第三章 重组与转座(M) [兼容模式]

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1、2009/11/231第三章重组与转座基因突变是生物进化的主要原因，但基因突变 频率低，涉及基因有限，短时间难以形成优势。基因的转移和交流能够迅速产生适应环 境的组合，维持有利的基因不断积累。基因重组基因重组广义的基因重组可指造成基因变化的过程广义的基因重组可指造成基因变化的过程基因重组有性生殖：来自不同亲本基因的组合基因工程：跨物种间界限的人为重组遗传重组：自然DNA断裂复合而造成的基因变化的过程遗传重组同源重组：依赖广泛的DNA 同源序列以及重组蛋白RecA。非同源重组：发生重组的两 个DNA分子间没有或较少有同 源性且不依赖重组蛋白RecA。真核染色体交换、细菌 的转化、转导、接合等。转

2、座、噬菌体及 病毒的整合等。类型事件同源性蛋 白 和 酶特 异 位 点重 组 机 制行 为 和 结 果复制同 源 重组真核减 数 分裂完 全 同 源内 切 酶 、 外切酶Hollida y模型和 Meselso n- Radding 模型交 互 交换修 复 性 复 制同源重组的类型模型 原核转化完 全 同 源RecA,B, C, DChi位 点 （8bp）Hollida y模型单 向 取代修 复 性 复 制 接合完 全 同 源RuvABC单 向 取代修 复 性 复 制 广 泛 性 转 导完 全 同 源DNAPol单 向 取代修 复 性 复 制原核IS-两端有IR，只编码转座酶类转座因子-结构同

3、IS，但不能独立存在，仅作为复合转座子的两端组件复合转座子-两端由IS或类IS构成，可编码抗抗菌素物质TnA转座子家族-两端为IR，可编码转座酶、解离酶和抗性物质转座子AC-Ds-植物（玉米）中的激活-解离因子P因子-果蝇中父本因子，在MP中导致杂种不育反转录病毒RNA DNA整合宿主靶DNA转座因子类型转座因子真核反转录转座子反转录病毒、RNA DNA整合宿主靶DNA病毒超家族Ty（1）有长末端重复序列（2）编码反转录酶或整合酶（3）可含内含子CopiaLINSL1非病毒超家族SINSB1/ Alu（1）无重复序列（2）不编码转座子产物（3）无内含子假基因位点 特异 重组整合区域同源Int,

4、 IHFattp 核 心 酶（15bp）交错切割连 接 Holliday 连接整合无 复 制沙 门 氏 菌 相转变区域同源Hin和 tnpR 同源IR (34bp) 和 Tn3 解 离 相似倒位无 复 制Mu的G片段 倒位区域同源Gin倒位无 复 制P1的C片段 倒位区域同源Cin倒位无 复 制位点特异重组倒位制转 座 子 之 间 或 两 端 DR 、 IR 重 组区域同源DR, IRDR 切 离 和 缺 失 IR 倒 位无 复 制反 转 录 病 毒整合区域同源整合酶靶整 合 酶 在 LTR的3端 产生2b缺口 在靶上交错 切割连接填 补缺口整合修 复 性 复 制2009/11/232同源特异

5、 重组酵母交配 型转变完全同源Rid 52, HO特 异 Y/Z 交界交错切割、配 对、降解修复 产生Chi结构单 向 取 代修复性 复制转座 重组复制型无转座酶靶转座子两端IR 及靶的交错切 割、连接、修 复性复制和解 离单 向 插 入修复性 复制非复制型无解离酶单 向 插 入修复性 复制保守型无DNA Pol单 向 插 入修复性 复制I 类 内 含 子归巢无内切酶、外切酶、 DNA Pol、连接酶、 解离酶仅靶位点的交 错切割与重组 修复相似单 向 插 入修复性 复制模板 转换反转录转 座子反转录酶、内切 酶靶RNA介导模板转 换、交错切割单 向 插 入修复性 复制类内含 子归巢反转录酶、

