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1、第十四章第十四章 基因结构和重组基因结构和重组一、一基因一酶学说一、一基因一酶学说 1941 Beadle & Tatum 提出：提出： “ one gene one enzyme” hypothesis SupplementsMutant strain Nothing Ornithine Citrulline Arginino- Arginine Growth response if nutrient is added to minimal medium succinate Wildtype Arg+ + + + + + Arg-E- - + + + + Arg-F- - - + + + A
2、rg-G- - - - + + Arg-H- - - - - + Neurospora crassa粗糙链孢霉粗糙链孢霉鸟氨酸鸟氨酸 瓜氨酸瓜氨酸 精氨酸琥珀酸精氨酸琥珀酸 精氨酸精氨酸乙酰鸟氨酸酶乙酰鸟氨酸酶乙酰鸟氨酸乙酰鸟氨酸鸟氨酸鸟氨酸瓜氨酸瓜氨酸鸟氨酸转氨鸟氨酸转氨甲酰基酶甲酰基酶精氨酸琥珀精氨酸琥珀酸合成酶酸合成酶精氨酸琥珀精氨酸琥珀酸裂解酶酸裂解酶精氨酸琥珀酸精氨酸琥珀酸精氨酸精氨酸天冬氨酸天冬氨酸氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸Neurospora crassa乙酰醋酸乙酰醋酸尿黑酸氧化酶尿黑酸氧化酶尿黑酸尿黑酸对羟甲基苯丙酮酸对羟甲基苯丙酮酸对羟甲基苯丙对羟甲基苯丙酮酸氧化酶酮酸氧化酶酪氨
3、酸酪氨酸苯丙氨酸苯丙氨酸转氨酶转氨酶苯丙氨酸羟化酶苯丙氨酸羟化酶苯丙酮酸苯丙酮酸黑色素黑色素3,4二羟苯丙氨酸二羟苯丙氨酸延胡索酰乙酰乙酸延胡索酰乙酰乙酸延胡酸延胡酸乙酰乙酸乙酰乙酸苯丙氨酸苯丙氨酸苯丙氨酸羟化酶苯丙氨酸羟化酶转氨酶转氨酶对羟甲基苯丙对羟甲基苯丙酮酸氧化酶酮酸氧化酶acid尿黑酸氧化酶尿黑酸氧化酶酪氨酸酪氨酸对羟甲基对羟甲基苯丙酮酸苯丙酮酸尿黑酸尿黑酸乙酰醋酸乙酰醋酸苯丙酮酸苯丙酮酸黑色素黑色素呆小症呆小症甲状腺甲状腺酪氨酸代谢紊乱酪氨酸代谢紊乱尿黑酸症尿黑酸症脑损害脑损害白内障白内障黄疸黄疸肝脏肿大肝脏肿大肾损害肾损害半乳糖激酶半乳糖激酶1磷酸半乳糖磷酸半乳糖尿苷二磷酸葡萄糖
4、尿苷二磷酸葡萄糖葡萄糖葡萄糖1磷酸尿苷转移酶磷酸尿苷转移酶尿苷二磷酸半乳糖尿苷二磷酸半乳糖差向异构酶差向异构酶one gene one polypeptide theoryGene Structure gene recombinationandcis - trans test and cistronAspergillus nidulans曲霉菌曲霉菌heterokaryon异核体异核体diploid conidia二倍体分生孢子二倍体分生孢子ad 16+ad 8ad 16+ad 8ad 16+ad 16ad 8ad 8+ad 16ad 16ad 8ad 8突变型突变型野生型野生型野生型野生型突
5、变型突变型ad 16+ad 16+ad 8ad 8transciscis-trans effectcistron有缺陷有缺陷有缺陷有缺陷有缺陷有缺陷正常正常野生型野生型突变型突变型complementation test B K( ) + - + +r IIr II+T4T4突变型突变型rII+在不同菌株上的噬菌斑在不同菌株上的噬菌斑(大而清晰大而清晰)(小而模糊小而模糊)(小而模糊小而模糊)(E.coli)重组测验：r47+r104；B，总数； K()，重组子Benzer r II : r II A and rII B ( two cistrons )互补互补m1 m2 + +m1 + +
6、m2 m1 m2 + +m1 + m2顺式顺式反式反式顺式顺式反式反式同一顺反子同一顺反子不同顺反子不同顺反子野生型野生型突变型突变型野生型野生型野生型野生型_无互补无互补互补实验可确定有同一表型效应的两个突变型是等位的还是非等位的。互补实验可确定有同一表型效应的两个突变型是等位的还是非等位的。(一一) 重组机制重组机制 1、交叉理论（、交叉理论（chiasmatatype hypothesis） 1909年年Janssens并提出了交叉型理论并提出了交叉型理论2、断裂愈合模型、断裂愈合模型 1937年年Darlington提出提出3、模板选择学说（、模板选择学说（copy choice ）
7、Belling J.首先提出的，首先提出的，1933年他又撤回了年他又撤回了 这一假设。这一假设。4、1948年年Hershey提出模板选择学说提出模板选择学说断裂重接模型和模板选择复制断裂重接模型和模板选择复制模型的否定模型的否定断裂重接模型不能解释基因转变和极化子断裂重接模型不能解释基因转变和极化子现象现象模板选择复制模型存在的问题：模板选择复制模型存在的问题： (1) 违背了半保留复制；违背了半保留复制； (2) DNA复制应在复制应在S期，重组应在期，重组应在M期，期，不应同时发生。不应同时发生。 (3)不能解释不能解释3线和线和4线交换。线交换。基因转变基因转变Gene conver
8、sionGene conversionP132单倍体菌丝单倍体菌丝 A单倍体菌丝单倍体菌丝 B二倍体合子二倍体合子基因转变（基因转变（Gene conversion）：将真菌中不规则分离现象解释为减数分裂过程中同源染色体联会时，一个基因使相对位置上的基因发生相应的变化所致，因而称为基因转变。 Hybrid DNA modelbranchmigrationofHollidaystructure EMofaHollidayJunctionw/afewmeltedbasepairsaroundjunctionThe Meselson-Radding ModelSince the Holliday m
