第十二章遺傳重組

1、 一、遺傳重組的概念和類型一、遺傳重組的概念和類型二、同源重組二、同源重組三、位點特異性重組三、位點特異性重組四、轉(zhuǎn)座四、轉(zhuǎn)座五、異常重組五、異常重組1、遺傳重組的概念、遺傳重組的概念 細胞之間或細胞之間或DNA分子之間核苷酸片段的交換或者分子之間核苷酸片段的交換或者轉(zhuǎn)移。轉(zhuǎn)移。 廣義指：廣義指：任何造成基因型變化的基因交流過程任何造成基因型變化的基因交流過程，包括減數(shù)分裂中染色體的隨機組合、連鎖互換、雌雄包括減數(shù)分裂中染色體的隨機組合、連鎖互換、雌雄配子結(jié)合形成的新的基因型、配子結(jié)合形成的新的基因型、 細菌雜交、轉(zhuǎn)導(dǎo)、轉(zhuǎn)化、細菌雜交、轉(zhuǎn)導(dǎo)、轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)座、整合等；轉(zhuǎn)座、整合等； 狹義指：狹義指：

2、僅涉及到僅涉及到DNA分子斷裂愈合的基因交分子斷裂愈合的基因交流過程流過程，包括連鎖互換、細菌雜交、轉(zhuǎn)導(dǎo)、轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)，包括連鎖互換、細菌雜交、轉(zhuǎn)導(dǎo)、轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)座、整合等。座、整合等。 2、遺傳重組的類型、遺傳重組的類型 1）同源重組（）同源重組（homologous recombination） 同源染色體間或同源序列之間某區(qū)段的交換同源染色體間或同源序列之間某區(qū)段的交換。包括真。包括真核生生物同源區(qū)段的交換，細菌同源區(qū)段的交換核生生物同源區(qū)段的交換，細菌同源區(qū)段的交換 。 2）位點特異性重組（）位點特異性重組（site-specific recombination） 供體供體DNA僅整合在受體僅

3、整合在受體DNA的某一位點的重組的某一位點的重組。如。如 噬菌體僅能重組在噬菌體僅能重組在E.coli的生物素操縱子與半乳糖操縱子的生物素操縱子與半乳糖操縱子之間之間 3）轉(zhuǎn)座（）轉(zhuǎn)座（transposon） 一些一些DNA片段或噬菌體片段或噬菌體DNA能在大腸桿菌的質(zhì)粒間、能在大腸桿菌的質(zhì)粒間、DNA間來回轉(zhuǎn)移的重組。間來回轉(zhuǎn)移的重組。 4）異常重組（）異常重組（illegitimate recombination） 指一些非法交換、不對等交換現(xiàn)象指一些非法交換、不對等交換現(xiàn)象.如末端連接和鏈如末端連接和鏈的滑動。的滑動。 同源重組（同源重組（homologous recombination

4、）:（1）發(fā)生在同源）發(fā)生在同源DNA序列之間序列之間一、特征一、特征 （2）負責(zé)負責(zé)DNA配對和重組的蛋白質(zhì)因子無堿基序列配對和重組的蛋白質(zhì)因子無堿基序列 特異性特異性 （3）產(chǎn)生兩種對應(yīng)的重組體）產(chǎn)生兩種對應(yīng)的重組體 細線期細線期偶線期偶線期粗線期粗線期雙線期雙線期終變期終變期 e.g.e.g. Euk. Euk.減數(shù)分裂時減數(shù)分裂時 的染色單體之間的染色單體之間 的交換的交換 細菌的轉(zhuǎn)化，細菌的轉(zhuǎn)化， 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 導(dǎo)，接合，噬菌體導(dǎo)，接合，噬菌體 重組重組三、同源重組的分子機制三、同源重組的分子機制1、 斷裂復(fù)合及斷裂復(fù)合及Holliday中間體的形成中間體的形成 Holliday結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 同

5、源重組中連接兩個同源重組中連接兩個DNA雙鏈的交換中間物含有雙鏈的交換中間物含有4股股DNA鏈，鏈， 在連接處為了轉(zhuǎn)換配對所形成交叉鏈的連接點為在連接處為了轉(zhuǎn)換配對所形成交叉鏈的連接點為 同源重組都涉及到同源重組都涉及到DNA分子內(nèi)的斷裂分子內(nèi)的斷裂復(fù)合復(fù)合1964年年Holliday提出，又叫提出，又叫Holliday模型模型第一步第一步 聯(lián)會聯(lián)會 同源的非姊妹染色單體間聯(lián)會形成聯(lián)同源的非姊妹染色單體間聯(lián)會形成聯(lián) 會復(fù)合體會復(fù)合體第二步第二步 酶切酶切 內(nèi)切酶分別在內(nèi)切酶分別在DNA分子上各切開一條分子上各切開一條單鏈單鏈第三步第三步 交換重接交換重接 第四步第四步 形成交聯(lián)橋結(jié)構(gòu)形成交聯(lián)橋

