第六章遗传重组

第六章遗传重组

染色体的遗传差异主要由两种 机制产生，一种是突变，一种是遗传重组。 • 损伤修复、适应环境、加速进化

遗传重组：指遗传物质的重新组合，其共有的特征是DNA双螺旋之间的遗传物质发生交换。遗传重组的存在确保了遗传物质代与代之间基因组的重排，从而形成一个物种内部个体之间的遗传差异。遗传重组：指遗传物质的重新组合，其共有的特征是DNA双螺旋之间的遗传物质发生交换。遗传重组的存在确保了遗传物质代与代之间基因组的重排，从而形成一个物种内部个体之间的遗传差异。 • 只要有DNA，就会发生重组。 • 重组不只是在减数分裂和体细胞核基因中发生，也在线粒体基因间和叶绿体基因间发生。

重组可分为四类（DNA序列、蛋白质因子）

第一节同源重组

一、概念和特征 1、同源重组（homologous recombination）: 指联会（配对）的DNA同源序列之间相互交换对等部分的过程。 2、特征： ◘ 涉及同源序列间的联会配对，且交换的片段较大 ◘ 存在重组热点 ◘ 需要重组酶，酶可以利用任何一对同源序列为底物 ◘ 同源区越长越有利于同源重组的发生

细线期 ◘ e.g. 真核生物减数分裂时的染色单体之间的交换。细菌的转化，转导，接合，噬菌体重组。合线期粗线期双线期终变期

双倍体染色体交换

二、进行同源重组的基本条件 （1）发生同源性重组的两个区域的核苷酸序列必须是相同或非常相似的。 • 同源性重组常常只发生在两个DNA分子中的相同部位。

（2）双链DNA分子之间互补碱基进行配对 • 两个DNA分子的链之间互补的碱基配对确保重组只发生在同样的基因座之间。 • 在该部位两个双链DNA分子通过链之间互补的碱基配对被维系在一起称为联会。

（3）重组酶 • 参与重组反应的酶保证重组的顺利进行。 • 重组过程中，每个分子的链首先断裂，然后进行修复和连接，两个DNA分子之间发生交换;重组完成后，重组分子的解离和释放等过程均是在酶催化下进行的。

（4）异源双链区的形成 • 同源性重组时，在两个DNA分子之间互补碱基配对的区域称为异源双链区（heteroduplex region）。

三、同源性重组的分子模型 • 第一个被广泛接受的重组模型是1964年由Robin Holliday提出的Holliday模型。 • 即将发生重组的两个DNA分子同一个部位的两个单链的断裂，从而引发重组。 • 两个断裂单链的游离端彼此交换，形成两个异源双链，然后末端连接形成Holliday连接体（Holliday Junction）。

Holliday中间体 分支迁移

一旦Holliday连接体形成后，它能进行重排从而改变链的彼此关系。这种重排称为异构化，因为在此过程中没有键的割裂。一旦Holliday连接体形成后，它能进行重排从而改变链的彼此关系。这种重排称为异构化，因为在此过程中没有键的割裂。 • 一旦形成Holliday连接体后，就能被拆分。

Holliday结构形成的分子机制 • 双链侵入模型(前面已介绍） • 单链侵入模型 • 双链断裂修复模型等

3 5 5 3 单链入侵模型，即Meselson-Radding模型 Loop泡的切除切断 3 5 吸收碎链链置换链同化单链侵入分支迁移

双链断裂修复模型

Holliday的异构化 Holliday结构一经生成即可不断地处于异构化

Holliday中间体的拆分

Holliday模型

异源双链区的修复，发生基因转换

粪生粪壳菌的基因转变现象 G 黑色 + C T 灰色 g A

环状DNA分子的重组过程

第二节位点专一性重组 • 位点特异性重组发生在特殊序列对之间，这一重组型式最早是在λ噬菌体的遗传学研究中发现的。 • λ噬菌体有两种存在型式：裂解状态和溶源状态。两种类型间的转换是通过位点特异性重组实现的。

一、位点专一性重组 （ site-specific recombination） 1、概念发生在专一序列而顺序极少相同的DNA分子间的重组。 2、特征：不丢失或合成DNA，只是发生DNA的整合。需要位点专一性的蛋白因子参与催化过程。

