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第八章 遗传重组

第八章 遗传重组. 概述. 第一节 同源重组. 第二节 位点专一性重组. 第三节 细菌中的转座成分. 第四节 真核生物中的转座成分. 概述：. ◘ 只要有 DNA ，就会发生重组. 减数分裂. 高等 Euk. 体细胞核基因、叶绿体和线粒体. 温和噬菌体. 转座子转座. ◘ 生存→变异→突变，重组 损伤修复、适应环境、加速进化. ◘ 广义遗传重组：任何造成基因型变化的基因交流过程. 异常. ◘ 狭义遗传重组：涉及到 DNA 分子内断裂 - 复合的基因交流. ◘ 重组可分为四类（ DNA 序列、蛋白质因子）.

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第八章 遗传重组

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Presentation Transcript

  1. 第八章 遗传重组

  2. 概述 第一节 同源重组 第二节 位点专一性重组 第三节 细菌中的转座成分 第四节 真核生物中的转座成分

  3. 概述： ◘只要有DNA，就会发生重组 减数分裂 高等Euk.体细胞核基因、叶绿体和线粒体 温和噬菌体 转座子转座 ◘ 生存→变异→突变，重组 损伤修复、适应环境、加速进化 ◘ 广义遗传重组：任何造成基因型变化的基因交流过程

  4. 异常 ◘ 狭义遗传重组：涉及到DNA分子内断裂-复合的基因交流 ◘重组可分为四类（DNA序列、蛋白质因子） ◘ 遗传重组与重组DNA技术

  5. 第一节 同源重组

  6. 一、特征 1、同源重组（homologous recombination）: 发生在同源DNA序列之间 2、特征： ◘ 涉及同源序列间的联会配对，且交换的片段较大 ◘ 涉及DNA分子在特定的交换位点发生断裂和错接的生化过程 异源双链区的生成 ◘ 存在重组热点 ◘ 需要重组酶 ◘ 单链DNA分子或单链DNA末端是交换发生的重要信号

  7. 细线期 ◘ e.g. Euk.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

  8. 双倍体染色体交换

  9. 二、同源重组的机制 1、断裂复合及Holliday中间体的形成 ◘ 同源重组都涉及到DNA分子内的－－断裂—复合 ◘ Holliday结构 同源重组中连接两个DNA双链的交换中间物含有4股DNA链， 在连接处为了转换配对所形成交叉链的连接点为… ◘ Holliday结构形成的分子机制（断裂复合起始机制） 有双链侵入模型、单链侵入模型、双链断裂修复模型等多种

  10. 3‘ 5‘ 切割 5‘ 3‘ Meselson-Radding模型 单链入侵模型（链转移模型） 置换 5’ 侵入 Loop切除 同化 异构化 分支迁移

  11. 5‘ 5‘ （1） （2） 其中－－ 所有模型和 假说都包括 切断、链置 换、连接等 过程 双链侵入模型 －－P143

  12. 双链断裂修复模型 P145

  13. 2、 分枝迁移和Holliday结构的拆分 ◘ 分枝迁移（branch migaration） －－双螺旋形成的交叉连接以拉链式效应扩散

  14. Holliday的异构化 Holliday结构一经生成即可 不断地处于异构化－－异源双链 heteroduplex DNA 重组结果取决于拆分时 配对链上的切口位置 产生重组体的拆分

  15. （2） （1） ◘ Holliday结构的拆分 产生含异源双链的亲本DNA分子 产生重组体 （2） （1）

  16. 三、原核同源重组（E.coli） ◘ 发生在双方DNA的同源区域 部分复制的染色体DNA之间或染色体DNA与外源DNA之间 细菌的转化、结合和转导 1、RecBCD（外切核酸酶Ⅴ）和 Chi 位点 ◘ 具有解旋酶（再旋）活性、ATPase活性、核酸外切酶活性、 序列特异性的单链内切酶活性 ◘ 单链内切酶活性和解旋酶活性使DNA产生具有游离末端的单链 －－－RecA的作用位点 ◘ RecBCD有固定切割位点

  17. 3‘ ◘ RecBCD的识别和切割位点 a、 RecBCD结合在DNA的平 头末端（产生机制不清楚） b、 外切、解链、移动 （ATP） c、 兔耳状 loop 结构产生 （再旋酶活性低于解旋酶活性） d、 RecBCD 在 loop 单链区的 chi 位点3‘方4～6NT处切 断单链（单链内切酶） ☀chi位点：GCTGGTGG 目前发现的重组热点 E.coli含 1000 个、Euk.

  18. 入侵单链 被置换连 RecA RecA引发链侵入模型

  19. RecA引起的链交换和Holliday结构的生成

  20. ◘ RecBCD 和 RecA 的共同作用

  21. 3、原核同源重组的其它蛋白 需要 E.coli 中三个基因 ruvA,ruvB 和 ruvC 的产物 a、 RuvA 识别 Holliday 结构的连接点 b、 RuvB 为分枝迁移提供动力（ATPase 10～20bp/s） c、 RuvC 核酸内切酶---专一性识别 Holliday 结构的连接点 体外切段连接点以拆分重组体

