重組的類型機制與轉(zhuǎn)座

關(guān)于重組的類型機制與轉(zhuǎn)座引言可遺傳的變異是生物適應(yīng)和進化的基礎(chǔ);遺傳物質(zhì)發(fā)生變異的來源包括兩個方面：突變：基因結(jié)構(gòu)或染色體的數(shù)目、結(jié)構(gòu)改變；重組：染色體或基因序列發(fā)生重排及新的組合；基因重組是遺傳的基本現(xiàn)象；無論高等真核生物，還是細菌、病毒都存在；不僅在減數(shù)分裂，而且在高等生物體細胞中；不只在核基因，而且在細胞質(zhì)基因之間；重組是遺傳學(xué)的靈魂；沒有重組就沒有生物的進化；沒有重組就沒有現(xiàn)代的分子克隆技術(shù)

第2頁,共45頁，2024年2月25日，星期天一、重組的概念及類型1.重組概念廣義/細胞學(xué)水平上：由于獨立分配或交換而在后代中出現(xiàn)的新基因的組合過程；狹義/分子水平上：基因的交換或重排而導(dǎo)致的新基因的組合過程，即2個DNA分子間或一個DNA分子的不同部位間,通過斷裂和重接,交換DNA片段從而改變基因的組合和序列.2.重組類型：（1）同源重組(Homologousrecombination)

（2）位點特異性重組（3）異常重組第3頁,共45頁，2024年2月25日，星期天（一）同源重組

(Homologousrecombination)1.同源重組的概念：指DNA同源序列間的重組.常涉及大片段同源DNA序列之間的交換。是重組中的普遍形式，又稱普遍性重組（generalizedrecombination）（1）交互重組：多數(shù)真核生物減數(shù)分裂過程中，同源染色體的非姐妹染色體單體或DNA分子間相互交換對等的部分；（2）單向重組：在細菌轉(zhuǎn)化、接合和普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)中，僅受體發(fā)生重組，供體并未發(fā)生重組。（依賴RecA重組）第4頁,共45頁，2024年2月25日，星期天2.同源重組的特點負責(zé)同源重組的蛋白質(zhì)因子無堿基序列的特異性要求，只要兩個DNA分子的序列的同源區(qū)足夠長，就可以在序列的任何一點發(fā)生重組。

如：大腸桿菌活體重組要求有20-40bp相同；枯草芽孢桿菌基因與質(zhì)粒重組，要≥70bp哺乳動物的同源區(qū)應(yīng)達到150bp以上；

可通過同源重組將外源基因定位整合到細胞基因組。第5頁,共45頁，2024年2月25日，星期天（二）位點特異性重組

（site-specificrecombination）重組發(fā)生在特殊的位點上：只涉及特定位置的短同源區(qū)或特定的堿基序列之間；由特定重組蛋白因子識別專一性DNA序列：重組時發(fā)生精確的切割和連接反應(yīng)；屬于非同源特定片段間的重組。最典型的如：λ噬菌體的att位點整合到大腸桿菌的基因組中；第6頁,共45頁，2024年2月25日，星期天（三）異常重組

（Illegitimaterecombination）完全不依賴于序列間的同源性而使一段DNA序列插入到另一段中。形成重組分子時往往依賴于DNA復(fù)制而完成重組過程，因此又稱復(fù)制性重組轉(zhuǎn)座因子（transposableelement）：細胞中能改變自身位置的一段DNA序列第7頁,共45頁，2024年2月25日，星期天二.同源重組的分子機制交叉學(xué)說與斷裂重接模型Holliday模型第8頁,共45頁，2024年2月25日，星期天（1）交叉學(xué)說與斷裂重接模型1909年janssens提出交叉型假說：每次交叉表明父母本的一條染色單體接觸、斷裂和重接，形成一個新的組合，其他兩條染色單體仍保持完整狀態(tài)；1937年Darlington提出重組的斷裂和重接模型：減數(shù)分裂中同源染色體相互分離就像將繩子的兩股分開一樣會產(chǎn)生扭曲，為消除張力，兩姐妹染色體單體在對應(yīng)位點發(fā)生斷鏈，然后非姐妹染色體單體的“斷頭”相互重接，產(chǎn)生重組。第9頁,共45頁，2024年2月25日，星期天第10頁,共45頁，2024年2月25日，星期天第11頁,共45頁，2024年2月25日，星期天根據(jù)該模型重組始終是交互的，如在一個雜合體，如果一條染色體把基因A交給同源染色體，則同源染色體必然把基因a反過來交給他；要求兩染色單體在相應(yīng)的位點上斷裂，然后以新的組合連接起來，或者從分子水平上要求兩DNA分子在同一堿基對間斷裂，然后互相以新的組合連接起來，否則重組產(chǎn)物的長度就會改變；第12頁,共45頁，2024年2月25日，星期天基因轉(zhuǎn)變現(xiàn)象

