遗传重组的机制

关于遗传重组的机制一、遗传重组的概念和类型

1、遗传重组的概念细胞之间或DNA分子之间核苷酸片段的交换或者转移。

广义指：任何造成基因型变化的基因交流过程，包括减数分裂中染色体的随机组合、连锁互换、雌雄配子结合形成的新的基因型、细菌杂交、转导、转化、转座、整合等

狭义指：仅涉及到DNA分子断裂－愈合的基因交流过程，包括连锁互换、细菌杂交、转导、转化、转座、整合等

第2页,共52页，星期六，2024年，5月2、遗传重组的类型

1）同源重组

同源染色体间或同源序列之间某区段的交换。包括真核生生物同源区段的交换，细菌同源区段的交换

2）位点专一性重组供体DNA仅整合在受体DNA的某一位点的重组。如

噬菌体仅能重组在E.coli的生物素操纵子与半乳糖操纵子之间

3）转座重组一些DNA片段或噬菌体DNA能在大肠杆菌的质粒间、DNA间来回转移的重组第3页,共52页，星期六，2024年，5月4）异常重组指一些非法交换、不对等交换现象.如末端连接和链的滑动二、同源重组

1、同源重组的分子机制

1）杂合DNA模型1964年Holliday提出，又叫Holliday模型第一步联会同源的非姊妹染色单体间联会形成联会复合体第二步酶切内切酶分别在DNA分子上各切开一条单链第三步交换重接

第4页,共52页，星期六，2024年，5月第四步形成交联桥结构第五步分子迁移，形成Holliday结构第六步分子构型变化第七步分子绕交联桥旋转1800

第八步Hlliday中间体拆分

2）链转移模型Meslson－Radding模型1977年第一步切断内切酶切断一条链第二步链置换DNA聚合酶Ⅰ合成新链，老链被置换第5页,共52页，星期六，2024年，5月第6页,共52页，星期六，2024年，5月第三步单链侵入第四步泡的切除第五步链的同化第六步异构化第七步分子迁移

第7页,共52页，星期六，2024年，5月第8页,共52页，星期六，2024年，5月

2、遗传重组的酶学机制在遗传重组过程中，尤其在同源重组中需要recA蛋白和recBC蛋白.recA蛋白又叫重组酶、重组蛋白、X蛋白、依赖于ATP的酶。

recA蛋白由E.coli自身编码，该基因位于58分钟处，1058bp，此蛋白有353个氨基酸组成其主要作用是促进同源DNA联会，促进DNA分子间单链交换形成交联桥和Chi结构，此酶有多种特性。第9页,共52页，星期六，2024年，5月

1）单链DNA结合活性，保护单链并促进recA与单链结合

2）依赖于单链DNA的ATP酶活性3）DNA解旋活性，解开双螺旋4）NTP酶活性，能水解ATP、GTP、UTP、CTP促进联会发生5）促进互补单链复性6）蛋白酶活性和外切酶活性

recBC蛋白：在同源重组中具有核酸酶的作用、切断Holliday中中间体完成重组。此酶又叫外切核酸酶Ⅴ。在同源重组过程中例如在细菌的接合、转化、转导过程中都有此酶起作用第10页,共52页，星期六，2024年，5月3、真核生物的遗传重组真核生物遗传重组的机制和过程了解的不清楚，目前知道的联会复合体结构是遗传重组的结果，两个DNA分子在形成联会复合体前是如何接触的，还没有更多的了解。但是，在一些真菌如红色面包霉的非正常的子囊饱子的排列（5：36：2）等情况的出现与异源双链的形成与Holliday模型中的异源双链的形成和修复有关系，发生重组修复完全孢子排列正常，不正常修复则出现基因转换，它包括染色单体转换和半染色单体转换。

第11页,共52页，星期六，2024年，5月第12页,共52页，星期六，2024年，5月5：36：2不规则4：4第13页,共52页，星期六，2024年，5月5：36：2不规则4：4第14页,共52页，星期六，2024年，5月Ag+Ag+ag+ag+Ag+Ag-ag-ag-

