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1、第十二章第十二章重组与转座重组与转座引言引言可遗传的变异是生物适应和进化的基础可遗传的变异是生物适应和进化的基础; ;遗传物质发生变异的来源包括两个方面：遗传物质发生变异的来源包括两个方面： 突变：基因结构或染色体的数目、结构改变；突变：基因结构或染色体的数目、结构改变； 重组：染色体或基因序列发生重排及新的组合；重组：染色体或基因序列发生重排及新的组合；基因重组是遗传的基本现象；基因重组是遗传的基本现象；1.1.1.1.无论高等真核生物，还是细菌、病毒都存在；无论高等真核生物，还是细菌、病毒都存在；2.2.2.2.不仅在减数分裂，而且在高等生物体细胞中；不仅在减数分裂，而且在高等生物体细胞中
2、；3.3.3.3.不只在核基因，而且在细胞质基因之间；不只在核基因，而且在细胞质基因之间；重组是遗传学的灵魂；重组是遗传学的灵魂；1.1.1.1.没有重组就没有生物的进化；没有重组就没有生物的进化；2.2.2.2.没有重组就没有现代的分子克隆技术没有重组就没有现代的分子克隆技术 一、重组的概念及类型一、重组的概念及类型1.1.重组概念重组概念广义广义/ /细胞学水平上细胞学水平上：由于独立分配或交换而在：由于独立分配或交换而在后代中出现的新基因的组合过程；后代中出现的新基因的组合过程；狭义狭义/ /分子水平上分子水平上：基因的交换或重排而导致的基因的交换或重排而导致的新基因的组合过程新基因的组
3、合过程，即即2 2个个DNADNA分子间或一个分子间或一个DNADNA分子的不同部位间分子的不同部位间, ,通过断裂和重接通过断裂和重接, ,交换交换DNADNA片片段从而改变基因的组合和序列段从而改变基因的组合和序列. . 2. 2. 重组类型：重组类型：（1 1）同源重组）同源重组( (Homologous recombination)Homologous recombination) （2 2）位点特异性重组）位点特异性重组（3 3）异常重组）异常重组（一）同源重组（一）同源重组(Homologous recombination)1. .同源重组的概念同源重组的概念：指指DNADNA同源
4、序列间的重组同源序列间的重组. .常涉及大片段同源常涉及大片段同源DNADNA序列之间的交换。是重序列之间的交换。是重组中的普遍形式，又称组中的普遍形式，又称普遍性重组普遍性重组（generalized recombinationgeneralized recombination）（1 1）交互重组：）交互重组：多数真核生物减数分裂过程多数真核生物减数分裂过程中，同源染色体的非姐妹染色体单体或中，同源染色体的非姐妹染色体单体或DNADNA分分子间相互交换对等的部分；子间相互交换对等的部分；（2 2）单向重组：）单向重组：在细菌转化、接合和普遍性在细菌转化、接合和普遍性转导中，仅受体发生重组，供
5、体并未发生重转导中，仅受体发生重组，供体并未发生重组。（依赖组。（依赖RecARecA重组重组）2. 同源重组的特点同源重组的特点负责同源重组的蛋白质因子无碱基序列的特负责同源重组的蛋白质因子无碱基序列的特异性要求，异性要求，只要两个只要两个DNADNA分子的序列的同源分子的序列的同源区足够长区足够长，就可以在序列的任何一点发生重，就可以在序列的任何一点发生重组。组。 如：如：大肠杆菌活体重组要求有大肠杆菌活体重组要求有20-4020-40bpbp相同；相同；枯草芽孢杆菌基因与质粒重组，要枯草芽孢杆菌基因与质粒重组，要7070bpbp哺乳动物的同源区应达到哺乳动物的同源区应达到150150bp