6、結(jié)構(gòu)第五步第五步 分支遷移，形成分支遷移，形成Holliday結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)第六步第六步 分支構(gòu)型變化分支構(gòu)型變化第七步第七步 分支繞交聯(lián)橋旋轉(zhuǎn)分支繞交聯(lián)橋旋轉(zhuǎn)1800 第八步第八步 Holliday中間體拆分中間體拆分 2、遺傳重組的酶學(xué)機制、遺傳重組的酶學(xué)機制 在遺傳重組過程中，尤其在同源重組中需要在遺傳重組過程中，尤其在同源重組中需要recA蛋白蛋白和和recBC蛋白蛋白. recA蛋白又叫重組酶、重組蛋白、蛋白又叫重組酶、重組蛋白、X蛋白、依賴于蛋白、依賴于ATP的酶。的酶。 recA蛋白蛋白由由E.coli的的recA基因編碼，分子量約基因編碼，分子量約38 000 Da，由，由353個氨

7、基酸組成，其主要作用是促進同個氨基酸組成，其主要作用是促進同源源DNA聯(lián)會，促進聯(lián)會，促進DNA分子間單鏈交換形成交聯(lián)橋分子間單鏈交換形成交聯(lián)橋和和Chi結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)，此 酶有多種特性。酶有多種特性。RecA入侵單鏈入侵單鏈被置換連被置換連RecA引發(fā)鏈侵入模型引發(fā)鏈侵入模型RecA promotes the assimilation of invading single strands into duplex DNA so long as one of the reacting strands has a free end. RecA啟動的單鏈入侵啟動的單鏈入侵3 RecBCD的識別和切割位

8、點的識別和切割位點a、 RecBCD結(jié)合在結(jié)合在DNA的平的平 頭末端（產(chǎn)生機制不清楚）頭末端（產(chǎn)生機制不清楚）b、 外切、外切、解鏈、移動解鏈、移動 （ATP）c、 兔耳狀兔耳狀 loop 結(jié)構(gòu)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)產(chǎn)生（再旋酶活性低于解旋酶活性）（再旋酶活性低于解旋酶活性）d、 RecBCD 在在 loop 單鏈區(qū)的單鏈區(qū)的 chi 位點位點3方方46NT處切處切 斷單鏈（單鏈內(nèi)切酶）斷單鏈（單鏈內(nèi)切酶） chi位點：位點：GCTGGTGG 目前發(fā)現(xiàn)的重組熱點目前發(fā)現(xiàn)的重組熱點 E.coli 含含 1000 個、個、Euk.a、 RuvA 識別識別 Holliday 結(jié)構(gòu)的連接點結(jié)構(gòu)的連接點b、 Ruv

9、B 為分枝遷移提供動力（為分枝遷移提供動力（ATPase 1020bp/s） c、 RuvC 核酸內(nèi)切酶核酸內(nèi)切酶-專一性識別專一性識別 Holliday 結(jié)構(gòu)的連接點結(jié)構(gòu)的連接點 體外切段連接點以拆分重組體體外切段連接點以拆分重組體3、分枝遷移和分枝遷移和Holliday結(jié)構(gòu)的拆分結(jié)構(gòu)的拆分 分枝遷移（分枝遷移（branch migaration） 雙螺旋形成的交叉連接以拉鏈?zhǔn)叫?yīng)擴散雙螺旋形成的交叉連接以拉鏈?zhǔn)叫?yīng)擴散Holliday的異構(gòu)化的異構(gòu)化產(chǎn)生重組體的拆分產(chǎn)生重組體的拆分Holliday結(jié)構(gòu)一經(jīng)生成即可結(jié)構(gòu)一經(jīng)生成即可不斷地處于異構(gòu)化不斷地處于異構(gòu)化異源雙鏈異源雙鏈 hetero

10、duplex DNA重組結(jié)果取決于拆分時重組結(jié)果取決于拆分時配對鏈上的切口位置配對鏈上的切口位置“親本鏈親本鏈”“重組體重組體”12一、位點特異性重組（一、位點特異性重組（ site-specific recombination）1、概念：發(fā)生在專一序列而序列極少相同的、概念：發(fā)生在專一序列而序列極少相同的DNA分子間分子間 的重組的重組噬菌體基因組整合到細菌染色體基因組中屬此種重組噬菌體基因組整合到細菌染色體基因組中屬此種重組2、特征：、特征： 在特定的結(jié)合序列部位，有專一的酶催化斷裂重接在特定的結(jié)合序列部位，有專一的酶催化斷裂重接 -產(chǎn)生精確的產(chǎn)生精確的DNA重排重排 具有整合作用的兩個基

