结构呈“χ”结构Chistructur三、同源重组机理(三)Holliday模型与环状DNA重组第二节同源重组GCGACTAT第3个分子校正为+产生3：1：2：2分离杂合双链中第2个分子校正到+的表型为三型子囊；第3个分子校正到+的表型为四型子囊G+C+G+A

gC+G+AgTg第2个分子校正为+产生5：3分离第2个分子校正为g产生2:2:1：3分离G+C+G+C

+C+TgAgTgG+C+TgAgC+TgAgTg①杂合双链中第2个分子校正到+出现三型子子囊与第3个分子校正到+出现四型子囊的数目理论上等数，但实验结果不等。②杂合双链中同一分子校正到+或-产生三、四型子囊应该等数，但实验结果不等。三、四型分别为24-35%、2-3%(四)Holliday模型的矛盾三、同源重组机理第二节同源重组(五)Meselson-Radding模型1975三、同源重组机理第二节同源重组11年后Holliday模型矛盾解决⑴切断骨架：产生单链切口⑵链置换：3`延伸挤出老链⑶单链入侵：老链与上单体链联会，出现G/A单链泡，得三型子囊⑷泡切除：延伸后切除单链泡，获得三型子囊⑸吸收碎片链同化，获得三型子囊⑹异构，AT与GA扭曲得四型子囊⑺分支迁移，仍然产生四型子囊1-7步过程中都有可能中断。所以，三型早而多，四型迟而少。形成三型子囊四型子囊1-3，2-4扭曲GCGCATATATGCGAATGAGCATAT1235467(六)极化子与负干涉三、同源重组机理1.极化子(polaron)基因转变频率从切点端开始向远端递减的现象称为极化；该基因转变频率递减的区间称为极化子。2.负干涉(negativeterference)相临很近的基因受极化影响，双交换实际频率比理论频率还高的现象，称为负干涉。Chistructur基因转变频率递减区间第二节同源重组四、细菌同源重组机理(一)转化与接合重组机制转化：DNA片段与细菌DNA之间联会、断裂、迁移、错接产生重组。切除外源DNA无重组，切除受体DNA有重组接合：授供体细菌DNA之间联会、断裂、迁移、错接，产生重组。需要RecA和RecBC参与(二)转导重组机制

细菌与DNA之间联会、断裂、迁移、错接，产生重组。第二节同源重组第三节位点专一性重组一、位点专一性重组(sitespecificrecombination)(二)特点1、依赖位点专一性蛋白质因子2、特定整合位点，需有15bp以上同源序列3、精确断裂、连接，发生不对等交换(一)概念依赖位点专一性蛋白在小范围同源序列中不对等交换重组。bio基因gal基因λ-DNA特定附着位点attPEcoli特定附着位点attB第三节位点专一性重组二、噬菌体整合与切除(一)λ-DNA对E.coli的整合POP’+BOB’→BOP’-POB’

P表示噬菌体附着位点O表示同源核心序列B表示细菌附着位点①需整合酶(Int,拓扑异构酶)②需整合宿主因子(IHF)(二)λ-DNA从E.coli的切离BOP’-POB’→POP’+BOB’①需要整合酶(Int)②需整合宿主因子(IHF)③需切除酶(Xis)参与E.Coli特定附着位点attP，在bio与gal基因之间，Int各断开1单链，旋转，交换，连接，形成Holliday，另两条单链间同样重组E.Coli的attB有BOB’3个序列λ-DNA的attP有POP’3个序列P附着位点(attP)attachmentsiteP第三节位点专一性重组二、噬菌体的整合和切除(三)核心序列结构与识别1.λ-DNAPOP’240bp核心序列O：15bp，富含A-T，非对称序列左序列P：160bp,-160~0右序列P’：80bp，0~802.E.Coli的BOB’23bp左序列B：-11~0右序列B’：0~11核心序列O同λO3.POP’与BOB’相互识别(attP)核心序列与B(attB)相互识别第四节异常重组一、异常重组(illegitimaterecombination)(一)概念依赖DNA复制完成重组，不依赖序列同源(二)特点1、依赖转座区域DNA复制完成重组2、需要转座酶3、不依赖序列同源DS基因从中间位置转到C基因内第四节异常重组二、原核生物转座子(一)插入序列(IS，insertedsequence)1.插入序列携有转座酶基因、两端有反向重复序列的简单转座因子称插入序列。eg.E.coli中的IS1……IS11。能高频转座。２.插入序列突变的特点①突变体单链有颈环结构，即反向重复序列；②突变体DNA比野生型密度梯度大，增加了一段DNA；③不能核酸置换回复,非点突变④可自然回复，不是缺失第四节异常重组二、原核生物转座子(二)转座子(Tn,transposon)携有转座酶、抗性或其它基因，两端有反向重复序列(IS)的细菌,能高频转座。如YeastTn1……Tn9。Tn3：携有tnpA、tnpR、ampR基因，两端有38bpIRTn9：携有camR(氯霉素抗性)基因，末端有23bpIRTn9第四节异常重组二、原核生物转座子(三)转座噬菌体(mutatorphage)携有tnpA、tnpB基因，末端有E.coliDNA反向重复序列的噬菌体。能高频转座。如res转座噬菌体。转座噬菌体第四节异常重组二、原核生物转座子(四)转座机制Sharpiro1979１.识别切单口转座酶识别靶序列，切开单链形成粘性末端２.供授体连接供、受体形成共联体，留下缺口３.转座序列复制聚合酶补齐缺口，连接成完整的共联体，有１重复序列４.断裂重组，完成转座重组，共联体分离。留下原转座子；靶序列上插入转座子，两端有同向重复序列转座酶识别靶序列切开单链形成粘性末端供受体形成共联体转座序列复制断裂重组共联体分离第四节异常重组三、真核生物转座子(一)玉米转座子1、转座子的提出