6、内切 酶靶单 向 插 入修复性 复制特殊 重组免疫球蛋 白 的 VJC 连接区域同源RAG 1,2特异位点 （编码端）平切切单链 形成3凸端 补平加入 碱基剪切 体 细 胞 重组修复性 复制大肠杆菌四种遗传重组的一般特征类型是否需要序列同 源性是否需要RecA蛋 白质是否需要序列特 异性酶同源重组是是否位点特异性重组位点特异性重组 是否是转座作用否否是异常重组否否？异源双链与基因转换基因转换：通过对异源双链区内不配对碱基矫正，并且使一对等位基因出现： 或：分离的过程。 型：无重组，或有重组但无修复，出现：分裂比例比例。 型：一个异源双链被修复，出现：分裂比例。 型：两个中两个异源双链按相同的方

7、向修复，出现：分裂比例。重组染色体是由联会复合体连接细线期: 染色体可见偶线期: 染色体开始配对 切断粗线期: 联会复合体延伸 链置换 单链侵入链置换,单链侵入 噜噗切除双线期: 染色体部分分离 但仍被Chi结构连接 链同化,异构化, 分支迁移丝线期: 染色体浓缩 并离开核膜 中间体消失同源重组经典的遗传定律：重组只发生在2个染色单体之间。重组只发生在2个染色单体之间。通过特殊的染色体标记技术，在显微镜下观察：减数分裂第一次分裂前期配对的两条非 姐妹染色体之间发生了断裂重接。说明交换不总是发生在两个染色单体上同源重组涉及两个DNA分子间的断裂和重接2009/11/233Homologous R

8、ecombination Pathways同源重组的分子机制定义:由两条同源区的DNA分子,通过配对,链 的断裂和再连接,而产生片段交换的过程叫 同源重组. 分类:分类两个完整线状双螺旋 DNA分子之间的重组.两个完整环状双螺旋 DNA分子之间的重组.完整双螺旋 DNA分子与DNA片段之间的重组.链的断裂：同源联会的两个DNA 分子中任意一个出现单链切口， 切口由DNA内切酶完成两个单链对接，形成半交叉半交叉位置移动左右或上下单链在 内切酶作用下断裂同源重组的分子机制Holliday模型Holliday模型Holliday中间体的变构和拆分连接酶连接切断切断:同源联会的两个DNA分子中任意一个

9、出现单链切口.:同源联会的两个DNA分子中任意一个出现单链切口. 链置换链置换: :切口处5端局部解链,随后利用切口处的3-OH 合成新链,置换出原有的链,使之成为具有游离的5-P末端 的单链区段.切口处5端局部解链,随后利用切口处的3-OH 合成新链,置换出原有的链,使之成为具有游离的5-P末端 的单链区段. 单链侵入单链侵入:由链置换产生的单链区段侵入到参与联会的另 一条DNA分子因局部解链而产生的单敛泡中.:由链置换产生的单链区段侵入到参与联会的另 一条DNA分子因局部解链而产生的单敛泡中. Loop切除Loop切除:侵入的单链DNA与参与联会的另一条DNA分子中 的互补链形成碱基配对,

10、同时把与侵入单链的同源链置换出 来,由此产生D-噜璞.:侵入的单链DNA与参与联会的另一条DNA分子中 的互补链形成碱基配对,同时把与侵入单链的同源链置换出 来,由此产生D-噜璞. 链同化链同化:Loop切除中产生的3- OH断头和侵入单链的 5- P由DNA连接酶共价连接.被侵入的DNA双螺旋分子上有 一段区域含有来自联会对方的一条链,这一区域叫异源双链.:Loop切除中产生的3- OH断头和侵入单链的 5- P由DNA连接酶共价连接.被侵入的DNA双螺旋分子上有 一段区域含有来自联会对方的一条链,这一区域叫异源双链.重组的第一 步:Holliday中 间体的形成此时异源双链区只出现在两条D

11、NA分子中的一条中,叫非对 称异源双链区此时异源双链区只出现在两条DNA分子中的一条中,叫非对 称异源双链区 异构化异构化:两条DNA分子不再以一条链相连而是以两条同源 的单链交叉相连,而且相连的链不再是前面一系列变化中涉 及的单链而是原来一直”安然未动”的链.:两条DNA分子不再以一条链相连而是以两条同源 的单链交叉相连,而且相连的链不再是前面一系列变化中涉 及的单链而是原来一直”安然未动”的链. 分支迁移分支迁移:两条DNA分子之间形成的交叉可以沿DNA移动. 此时两条DNA分子中都出现的异源双链区叫对称异源双链区.:两条DNA分子之间形成的交叉可以沿DNA移动. 此时两条DNA分子中都出