二、λ噬菌体DNA的整合与切除 • 为了进入溶源状态，游离的 DNA必须整合（intergrate）到细菌DNA中去；而为了从溶源状态向裂解状态转化，原噬菌体DNA则必须从细菌染色体DNA上切除（excise）。 • 整合和切除均通过细菌DNA 和λDNA上特定位点—附着点（attachment site，att）之间的重组而实现。

细菌染色体上的附着点（attλ）称为attB，含有B、O、和B’三个序列（BOB’），长度约25bp。 • 突变后可以阻止λDNA的整合。 O序列

λ噬菌体的附着位点称attP，由P、O和P ’三个序列组成，长度约为240bp。其中O序列是attB 和attP所共有的，序列完全一致，称核心序列（core sequence）。是位点特异性重组发生的地方。 O序列

噬菌体的整合和切除 1. λ-DNA对E.coli的整合： 2. λ-DNA从E.coli的切离： Int + BOP’—POB’ （原噬菌体） POP’ （噬菌体） BOB’ （细菌） IHF Int，Xis + POP’ （噬菌体） BOB’ （细菌） BOP’—POB’ （原噬菌体） IHF

3、整合过程 ◘ 整合后的附着位点为 attL（BOP’） attR（POB’） ◘ 整合位点---attB、attP 切除位点---attL、attR ◘ 整合过程需要Int 和IHF共同作用

4、λ噬菌体DNA的整合机制 • λDNA的整合涉及到attB 和attP的核心序列DNA链的割裂和重接，重组交换位点相距7bp。 • 首先在attB 和attP位点上产生同样的交错切口，形成了5’-OH和3’-P的末端。两个核心区的断裂完全相同，连接过程不需要任何新DNA的合成。 • 在整合反应中，互补的单链末端交互杂和、连接并完成整合过程。

int IHF Xis

◘ 整合体及其作用 整合体（intasome）--- Int和IHF结合到attP时的复合物 ◘ 整合体捕获attB 说明----- a、attB和attP的最初识别靠Int 识别两序列的能力 b、两序列的同源性在链交换时为重要因素

◘ Int蛋白能切断DNA，并使它重新连接，进而使holliday结构拆分 ◘ 重组时attP和attB部位交叉断裂，互补单链末端进行交叉杂交

第三节转座重组

一、转座子概述 1、概念可以直接从基因组的一个位点移到另一个位点，进而影响到与之相关基因功能的遗传因子。 • 2、发现和发展 • A. Emerson 1936 Marcus . M. Rhoabes • 玉米果皮、糊粉层花斑突变 • 1947 冷泉港实验室（美） Barbara McClintock • 玉米籽粒糊粉层色素不稳定遗传机理

3、转座重组的特点 • 不依赖供体序列与靶位点间序列的同源性，发生于非同源序列之间。 • 依赖于转座区域DNA的复制和转座酶的催化。 • 转座插入的靶位点并非完全随机（插入专一型）。 • 某些转座因子（Tn3）对同类转座因子的插入具有排他性。 • 转座子的切除与转座将产生复杂的遗传学效应。

二、原核生物转座子种类 简单转座子（插入序列，insertion sequence，IS ）复合转座子共同特征： a）两端有20～40bp的反向重复序列（IR） b）具有编码转座酶（transposase）的基因 1、插入序列最简单，是细菌染色体、质粒和某些噬菌体的正常组分命名： IS＋编号（鉴定类型）长度 700～2000bp

两端IR为转座酶的识别位点

2 kb 25 kb Tn3 IR TnpA Res TnpR AmpR IR 38bp 38bp 转座酶 regulator β- 内酰胺酶 2、复合转座子大小 Tn / TnA family l 具有IR、转座酶基因、调节基因（解离酶）、抗抗生素基因 lTn1 (AmpR) Tn2 (AmpR) Tn3 (AmpR) Tn4 (AmpR StrR) Tn5 (KanR) Tn6 (kanR) Tn7 (StrR TmpR) Tn9 (CamR) Tn10 (TetR)

特点： 插入靶位点后会出现靶位点的正向重复（3～9bp）

三、转座子的转座机制及模式 （复制型、非复制型） 1、复制型转座模式 ◘ 实质：转座子元件被复制并被移动到受体位点，最终转座过程扩增了转座子的拷贝（供、受体） ◘ 需两种酶：转座酶（作用于原拷贝两末端）解离酶（作用于复制后的拷贝） ◘ 模式：

1. 共合体形成 切口－连接－复制 2. 拆分

2、非复制型转座模式 供体上最终产生双链断裂供体位点如不能被修复则有致死效应

第六章 遗传重组