11、本特征具有整合作用的兩個基本特征a、 典型的保守性重組典型的保守性重組b、 發(fā)生在噬菌體和細菌發(fā)生在噬菌體和細菌DNA短同源序列的專一性核苷酸上短同源序列的專一性核苷酸上二、二、phagephage的整合與切除的整合與切除1、實現(xiàn)機制：、實現(xiàn)機制：均是通過均是通過-細菌細菌DNADNA和和DNADNA上特定位點之間的重組上特定位點之間的重組2、特定位點、特定位點-附著位點（附著位點（attachment site att） E.coli attB 含含BOB三序列三序列 25bp phage attP 含含 POP三序列三序列 240bp 核心序列核心序列 “ “O”完全一致完全一致 （同源部

12、分）（同源部分） -位點特異性重組發(fā)生的地方位點特異性重組發(fā)生的地方 B,B,P,P-臂臂3、整合過程、整合過程 整合后的附著位點為整合后的附著位點為 attL（BOP） attR（POB） 整合位點整合位點-attB、attP 切除位點切除位點-attL、attR 整合過程需要整合過程需要整合酶整合酶 （integrase Int）（）（編碼編碼） 和和寄主的整合宿主因子寄主的整合宿主因子IHF （integration host factor） 共同作用共同作用 Int蛋白能蛋白能切斷切斷DNA，并使它重新，并使它重新連接連接，近而使，近而使holliday結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)拆分拆分 重組時重組時a

13、ttP和和attB部位交叉斷裂，互補單鏈末端進行交叉雜交部位交叉斷裂，互補單鏈末端進行交叉雜交-DNA對對E.coli的整合：的整合：BOPPOB（原噬菌體）（原噬菌體）BOB（細菌）（細菌）+POP （噬菌體）（噬菌體）IntIHFBOPPOB（原噬菌體）（原噬菌體）BOB（細菌）（細菌）+POP （噬菌體）（噬菌體）Int，XisIHF溶源性細菌溶源性細菌(lysogen)溶菌周期溶菌周期（lysis）原噬菌體原噬菌體一、轉(zhuǎn)座成分概述一、轉(zhuǎn)座成分概述1、轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)座子(元元)或轉(zhuǎn)座元件或轉(zhuǎn)座元件(transposon or transposable element): 基因組上不必借助于同源

14、序列就可以移動的基因組上不必借助于同源序列就可以移動的DNA片段，它們可以直片段，它們可以直 接從基因組的一個位點移到另一個位點（供體和受體）接從基因組的一個位點移到另一個位點（供體和受體）轉(zhuǎn)座（轉(zhuǎn)座（transposition）：轉(zhuǎn)座元的轉(zhuǎn)移過程（不十分確切）：轉(zhuǎn)座元的轉(zhuǎn)移過程（不十分確切）2、發(fā)現(xiàn)和發(fā)展、發(fā)現(xiàn)和發(fā)展 1914 A. Emerson 1936 Marcus . M. Rhoabes 玉米果皮、糊粉層花斑突變玉米果皮、糊粉層花斑突變 玉米籽粒糊粉層色素不穩(wěn)定遺傳機理玉米籽粒糊粉層色素不穩(wěn)定遺傳機理 跳躍基因（跳躍基因（jumping gene） 1947 冷泉港實驗室（美）冷泉

15、港實驗室（美） Barbara McClintocka) 不依賴不依賴供體序列供體序列與靶位點間序列的同源性與靶位點間序列的同源性b) 轉(zhuǎn)座不是簡單的轉(zhuǎn)移，涉及轉(zhuǎn)座子的復(fù)制轉(zhuǎn)座不是簡單的轉(zhuǎn)移，涉及轉(zhuǎn)座子的復(fù)制HotspotsHotspots (熱點熱點)Regional preferenceRegional preference ( 在在3kb區(qū)域內(nèi)的隨機插入?yún)^(qū)域內(nèi)的隨機插入) d) 某些轉(zhuǎn)座因子（某些轉(zhuǎn)座因子（Tn3）對同類轉(zhuǎn)座因子的插入具有排他性）對同類轉(zhuǎn)座因子的插入具有排他性 （免疫性）（免疫性）e) 靶序列在轉(zhuǎn)座因子兩側(cè)會形成正向重復(fù)靶序列在轉(zhuǎn)座因子兩側(cè)會形成正向重復(fù) f) 轉(zhuǎn)座因子的