12、现的异源双链区叫对称异源双链区.分枝迁移分枝迁移重组交叉点能沿 着DNA双链分子着DNA双链分子 移动，这种移动 叫做分枝迁移2009/11/234Holliday结构的拆分1.切口在曾被切开 的一对链：无交 互重组，但含一 段异源双链区；2.切口在原来完整 的一对链：交互 重组交互 重组。交互重组交互重组 一条亲本双螺旋分子和另一条亲本分子共 价相连,中间有一段异源双链区,这种重组叫 交互重组. 对于环状DNA分子 交互重组必然导致二聚 对于环状DNA分子,交互重组必然导致二聚 体的产生;而对于线状DNA分子而言,则不会 产生二聚体完整双螺旋 DNA分子与DNA片段之间的重组 :细菌转化细菌

13、转化 定义定义:供体供体DNA片段进入受体细胞和受体染色体发 生重组的过程叫片段进入受体细胞和受体染色体发 生重组的过程叫细菌转化细菌转化. 转化结局转化结局:如果校正时被切除的是异源双链区中原 属供体单链的碱基如果校正时被切除的是异源双链区中原 属供体单链的碱基,则实际上未重组发生则实际上未重组发生;如果被切如果被切 除的是原属受体除的是原属受体DNA的碱基的碱基 则重组发生则重组发生除的是原属受体除的是原属受体DNA的碱基的碱基,则重组发生则重组发生. 高效效率标记高效效率标记:在转化中或很少发生校正作用在转化中或很少发生校正作用,或是 校正切除几乎在受体或是 校正切除几乎在受体DNA上上

14、,转化频率较高的遗传 标记转化频率较高的遗传 标记. 低效效率标记低效效率标记:在转化中的校正切除总是倾向于发 生在供体单链上的遗传标记在转化中的校正切除总是倾向于发 生在供体单链上的遗传标记.细菌转化细菌转化完整双螺旋 DNA分子与DNA片段之间的重组 :细菌接合细菌接合 接合时DNA重组的机制类似于转化; 供体单链一般比转化DNA的单链长的多; 只有一部分供体DNA能进入受体,而进入的部分也只有一部 分能被结合到异源双链区去.完整双螺旋分子与片段之间的重组细菌转导完整双螺旋 DNA分子与DNA片段之间的重组 :细菌转导 和转化与接合不同,无论是普遍性转导还是特异性转导的 遗传重组都在双链D

15、NA片段和完整DNA分子之间发生.同源重组的酶学机制:RecBCD蛋白质 RecBCD蛋白质:由recB,recC和recD基因编码 的多肽链所构成的一个同源重组中的功能 单位. RecBCD蛋白质的活性RecBCD蛋白质的活性. 依赖于ATP的单链和双链外切酶活性. 线形DNA的螺旋酶活性. 序列特异性的单链内切酶活性. 依赖于DNA的螺旋酶活性.2009/11/235RecBCD蛋白质在同源重组中的作用机制RecBCD结合到细胞DNA的平头末端. 利用ATP酶活性水解ATP,从DNA一端将双链DNA解 开,并向另一端移动,形成兔耳结构,即两个loop结构. RecBCD所识别的单链位点即C

16、hi位点 (5GCTGGTGG3)进入单链的噜噗区域.(5 GCTGGTGG3 )进入单链的噜噗区域. RecBCD的特异性单链内切酶活性就在Chi 位点的3 方向4个个核甘酸处切断 RecBCD继续前进，留下一条包含hi位点在内的 单链尾巴和一段单链缺口随后ec蛋白质结 合于这个单链尾巴，与同源序列进行链交换RecBCD结合到细胞DNA的平头末端.利用ATP酶活性水解ATP,从DNA一端将双链DNA解开,并向另一端移动,形成兔耳结构,即两个loop结构.RecBCD所识别的单链位点即Chi位点RecBCD蛋白质在同源重组中的作用机制(5GCTGGTGG3)进入单链的噜噗区域.RecBCD的特异性单链内切酶活性就在Chi 位点的3方向4个个核甘酸处切断RecBCD继续前进，留下一条包含hi位点在内的单链尾巴和一段单链缺口随后ec蛋白质结合于这个单链尾巴，与同源序列进