9、odel proposes two simultaneous single strand nicks to start everything off, another model was proposed by Charles Radding and Matthew Meselson . In this model, only one strand invasion is required. 双链断裂起始重组模型双链断裂起始重组模型（P129）在酵母系统的重组研究中，发现载体DNA双链断裂可大大提高同源重组的效率。 The recBCD Pathway of Homologous Recomb
10、ination Part I: Nicking and Exchanging细菌同源重组机制细菌同源重组机制RecBCD : A complex enzymeRecBCD has:1.Endonuclease subunits (recBC) that cut one DNA strand close to Chi sequence.2.DNA helicase activity (recD subunit) and3.DNA-dependent ATPase activityunwinds DNA to generate SS regionsActivity 2 and 3 linked r
11、ecBCD Pathway of Homologous Recombination Part I: Nicking and Exchanging1.A nick is created in one strand by recBCD at a Chi sequence (GCTGGTGG), found every 5000 bp.2.Unwinding of DNA containing Chi sequence by recBCD allows binding of SSB and recA. 3.recA promotes strand invasion into homologous D
12、NA, displacing one strand.4.The displaced strand base-pairs with the single strand left behind on the other chromosome.5.The displaced and now paired strand is nicked (by recBCD?) to complete strand exchange. recBCD Pathway of Homologous RecombinationPart II: Branch Migration and ResolutionrecBCD Pa
13、thway of Homologous Rec. Part II: Branch Migration and Resolution1.Nicks are sealed Holliday Junction2.Branch migration (ruvA + ruvB) 3.Resolution of Holliday Junction (ruvC)细菌同源重组的分子机制（1）RecBCD识别chi序列引发重组；（2）RecA催化单链同化；（3）Ruv系统解离Holliday连接点。转座子转座子1951年年McClintock提出转座（提出转座（Transposition）和和跳跃基因跳跃基因(j
14、umping gene)的概念的概念 1967年年 Shapiro才才 在在 E.coli中中 发发 现现 了了 转转 座座 因因 子子（transposable element） McClintock转座子转座子一段一段DNADNA序列可以从原位上单独复制或断序列可以从原位上单独复制或断裂下来，环化后插入另一位点，并对其裂下来，环化后插入另一位点，并对其后的基因起调控作用，此过程称转座，后的基因起调控作用，此过程称转座，这段序列称为跳跃基因或转座子。这段序列称为跳跃基因或转座子。 原核转座因子的类型原核转座因子的类型1、插入序列、插入序列(IS)（两端有略长的（两端有略长的IR和和短的短的D
15、R）2、类插入序列（类插入序列（IS-like elements） 3、复合转座子（两端组件为复合转座子（两端组件为IS和类和类IS） 4、TnA家族（两端具有家族（两端具有IR而不是而不是IS ） 注：注：IR，反向重复序列；，反向重复序列；DR，正向重复序列。，正向重复序列。每种每种IS元件具有不同序列，但有共同的组织形式元件具有不同序列，但有共同的组织形式插入序列插入序列插入序列插入序列IS1IS1的结构的结构的结构的结构Tn1681大肠杆菌热稳大肠杆菌热稳定毒素定毒素I 基因基因552 bpIRIRIRIR复合转座子结构示意图复合转座子结构示意图IS1IS1（三）转座类型（三）转座类型类型类型 (1) 复制型转座复制型转座 （replicative transposition） (2) 非复制型转座非复制型转座 （nonreplicative transposition） (3) 保守转座保守转座(附加体附加体) （conservative tranposition）