1951，McClintock，首创跳跃基因(jumpinggene)和玉米胚乳色泽基因转座(Transposition)新概念。玉米胚乳色泽(无.有.斑色)原认为是9号染色体上抑制基因I对胚乳色素基因C的抑制作用。但McClintock研究证明：是转座基因作用的结果。第四节异常重组三、真核生物转座因子玉米胚乳色泽受基础色泽基因C、激活因子(activator,AC)和解离因子(dissocator,DS)三个基因控制，不在同一染色体上。AC产生活性物激活DS，跳入C时胚乳无色，跳开C时胚乳有色，频繁地跳入跳出胚乳呈花斑。AC丢失后，DS不再跳跃胚乳呈无色或有色；增加AC，DS跳跃频率增加，胚乳色泽斑点由大变小。2、DS-AC转座系统(一)玉米转座子第四节异常重组三、真核生物转座因子⑴转座子包括2个部分：AC+DS⑵AC结构比较稳定：4.5kb⑶DS转座酶结构不稳定。已发现多个系统：①4000bp正常②149bp缺失③2522bp缺失④405bp缺失3、DS-AC转座序列的特点(一)玉米转座子第12章基因结构及其重组机理一、作业：P下18619二、复习题（一）名词注释1.pseudoallele6.jumpinggene2.recombinationtest7.cistron3.complementationtest8.muton4.overlappinggene9.recon5.intron10.extron（二）填空1、人类的苯丙酮尿症(PKU)是苯丙氨酸→A→酪氨酸→B→CO2+H2O生化反应中A阶段酶的失活所致，而尿黑酸症(AKU)是B阶段酶的失活所致，一个PKU患者和一个AKU患者结婚，他们的孩子表型是（），基因是（）。2、基因内不同位点间有结构差异的基因称为拟等位基因，基因内不同的基因排列方式称为（）差异，顺反位置效应称为（）差异。3、T4phage突变体成对感染E.coliB株后代再感染K株测定重组率的方法称为（），它是基因内精细结构及遗传距离的研究方法，通常称为（）。4、在不允许基因交换的背景下，用成对的突变体混合接种测定成对基因否遗传功能互补的实验方法称为（），成对的突变体在该遗传背景下能产生野生型说明它们（）5、反式排列遗传功能不能互补的基因称（），遗传功能能够互补的基因称为（）6、多个基因共有同一个DNA序列的基因称为（）基因，结构基因内的间隔序列称为（）基因。7、DNA上能与mRNA相应配对的区段称为（），不能与mRNA相应配对的区段称为（）。1.homologousrecombination7.insertedsequence2.breakagejoiningmodel8.transposon3.geneconversion9.mutatorphage4.abnormalsegregations10.Transposition5.sitespecificrecombination6.illegitimaterecombination（三）选择填空1、两个白化人结婚生育了一个正常的孩子，最大可能的原因是（）。a、胚系突变；b、双亲不同突变位点互补；c、基因交换重组；d、基因转座重组2、r47与r104成对感染B株后再感染K株产生野生型，而直接感染K株不产生野生型，这是因为r47与r104（）。a、遗传