6、bp以上；以上； 可通过同源重组将外源基因定位整合到细胞可通过同源重组将外源基因定位整合到细胞基因组。基因组。（二）位点特异性重组（二）位点特异性重组（site-specific recombination）重组发生在特殊的位点上：重组发生在特殊的位点上：只涉及特定位只涉及特定位置的短同源区或特定的碱基序列之间；置的短同源区或特定的碱基序列之间；由特定重组蛋白因子识别专一性由特定重组蛋白因子识别专一性DNADNA序列：序列：重组时发生精确的切割和连接反应；重组时发生精确的切割和连接反应；属于非同源特定片段间的重组属于非同源特定片段间的重组。最典型的。最典型的如：如：噬菌体的噬菌体的attatt
7、位点整合到大肠杆菌位点整合到大肠杆菌的基因组中；的基因组中；（三）异常重组（三）异常重组（ Illegitimate recombinationIllegitimate recombination）完全不依赖于序列间的同源性而使一段完全不依赖于序列间的同源性而使一段DNADNA序列插入到另一段中。序列插入到另一段中。形成重组分子时往往依赖于形成重组分子时往往依赖于DNADNA复制而完复制而完成重组过程，因此又称成重组过程，因此又称复制性重组复制性重组转座因子（转座因子（transposable elementtransposable element）：细胞中能改变自身位置的一段细胞中能改变自身
8、位置的一段DNA DNA 序列序列二二. .同源重组的分子机制同源重组的分子机制交叉学说与断裂重接模型交叉学说与断裂重接模型Holliday模型模型（1）交叉学说与断裂重接模型）交叉学说与断裂重接模型19091909年年 janssens janssens 提出提出交叉型假说交叉型假说：每：每次交叉表明父母本的一条染色单体接触、次交叉表明父母本的一条染色单体接触、断裂和重接，形成一个新的组合，其他断裂和重接，形成一个新的组合，其他两条染色单体仍保持完整状态；两条染色单体仍保持完整状态；19371937年年DarlingtonDarlington提出提出重组的断裂和重重组的断裂和重接模型接模型：
9、减数分裂中同源染色体相互分：减数分裂中同源染色体相互分离就像将绳子的两股分开一样会产生扭离就像将绳子的两股分开一样会产生扭曲，为消除张力，两姐妹染色体单体在曲，为消除张力，两姐妹染色体单体在对应位点发生断链，然后非姐妹染色体对应位点发生断链，然后非姐妹染色体单体的单体的“断头断头”相互重接，产生重组。相互重接，产生重组。根据该模型根据该模型重组始终是交互的重组始终是交互的，如在一，如在一个杂合体，如果一条染色体把基因个杂合体，如果一条染色体把基因A A交给交给同源染色体，则同源染色体必然把基因同源染色体，则同源染色体必然把基因a a反过来交给他；反过来交给他；要求两染色单体在相应的位点上断裂要
10、求两染色单体在相应的位点上断裂，然后以新的组合连接起来，或者从分子然后以新的组合连接起来，或者从分子水平上要求两水平上要求两DNADNA分子在同一碱基对间断分子在同一碱基对间断裂，然后互相以新的组合连接起来，否裂，然后互相以新的组合连接起来，否则重组产物的长度就会改变则重组产物的长度就会改变；基因转变基因转变现象现象（gene conversion）真菌类减数分裂的正常分裂：真菌类减数分裂的正常分裂：重组通常是交互重组通常是交互的，例如一个杂合体中，如果以染色体把基因的，例如一个杂合体中，如果以染色体把基因A A交给他的同源染色体，则同源染色体也会把交给他的同源染色体，则同源染色体也会把a a
11、基基因交回给他。则一个位点上的两等位基因分离因交回给他。则一个位点上的两等位基因分离时，子囊应该呈现时，子囊应该呈现 4 4：4 4分离分离真菌类的异常分离现象：真菌类的异常分离现象：19301930年德国遗传学家年德国遗传学家WinklerWinkler在链孢霉的重组产物中发现异常的在链孢霉的重组产物中发现异常的5 5：3 3（约（约0.06%0.06%）和）和6 6：2 2（约（约0.05%0.05%）的分离比。）的分离比。链孢霉的生活史链孢霉的生活史分生孢子（分生孢子（分生孢子（分生孢子（n n）菌丝菌丝菌丝菌丝（n n）子实体子实体子实体子实体核融合核融合核融合核融合合子核合子核合子核