  22. 第二节 位点专一性重组

  23. 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 噬菌体基因组整合到细菌染色体基因组中属此种重组 2、特征： ◘ 在特定的结合序列部位，有专一的酶催化断裂重接 ----产生精确的DNA重排 ◘ 都具有整合作用的两个基本特征 a、 典型的保守性重组---交换是相互的和保存原先的DNA b、 发生在噬菌体和细菌DNA短同源序列的专一性核苷酸上 Euk. 中专一性抗体基因的构建

  24. 二、λphage的整合与切除 1、实现机制： 均是通过---细菌DNA和λDNA上特定位点之间的重组 2、特定位点-----附着位点（attachment site att） ◘ E.coli attB含BOB’三序列 23bp ◘ λphage attP含 POP’三序列 240bp ◘ 核心序列 “O”完全一致 （同源部分） ---位点特异性重组发生的地方 ◘ B,B’,P,P’---臂

  25. 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λ整合酶 （integrase Int）（λ编码） 和寄主的整合宿主因子IHF （integration host factor） 共同作用

  26. 溶菌周期 （lysis） 溶源性细菌 (lysogen) 原噬菌体

  27. 4、整合分子机制 ◘ 核心序列O全长15bp，富含A-T ◘ 发生在O内的重组交换位点相距 7bp ◘ attP位点的负超螺旋为重组所必须---加强了Int和IHF的亲和力 -----高剂量的蛋白维持单链重组所必需的结构 ◘ 整合酶的结合位点：attP 240bp、attB 23bp(两者的作用不同) ◘ Int结合 ----核心序列的反向位点（切割位置） ----结合在att臂上（臂与核心区靠近）

  28. int IHF Xis

  29. ◘ 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

  30. 第三节 细菌中的转座成分

  31. 一、转座成分概述 1、转座子(元)或转座元件(transposon or transposable element): 基因组上不必借助于同源序列就可以移动的DNA片段，它们可以直 接从基因组的一个位点移到另一个位点（供体和受体） 转座（transposition）：转座元的转移过程（不十分确切） 2、发现和发展 ◘ 1914 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 跳跃基因（jumping gene）

  32. 3、转座重组的特点 a) 不依赖供体序列与靶位点间序列的同源性 b) 转座不是简单的转移，涉及转座子的复制 c) 转座插入的靶位点并非完全随机（插入专一型） Hotspots (热点) Regional preference ( 在3kb区域内的随机插入) d) 某些转座因子（Tn3）对同类转座因子的插入具有排他性 （免疫性） e) 靶序列在转座因子两侧会形成正向重复 f) 转座因子的切除与转座将产生复杂的遗传学效应

  33. 二、Prok.转座子种类 ◘ 两种类型： 简单转座子（simple transposon） （插入序列 insertion sequence IS ） 复合转座子（composite transposon） ◘ 共同特征： a）两端有20～40bp的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

  34. ◘ 特点： a）两端IR为转座酶的识别位点（突变） b）插入靶位点后会出现靶位点的正向重复（3～9bp）

  35. ◘ IS 可以正反方向插入到DNA（宿主、质粒或某些噬菌体）， 常对插入位点后面的基因表达功能产生极性效应

  36. 2.5 kb 20 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 ◘ 两种类型 a) 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)

  37. IS IS IS IS L IS R 臂 中心区 臂 b）两端重复序列为IS的复合转座子 e.g. IS插入到功能基因两端，可能形成复合转座因子 transposition

  38. ◘ 两侧的IS既可以是IR，又可以是DR状态 （IR多） ◘ 当两个IS组件相同时，其中任一个都可行使转座功能 ◘ 不同时，主要依靠一个

  39. 150bp 1.5kb gin att L C A B S U att R P G 倒位区 38kb 3 转座噬菌体 Mu phage（巨型转座子 ） ◘ 以E.coli为寄主的温和型噬菌体（溶源、裂解） C repressor for A, B B 33 kd 与转座有关 A 70 kd 转座酶 U, S毒性蛋白 attL, attR与寄主同源，反向重复，转座必需 Gin G区倒位酶

  40. ◘ Mu的插入途径 a） 侵入的Mu在溶源化过程中任意插入寄主DNA （两侧各5bp的靶位点序列重复） b） 进入裂解生长后，复制产生后代Mu DNA几乎全部插入寄主 DNA中，并可继续转座（形成寄主DNA和Mu的共合体），噬 菌体成熟时，切段共合体包装

  41. 三、转座子的转作机制及模式 ◘ 三种类型：复制型、非复制型和保守型 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、受点） ◘ 需两种酶： 转作酶（作用于原拷贝两末端） 解离酶（作用于复制后的拷贝） ◘ 模式：

  42. 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

  43. 3、保守型转座模式 ◘ 另一种非复制型 ◘ 与λ整合机制相似 其转座酶与λ整合酶家 族有关

  44. 四、转座子转座频率的调控 ◘ 每个转座子控制自身转座的核心----控制转座酶的水平 不到一个转座酶分子／世代／细胞 ◘ 自发转座频率---10－7

  45. 第四节 真核生物的转座成分

  46. 真核生物的转座成分根据转座机制目前分为两类：真核生物的转座成分根据转座机制目前分为两类： a)转座机制与细菌的转座子类似 遗传信息： DNA→DNA ◘ 玉米的Ac-Ds元件、果蝇的P元件和FB元件等 b)转作机制类似逆转录病毒 遗传信息： RNA→DNA→RNA ◘ 如：逆转录病毒、果蝇的copia元件、酵母的Ty元件

  47. 本章结束！！！

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