（geneconversion）真菌類減數(shù)分裂的正常分裂：重組通常是交互的，例如一個雜合體中，如果以染色體把基因A交給他的同源染色體，則同源染色體也會把a基因交回給他。則一個位點上的兩等位基因分離時，子囊應(yīng)該呈現(xiàn)4：4分離真菌類的異常分離現(xiàn)象：1930年德國遺傳學(xué)家Winkler在鏈孢霉的重組產(chǎn)物中發(fā)現(xiàn)異常的5：3（約0.06%）和6：2（約0.05%）的分離比。第13頁,共45頁，2024年2月25日，星期天鏈孢霉的生活史分生孢子（n）菌絲（n）子實體核融合合子核(2n)交配型A交配型B減數(shù)分裂I減數(shù)分裂II有絲分裂萌發(fā)(n)子囊孢子（n）第14頁,共45頁，2024年2月25日，星期天脈孢霉減數(shù)分裂第15頁,共45頁，2024年2月25日，星期天++++----++--++--++--MIMII非姐妹染色單體未發(fā)生交換第16頁,共45頁，2024年2月25日，星期天++--++--+-+-++--+-+-n2、3非姐妹染色單體發(fā)生交換第17頁,共45頁，2024年2月25日，星期天++++++--++--++--++--MIMII異常分裂比6：2第18頁,共45頁，2024年2月25日，星期天+++++---++--++--++--MIMII異常分裂比5：3第19頁,共45頁，2024年2月25日，星期天+++-+---++--++--++--MIMII異常分裂比3:1:1:3第20頁,共45頁，2024年2月25日，星期天基因轉(zhuǎn)變的顯著特點子囊中所形成的4個孢子對中，同一孢子對的兩個孢子基因型不同；異常分離的子囊中，約有30%與其相鄰的兩側(cè)標(biāo)記連鎖基因之間發(fā)生交換和重組；在有基因轉(zhuǎn)變的子囊中，基因轉(zhuǎn)變和遺傳重組都發(fā)生在同樣兩條染色單體的子囊比例竟高達90%。即基因轉(zhuǎn)變和重組是密切相關(guān)的。第21頁,共45頁，2024年2月25日，星期天見書p206-207由于重組出現(xiàn)了完全野生型的孢子對++，但沒有重組的對應(yīng)產(chǎn)物——雙突變型的孢子對pdxpdxp,但是，盡管pdxp位點出現(xiàn)異常分離，其右側(cè)緊密連鎖的標(biāo)記基因pdx位點顯示正常分離Winkler把真菌中不規(guī)則分離的現(xiàn)象解釋為同源染色體聯(lián)會時，一個基因使其相對的位置上的基因發(fā)生相應(yīng)的變化所致，稱為基因轉(zhuǎn)變；第22頁,共45頁，2024年2月25日，星期天基因轉(zhuǎn)變分為兩種：染色單體轉(zhuǎn)變和半染色單體轉(zhuǎn)變減數(shù)后分裂：該異常分離時減數(shù)分裂后有絲分裂的產(chǎn)物，故又稱減數(shù)后分離怎么解釋這種現(xiàn)象呢？突變是不可能的，因為他們的頻率比這些基因的正常突變頻率高很多；第23頁,共45頁，2024年2月25日，星期天同源染色體聯(lián)會（圖中只顯示四條染色單體中的二條非姐妹染色體單體）兩條方向相同的單鏈被切斷；游離端的氫鍵斷裂，離開互補單鏈游離端交叉地和斷裂單鏈連接（2）Holliday模型第24頁,共45頁，2024年2月25日，星期天連接成半交叉，稱為holliday結(jié)構(gòu)分支點移動呈“十字型”“十字型”的兩臂旋轉(zhuǎn)形成中空的十字結(jié)構(gòu)第25頁,共45頁，2024年2月25日，星期天不同解離方式第26頁,共45頁，2024年2月25日，星期天經(jīng)修補后連接形成重組和非重組的異源DNA鏈第27頁,共45頁，2024年2月25日，星期天Holliday模型

對基因轉(zhuǎn)變機制的解釋Holliday模型中無論哪種解離方式，都會產(chǎn)生兩個異源的DNA雙鏈異源雙鏈有關(guān)的核苷酸鏈分別來自不同的親本，如g+Xg-，兩者有一對堿基之差g+為：ACA

G

Tg-為ACA

T

T

TGTCA

TGT

A

A第28頁,共45頁，2024年2月25日，星期天異源雙鏈DNA區(qū)應(yīng)為：ACAGT

TGTAA異源的DNA是不穩(wěn)定的不同異常分離比的形成，見書p213。GAGCAGTA丟失野生型g+突變型g-第29頁,共45頁，2024年2月25日，星期天玉米的轉(zhuǎn)座因子