Ag+Ag+ag+ag-Ag-Ag+ag-ag-

非重组孢子对重组孢子对，基因转变非重组孢子对非重组孢子对非重组孢子对重组孢子对，基因转变重组孢子对，基因转变非重组孢子对基因转变伴随基因重组第15页,共52页，星期六，2024年，5月GCGTACAT+/++/+-/--/-

+/++/++/+-/-+/++/-+/--/-+/++/++/--/-有丝分裂++++----++++++--+++-+---+++++---正常4：46：2不正常4：43：1：1：35：3第16页,共52页，星期六，2024年，5月

基因转换：geneconversion子囊菌的四分体中出现的基因不规则分离的现象无重组时规则分离，4：4

有重组无修复时不规则分离，3：2：1：2半染色单体转换有重组修复不完全时不规则分离，3：5半染色单体转换有重组修复完全时不规则分离，2：6染色单体转换4、细菌的同源重组

1）细菌接合过程中的重组

F＋或Hfr细菌环状DNA的两条链中的一条解开从5’开始，单链进入F细胞，进入的单链在细胞中进行复制，然后以双链形式与F－的基因组联会，以链置换的形式单链插入F－的基因组第17页,共52页，星期六，2024年，5月第18页,共52页，星期六，2024年，5月

2）细菌转化过程中的遗传重组供体DNA以双链形式感染受提细胞供体DNA以双链形式进入受体细胞与受体DNA联会供体DNA的一条单链侵入受体的DNA中与其中的一条连汇合位置被取代的部分的受体单链被降解

DNA聚合酶、联接酶作用产生部分杂合双链通过复制产生稳定的转化子

3）转导过程中的遗传重组由噬菌体携带的双链DNA进入受体细胞

DNA以双链形式与受体DNA联会局部单链侵入，取代受体的DNA片段全部侵入两次双链交换，产生重组

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5、噬菌体之间的交换重组噬菌体之间的重组属于同源重组，两个不同基因型的噬菌体的

DNA首先联会，受体DNA的一条链出现切口，供体DNA的一条部分降解，供体的一条链侵入受体中形成分支DNA，分支移位，最后形成插入式重组体和交换式重组体三、位点专一性重组

1、噬菌体attP位点的结构(POP’)235bpPOP’

GCTTTTTTATACTAA152bp核心序列15bp82bp第21页,共52页，星期六，2024年，5月

2、E.coli的attB位点结构(BOB’)att位点

galBOB’bio

4bpGCTTTTTTATACTAA4bp

3、噬菌体整合的分子机制

1）联会噬菌体进入E.coli中自动成为环状结构，以此环状结构参自身的attP区与E.coli的attB区互补联会

2)酶的结合整合酶：(Int)噬菌体的int基因编码一种DNA结合蛋白，此酶对POP’有强的亲和力，对BOB’也有合力，具有拓扑异构酶Ⅰ的活性，即可以DNA切断再连起来。整合寄主因子：(IHF)由E.coli编码的一种结合蛋第22页,共52页，星期六，2024年，5月

蛋白，对attP位点有强的亲和力。Int.IHF二者结合在供体和受体DNA的互补处

3）酶切整合酶在一条链的+4位，另一条链的-2位切开attB和

attP，形成参差不齐的5’单链末端，5’-OH3’-P4)重接切开后瞬间DNA分子发生旋转，又在整合酶作用下使断口处连起来。重新连接时断头与断头之间发生错接导致噬菌体整合到E.coli的基因组中噬菌体细菌Int.IHF原噬菌体

POP’(attP)+BOB‘’(attB)BOP’(attL)+POB’(aatR)Int.IHF.Xis

在Int.IHF作用下完成整合作用，但在切离时除Int.IHF参与，还需噬菌体编码的切除酶（Xis)，在整合过程中没有DNA的分解也没有DNA的合成。第23页,共52页，星期六，2024年，5月第24页,共52页，星期六，2024年，5月第25页,共52页，星期六，2024年，5月

四、异常重组

不需要DNA同源序列或彼此同源性很小，重组蛋白、转座酶的重组，是最原始的重组途径，也是基因组进化的重要途径。这种途径可能和癌症发生、遗传性疾病、基因组进化有关，重组的结果导致移码、缺失、倒位、融合、DNA的扩增