12、合子核(2(2n)n)交配型交配型交配型交配型A A交配型交配型交配型交配型B B减数分裂减数分裂减数分裂减数分裂I I减数分裂减数分裂减数分裂减数分裂IIIIIIII有丝分裂有丝分裂有丝分裂有丝分裂萌发萌发萌发萌发( (n)n)子囊孢子（子囊孢子（子囊孢子（子囊孢子（n n）脉孢霉减数分裂脉孢霉减数分裂+-+-+-+-M IM II非姐妹染色单体未发生交换+-+-+-+-+-+-+-n2、3非姐妹染色单体发生交换+-+-+-+-M IM II异常分裂比6：2+ +-+-+-+-M IM II异常分裂比5：3+- -+ +- -+-+-+ -M IM II异常分裂比3: 1 : 1 : 3基因
13、转变的显著特点基因转变的显著特点子囊中所形成的子囊中所形成的4 4个孢子对中，同一孢子个孢子对中，同一孢子对的两个孢子基因型不同；对的两个孢子基因型不同；异常分离的子囊中，约有异常分离的子囊中，约有30%30%与其相邻的与其相邻的两侧标记连锁基因之间发生交换和重组；两侧标记连锁基因之间发生交换和重组；在有基因转变的子囊中，基因转变和遗传在有基因转变的子囊中，基因转变和遗传重组都发生在同样两条染色单体的子囊比重组都发生在同样两条染色单体的子囊比例竟高达例竟高达90%90%。即基因转变和重组是密切。即基因转变和重组是密切相关的相关的。见书见书p206-207p206-207由于重组出现了完全野生型
14、的孢子对由于重组出现了完全野生型的孢子对+，但没有重组的对应产物，但没有重组的对应产物双突变型双突变型的孢子对的孢子对pdx pdxp,pdx pdxp,但是，尽管但是，尽管pdxppdxp位点位点出现异常分离，其右侧紧密连锁的标记出现异常分离，其右侧紧密连锁的标记基因基因pdxpdx位点显示正常分离位点显示正常分离WinklerWinkler把真菌中不规则分离的现象解释把真菌中不规则分离的现象解释为同源染色体联会时，一个基因使其相为同源染色体联会时，一个基因使其相对的位置上的基因发生相应的变化所致，对的位置上的基因发生相应的变化所致，称为称为基因转变；基因转变；基因转变分为两种：基因转变分为
15、两种：染色单体转变和染色单体转变和 半染色单体转变半染色单体转变减数后分裂：减数后分裂：该异常分离时减数分裂后该异常分离时减数分裂后有丝分裂的产物，故又称减数后分离有丝分裂的产物，故又称减数后分离怎么解释这种现象呢？怎么解释这种现象呢？突变是不可能的，突变是不可能的，因为他们的频率比这些基因的正常突变因为他们的频率比这些基因的正常突变频率高很多频率高很多；同源染色体联会（图同源染色体联会（图中只显示四条染色单中只显示四条染色单体中的二条非姐妹染体中的二条非姐妹染色体单体色体单体）两条方向相同的单链两条方向相同的单链被切断；被切断；游离端的氢键断裂游离端的氢键断裂，离开互补单链离开互补单链游离端
16、交叉地和断裂游离端交叉地和断裂单链连接单链连接（2）Holliday模型模型连接成半交叉，称为连接成半交叉，称为holliday结构结构分支点移动呈分支点移动呈 “十字十字型型”“十字型十字型”的两臂旋的两臂旋转形成中空的十字结转形成中空的十字结构构不同解离方式经修补后连接形成重组和非重组的异源经修补后连接形成重组和非重组的异源DNADNA链链HollidayHolliday模型模型对基因转变机制的解释对基因转变机制的解释HollidayHolliday模型模型中无论哪种解离方式，都中无论哪种解离方式，都会产生会产生两个异源的两个异源的DNADNA双链双链异源双链有关的核苷酸链分别来自不同异源