——控制因子（controllingelements）玉米轉(zhuǎn)座因子除具有轉(zhuǎn)座的特性外，還具有調(diào)節(jié)其他基因的作用稱為控制因子玉米的胚乳的花斑：紫色、白色、白色背景下的紫色斑點。解釋：玉米帶有野生型C基因時，則成紫色C基因突變阻止紫色素的合成，則成白色（c）在胚乳發(fā)育過程中若發(fā)生回復(fù)突變則成花斑認(rèn)為C基因突變的是由一個“可移動的控制因子”插入失活引起的，即解離因子(Dissociator,Ds)和激活因子（Activator,Ac）第30頁,共45頁，2024年2月25日，星期天Ac為自主型轉(zhuǎn)座子，全長4.6kb，有5個外顯子，產(chǎn)物是轉(zhuǎn)座酶，支配受體因子因子移動（轉(zhuǎn)座）.兩端是11bp的反向重復(fù)序列（IR），即5‘CAGGGATGAAA………TTTCATCCCTG3’非自主型轉(zhuǎn)座子Ds：兩端序列與Ac相同，但確失了中間序列，丟失了轉(zhuǎn)座所需要的有關(guān)酶，只有在Ac的轉(zhuǎn)座酶活性被激活后，才能發(fā)生的轉(zhuǎn)座作用。Ac和Ds可以在基因組內(nèi)移動，Ds的存在可使染色體在近旁斷裂的機會大大增加，并因此改變臨近基因的表型。第31頁,共45頁，2024年2月25日，星期天Ac-Ds系統(tǒng)調(diào)節(jié)色素基因C的機制C基因位于玉米的九號染色體短臂上，Ac-Ds位于C基因附近；當(dāng)C基因附近有Ac而無Ds時，C基因有活性，玉米籽粒有色素形成；當(dāng)Ac不存在，而Ds因子插入、固定在C基因處，C基因失活，玉米籽粒無色素形成；當(dāng)Ac存在時，雖有Ds因子插入、固定在C基因處，但胚胎發(fā)育過程中，有些細胞中的Ds因子會因Ac的活化而發(fā)生切離轉(zhuǎn)座，C基因恢復(fù)活性，這些細胞仍能合成色素；第32頁,共45頁，2024年2月25日，星期天1.原核生物的轉(zhuǎn)座因子（1）插入序列（insertionsequence，IS）最簡單的轉(zhuǎn)座元件，最初是在乳糖操縱子中發(fā)現(xiàn)的一段自發(fā)的插入序列，阻止了被插入基因的轉(zhuǎn)錄，而常被稱為插入序列IS序列都是可以獨立存在的單元，兩個末端有反向重復(fù)序列，中間帶有介導(dǎo)自身移動的蛋白（轉(zhuǎn)座酶）,不帶有任何宿主基因。細菌染色體或質(zhì)粒DNA的正常組成部分。一個細菌細胞常帶有少于10個IS序列。轉(zhuǎn)座子常常被定位到特定的基因中，造成該基因突變。第33頁,共45頁，2024年2月25日，星期天第34頁,共45頁，2024年2月25日，星期天第35頁,共45頁，2024年2月25日，星期天（2）轉(zhuǎn)座子（transposon，Tn）轉(zhuǎn)座子（transposon，Tn）是一類較大的轉(zhuǎn)座因子，除了含有與它的轉(zhuǎn)座作用有關(guān)的基因外，還帶有某些抗藥性基因（或其他宿主基因）。因此又稱復(fù)合式轉(zhuǎn)座因子，轉(zhuǎn)座往往使宿主菌獲得有關(guān)基因的特性；兩翼往往是兩個相同或高度同源的IS序列，表明IS序列插入到某個功能基因兩端時就可能產(chǎn)生復(fù)合轉(zhuǎn)座子。一旦形成復(fù)合轉(zhuǎn)座子，IS序列就不能再單獨移動，因為它們的功能被修飾了，只能作為復(fù)合體移動。第36頁,共45頁，2024年2月25日，星期天第37頁,共45頁，2024年2月25日，星期天第38頁,共45頁，2024年2月25日，星期天轉(zhuǎn)座作用的機制

轉(zhuǎn)座時發(fā)生的插入作用有一個普遍的特征，那就是受體分子中有一段很短的（3-12bp）、被稱為靶序列的DNA會被復(fù)制，使插入的轉(zhuǎn)座子位于兩個重復(fù)的靶序列之間。不同轉(zhuǎn)座子的靶序列長度不同，但對于一個特定的轉(zhuǎn)座子來說，它所復(fù)制的靶序列長度都是一樣的，如IS1兩翼總有9個堿基對的靶序列，而Tn3兩端總有5bp的靶序列。

第39頁,共45頁，2024年2月25日，星期天DuplicationoftheDNAsequenceatatargetsite，whenatransposonisinserted.Theduplicatedsequencesareshowninred.Thesesequencesaregenerallyonly