1、末端连接指染色体断裂——融合——桥的循环的过程。有断裂末端的两条染色单体能够复制、并且，两个断端可以融合一个双着丝粒的染色单体，该染色单体在减数分裂中断裂又产生短端，短端又可以融合，产生新的双着丝粒染色单体，下次减数分裂时又断裂

2、链的滑动在含有正向重复序列较多的DNA分子或染色体之间发生的模版链与新合成链间的错配第26页,共52页，星期六，2024年，5月五、转座Transposition

转座：遗传因子改变自身位置的行为转座因子：Transposableelement可移动位置的遗传因子的总称转座子：Transposon转座因子的一种类型

1、转座的类型、机制和遗传效应

1）转座的类型复制型转座供体上的转座子被复制，转座后供体上仍存在转座子，需转座酶、解离酶非复制型转座供体上的转座子先释放出来、然后转到受体后供体上不再存在转座子，只需转座酶供体被破坏或被修复保守型转座供体上的转座子不释放，供体与受体接触，然后转座子转到受体中去第27页,共52页，星期六，2024年，5月第28页,共52页，星期六，2024年，5月

2）转座的机制切开供体含有Tn3转座子，其Tn3的转座酶可以识别受体质粒上的靶序列，在靶序列两侧各一条单链上切一切口，转座酶还可以识别自身两边的反向重复序列并在3端’切开连接供体与受体结合成为共联体，使供体切下IS或Tn3

反向重复序列末端和受体粘性末端以共价键齐头相连，形成两个缺口复制由DNA聚合酶修补复制补上缺口，由连接酶连接，使在IS两端形成两个正向重复序列重组在特定位点进行重组，结果是共联体分成两部分，一部分含有原有的转座子，一部分插入了转座子第29页,共52页，星期六，2024年，5月第30页,共52页，星期六，2024年，5月

3）转座的结果：转座后原来位置上的转座子保持不变、新的位置上出现转座子、新位置上的转座子两侧出现正向重复序、既靶位点加倍

4）转座的遗传效应

A、引起插入突变，如果在操纵子上游则引起极性突变

B、插入位上出现新基因

C、增加同源序列的整合，

D、准确切离引起回复突变

E、不准确切离引起染色体畸变

F、改变染色体结构，转入后促使染色体缺失、倒位

G、调节某一基因的活动

H、转座子可带入新的基因引起变异，利于进化

第31页,共52页，星期六，2024年，5月2、真核生物的转座因子

1）玉米的Ac－Ds系统指玉米细胞中可移动位置的两个相互作用的因子构成的系统。Ac:激活因子Ds:解离因子DsCDsCC

有色无色有色第32页,共52页，星期六，2024年，5月

C为有色基因，位于玉米的号染色体上，只要C存在即为有色破坏了C基因即为无色，Ds基因也位于号染色体上，它可以移动位置到C基因的近旁或插入C基因中，破坏C的作用，它还可从C基因中或近旁再脱离出来，而使C基因又恢复活性，因此，

Ds基因叫做：跳跃基因。但是，Ds基因的活动受位于号染色体上的Ac基因的控制，Ac基因形成一种扩散物质作用于Ds基因，转位、脱离的来回循环形成了玉米的斑点。

Ac的组成：4500bp,反向终端重复序列11bp×2,转座酶基因1个，定位酶基因1个，非编码区3个（黑色区）

Ds-a的组成：仅缺失转座酶序列中的149bp，所以自身不能转座

Ds-b的组成：转座酶中心区段缺失2522bpDs-c的组成：仅保留了两个终端重复序列和一小部分非编码区第33页,共52页，星期六，2024年，5月第34页,共52页，星期六，2024年，5月

2）酵母的Ty成分指与非重复序列相间而散在分布的重复DNA序列

ENH334bp334bpORF1ORF2

Ty成分长6.3Kb,长末端重复2个，增强子1个，开放阅读框2

个，可以转录成1个mRNA,形成2种蛋白质。每个细胞中可有

30-35个。Ty转座是DNARNADNA转座逆转录的DNA才开始转座，此现象叫做返座：指有RNA介导的转座作用。返座子：retroposons被返座的遗传因子

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3）果蝇的转座子

P因子的发现：在黑腹果蝇中有P、M两个品系，当P雌×P雄、M雌×M雄、P雌×M雄、杂交时F1代均为正常，但是当P雄×M雌杂交，F1代却为杂种劣育表现发育不全、分离比异常、减数分裂异常、染色体畸变、高突变率等。进一步研究发现此雄性果蝇品系体细胞中有导致杂种劣育的因子—P因子