17、双链有关的核苷酸链分别来自不同的亲本，如的亲本，如 g+ X g-g+ X g-，两者有一对碱基两者有一对碱基之差之差g+g+为：为：A C AA C A G G T T g- g-为为 A C AA C A T T T T T G T T G T C C A A T G TT G T A A A A异源双链异源双链DNADNA区应为：区应为：A C A A C A G G T T T G T T G T A A A A异源的异源的DNADNA是不稳定的是不稳定的不同异常分离比的形成不同异常分离比的形成，见书见书p213p213。GGA AGGC CA AGGT TA A丢失丢失丢失丢失野生型
18、野生型野生型野生型g+g+突变型突变型突变型突变型g-g-玉米的转座因子玉米的转座因子控制因子控制因子（controlling elements）玉米转座因子除具有转座的特性外，还具有玉米转座因子除具有转座的特性外，还具有调节其他基因的作用称为调节其他基因的作用称为控制因子控制因子玉米的胚乳的花斑玉米的胚乳的花斑：紫色、白色、白色背景下：紫色、白色、白色背景下的紫色斑点。解释：的紫色斑点。解释：玉米带有野生型玉米带有野生型C C基因基因时，则成时，则成紫色紫色C C基因突变阻止紫色素的合成，则成基因突变阻止紫色素的合成，则成白色（白色（c c）在胚乳发育过程中若发生回复突变则成花斑在胚乳发育过
19、程中若发生回复突变则成花斑认为认为C C基因突变的是由一个基因突变的是由一个“可移动的控制因子可移动的控制因子”插入失活引起的，即插入失活引起的，即解离因子解离因子(Dissociator,Ds)和激活因子（和激活因子（Activator,AcActivator,Ac）AcAc为自主型转座子为自主型转座子，全长，全长4.64.6kbkb，有有5 5个外显子，个外显子，产物是转座酶，支配受体因子因子移动（转座）产物是转座酶，支配受体因子因子移动（转座）. .两端是两端是1111bpbp的反向重复序列（的反向重复序列（IRIR），），即即55CAGGGATGAAATTTCATCCCTG3CAGGG
20、ATGAAATTTCATCCCTG3非自主型转座子非自主型转座子DsDs：两端序列与两端序列与AcAc相同相同，但确但确失了中间序列，丢失了转座所需要的有关酶，失了中间序列，丢失了转座所需要的有关酶，只有在只有在AcAc的转座酶活性被激活后，才能发生的的转座酶活性被激活后，才能发生的转座作用。转座作用。AcAc和和DsDs可以在基因组内移动，可以在基因组内移动，DsDs的存在可使染的存在可使染色体在近旁断裂的机会大大增加，并因此改变色体在近旁断裂的机会大大增加，并因此改变临近基因的表型。临近基因的表型。Ac-DsAc-Ds系统调节色素基因系统调节色素基因C C的机制的机制C基因位于玉米的九号染
21、色体短臂上， Ac-Ac-DsDs位于位于C基因附近；当C基因附近有AcAc而无而无DsDs时，时，C基因有活性，玉米籽粒有色素形成；当AcAc不存在，而DsDs因子插入、固定在因子插入、固定在C基因处， C基因失活，玉米籽粒无色素形成；当AcAc存在时，虽有DsDs因子插入、固定在因子插入、固定在C基因处， 但胚胎发育过程中，有些细胞中的DsDs因子会因因子会因AcAc的活化而发生切离转座，的活化而发生切离转座，C 基因恢复活性，这些细胞仍能合成色素；1.1.原核生物的转座因子原核生物的转座因子（1）插入序列（insertion sequence，IS） 最简单的转座元件，最初是在乳糖操纵子
22、中发现的一段自发的插入序列，阻止了被插入基因的转录，而常被称为插入序列IS序列都是可以独立存在的单元，两个末端有反向重复序列，中间带有介导自身移动的蛋白（转座酶）,不带有任何宿主基因。 细菌染色体或质粒DNA的正常组成部分。一个细菌细胞常带有少于10个IS序列。转座子常常被定位到特定的基因中，造成该基因突变。（2 2）转座子）转座子（transposontransposon， Tn Tn）转座子（转座子（transposontransposon， Tn Tn）是一类较大的是一类较大的转座因子，除了含有与它的转座作用有关的转座因子，除了含有与它的转座作用有关的基因外，还带有某些抗药性基因（或其他
23、宿基因外，还带有某些抗药性基因（或其他宿主基因）。因此又称复合式转座因子，转座主基因）。因此又称复合式转座因子，转座往往使宿主菌获得有关基因的特性；往往使宿主菌获得有关基因的特性；两翼往往是两个相同或高度同源的两翼往往是两个相同或高度同源的ISIS序列，序列，表明表明ISIS序列插入到某个功能基因两端时就可序列插入到某个功能基因两端时就可能产生复合转座子。一旦形成复合转座子，能产生复合转座子。一旦形成复合转座子，ISIS序列就不能再单独移动，因为它们的功能序列就不能再单独移动，因为它们的功能被修饰了，只能作为复合体移动。被修饰了，只能作为复合体移动。转座作用的机制转座作用的机制 转座时发生的插
24、入作用有一个普遍的特征，转座时发生的插入作用有一个普遍的特征，那就是受体分子中有一段很短的（那就是受体分子中有一段很短的（3-123-12bpbp）、）、被称为被称为靶序列的靶序列的DNADNA会被复制，使插入的转会被复制，使插入的转座子位于两个重复的靶序列之间。座子位于两个重复的靶序列之间。不同转座子的靶序列长度不同，但对于一不同转座子的靶序列长度不同，但对于一个特定的转座子来说，它所复制的靶序列长个特定的转座子来说，它所复制的靶序列长度都是一样的，如度都是一样的，如IS1IS1两翼总有两翼总有9 9个碱基对的个碱基对的靶序列，而靶序列，而Tn3Tn3两端总有两端总有5 5bpbp的靶序列。
25、的靶序列。 Duplication of the DNA sequence at a target site，when a transposon is inserted. The The duplicated duplicated sequences are sequences are shown in red. shown in red. These sequences These sequences are generally only a are generally only a few base pairs few base pairs long, so their size long
26、, so their size (compared with that (compared with that of a typical of a typical transposon) is transposon) is greatly exaggerated greatly exaggerated in this drawingin this drawing. .转座可被分为复制性和非复制性两大类。转座可被分为复制性和非复制性两大类。 在复制性转座在复制性转座中，所移动和转位的是中，所移动和转位的是原转座子的拷贝。转座酶原转座子的拷贝。转座酶（transposasetransposase）
27、和解离酶（和解离酶（resolvaseresolvase）分别作用于原始转座子和复制转座子。分别作用于原始转座子和复制转座子。TnATnA类转座主要是这种形式。类转座主要是这种形式。 在非复制性转座中，在非复制性转座中，原始转座子作为原始转座子作为一个可移动的实体直接被移位，一个可移动的实体直接被移位，ISIS序列、序列、MuMu及及Tn5Tn5等都以这种方式进行转座。等都以这种方式进行转座。 转座作用的遗传学效应转座作用的遗传学效应 转座引起插入突变转座引起插入突变; ; 转座产生新的基因转座产生新的基因; ; 转座产生的染色体畸变转座产生的染色体畸变; ; 转座引起的生物进化转座引起的生物进化. . ATTGCTAACGATTGCTAACGATTGCTAACGATTGCTAACGATTGCTAACGATTGCTAACG