F1劣育的原因:因为在F1的生殖细胞中的P因子能编码转座酶,

使P因子转座,频繁转座使生殖腺细胞中的许多基因失活,DNA重排,下代生殖障碍劣育。为什麽M雄、M雌品系为正常呢？因为此二品系中不存在P因子第36页,共52页，星期六，2024年，5月

为什麽P雄、P雌为正常呢？因为二者的细胞质内存在转座阻碍蛋白，使转座不能发生。♀P×P♂♀P×M♂♀M×M♂

正常正常正常核中有P因子，质核中有P因子，质核中无P因子，质中有转座阻碍蛋白中有转座阻碍蛋白中无转座阻碍蛋白核中有P因子♂P×M♀F1劣育质中无转座阻碍蛋白导致频繁转座第37页,共52页，星期六，2024年，5月

P因子的结构；2907bp、反向重复序列2个（31bp)、

4个编码区（0、1、2、3），3个内含子（1、2、3）内1内2内3

反重外0外1外2外3反重体细胞中只有内含子1、2能被顺利切除，产生包括外显子0、1、2的功能型mRNA,编码转座阻碍蛋白。生殖细胞中内含子1、2、3都被切除，产生包括外显子0、1、2、3的成熟mRNA,编码转座酶。果蝇还有Copia412279TipFB等因子。

3、原核生物的转座因子

1）插入序列(InsertedsequenceIS)

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插入序列本身没有任何表型效应，只带有与转座有关的转座酶基因，是一类较小的转座因子，可以从染色体的一个位置转到另一个位置，可以从质粒转到染色体上，在E.coli的染色体上和质粒上都有插入序列，通过这些同源序列的间的重组，F质粒插入染色体上形成Hfr菌株。插入序列有IS1、IS2、IS

3‥‥‥IS11等十余种，长度在768—5700bp之间，共同特征是都有一个转座酶基因，两端有两个反向重复序列，在细胞中的拷贝数不等。反向重转座酶基因反向重复序列复序列第39页,共52页，星期六，2024年，5月

第40页,共52页，星期六，2024年，5月大小在2086（Tn1681）~205000（Tn4）之间，两端有顺向或反向重复序列，这些重复序列有些就是IS（复合型转座子），有些不是IS（称TnA族）。两端反向重复序列与转座功能密切相关。如Tn3:有两个反向重复序列，一个转座酶基因tnpA,一个氨卞青霉素抗性基因ampr一个阻遏蛋白基因tnpRAmprTn3第41页,共52页，星期六，2024年，5月2）转座子(transposonTn)

是一类较大的、除了含有与转座有关的基因外，还含有抗要基因以及其它基因的转座因子。因此，又叫复合转座子

Tn有许多种类型，表示为：Tn1、Tn2、Tn3等。

第42页,共52页，星期六，2024年，5月第43页,共52页，星期六，2024年，5月

3)转座噬菌体是能插入大肠杆菌DNA上的任何位置的一类温和噬菌体。又叫

Mu噬菌体、增变噬菌体，（mutatorphage).游离的mu噬菌体与插入的Mu噬菌体在结构上一样，两端无粘性末端，插入基因引起基因突变，整合方式与噬菌体不同，因此，化入转座因子。37000bp的线形DNA分子，

5bpCABSUgin5bp5bp重复序列CAB与转座有关基因S蛋白、U蛋白基因gin使G片段倒位的基因G第44页,共52页，星期六，2024年，5月

第45页,共52页，星期六，2024年，5月转座因子的遗传学效应：（１）引起插入突变。（２）插入位置上出现新的基因。（３）造成插入位置上出现受体ＤＮＡ的少数核苷酸对的重复。第46页,共52页，星期六，2024年，5月六、反转座和反转座子

从DNADNA的过程叫转座从DNARNADNA的过程叫反转座。又称：返座在转座过程中来回转移的因子叫转座子或转座因子。在反转座程中来回转移的因子叫反转座子或返座子。

1、病毒类反转座子

1）反转录