16、切除與轉(zhuǎn)座將產(chǎn)生復(fù)雜的遺傳學(xué)效應(yīng)轉(zhuǎn)座因子的切除與轉(zhuǎn)座將產(chǎn)生復(fù)雜的遺傳學(xué)效應(yīng)3、轉(zhuǎn)座重組的特點、轉(zhuǎn)座重組的特點c) 轉(zhuǎn)座插入的靶位點并非完全隨機轉(zhuǎn)座插入的靶位點并非完全隨機（插入專一型）（插入專一型）二、原核生物轉(zhuǎn)座子種類二、原核生物轉(zhuǎn)座子種類簡單轉(zhuǎn)座子（簡單轉(zhuǎn)座子（插入序列，插入序列，insertion sequence，IS ）復(fù)合轉(zhuǎn)座子復(fù)合轉(zhuǎn)座子共同特征：共同特征： a）兩端有）兩端有2040bp的的反向重復(fù)序列反向重復(fù)序列（IR） b）具有編碼）具有編碼轉(zhuǎn)座酶轉(zhuǎn)座酶（transposase）的基因）的基因1、插入序列、插入序列最簡單，是細菌染色體、質(zhì)粒和某些噬菌體的正常組分最簡單，是細菌

17、染色體、質(zhì)粒和某些噬菌體的正常組分命名：命名： IS編號（鑒定類型）編號（鑒定類型） 長度長度 7002000bp兩端兩端IR為轉(zhuǎn)座為轉(zhuǎn)座酶的識別位點酶的識別位點特點：特點：插入靶位點后會出現(xiàn)靶位點的正插入靶位點后會出現(xiàn)靶位點的正向重復(fù)（向重復(fù)（39bp） Tn / TnA family Tn / TnA family l 具有具有IR、轉(zhuǎn)座酶基因、轉(zhuǎn)座酶基因、 調(diào)節(jié)基因（解離酶）、抗抗生素基因調(diào)節(jié)基因（解離酶）、抗抗生素基因 l Tn1 (AmpR) Tn2 (AmpR) Tn3 (AmpR) Tn4 (AmpR StrR) Tn5 (KanR) Tn6 (kanR) Tn7 (StrR T

18、mpR) Tn9 (CamR) Tn10 (TetR) 2 kb 25 kb Tn3 IR TnpA Res TnpR AmpR IR 38bp 38bp 轉(zhuǎn)座酶轉(zhuǎn)座酶 regulator - 內(nèi)酰胺酶內(nèi)酰胺酶 2 2、復(fù)合轉(zhuǎn)座子（、復(fù)合轉(zhuǎn)座子（Composite transposon,TnComposite transposon,Tn） 大小大小玉米轉(zhuǎn)座子現(xiàn)象玉米轉(zhuǎn)座子現(xiàn)象三、真核生物的轉(zhuǎn)座子三、真核生物的轉(zhuǎn)座子The Ac element has two open reading frames; Ds elements have internal deletions. 玉米轉(zhuǎn)座子系統(tǒng)玉米轉(zhuǎn)

19、座子系統(tǒng)Ac轉(zhuǎn)座酶活性沒有被激活，無轉(zhuǎn)座發(fā)生轉(zhuǎn)座酶活性沒有被激活，無轉(zhuǎn)座發(fā)生Ac轉(zhuǎn)座酶活性被激活，轉(zhuǎn)座發(fā)生轉(zhuǎn)座酶活性被激活，轉(zhuǎn)座發(fā)生性狀發(fā)生改變性狀發(fā)生改變2.果蠅中的果蠅中的P因子因子P P品系品系M M品系品系M M（）（）P P（），后代可育（），后代可育M M（）（）P P（），后代不育（），后代不育P P品系的細胞中有導(dǎo)致雜種劣育的遺傳因子，品系的細胞中有導(dǎo)致雜種劣育的遺傳因子，稱為稱為P P因子因子。Hybrid dysgenesis is asymmetrical; it is induced by P male x M female crosses, but not by M

20、male x P female crosses. 果蠅果蠅P因子的結(jié)構(gòu)因子的結(jié)構(gòu)四、轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)座機制及模式四、轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)座機制及模式 三種類型：復(fù)制型、非復(fù)制型和保守型三種類型：復(fù)制型、非復(fù)制型和保守型1、復(fù)制型轉(zhuǎn)座模式、復(fù)制型轉(zhuǎn)座模式 實質(zhì)：轉(zhuǎn)座子元件被復(fù)制并被移動到受體位點，最終轉(zhuǎn)座過程實質(zhì)：轉(zhuǎn)座子元件被復(fù)制并被移動到受體位點，最終轉(zhuǎn)座過程 擴增了轉(zhuǎn)座子的拷貝（供、受點）擴增了轉(zhuǎn)座子的拷貝（供、受點） 需兩種酶：需兩種酶： 轉(zhuǎn)座酶（作用于原拷貝兩末端）轉(zhuǎn)座酶（作用于原拷貝兩末端） 解離酶（作用于復(fù)制后的拷貝）解離酶（作用于復(fù)制后的拷貝） 模式：模式：2、非復(fù)制型轉(zhuǎn)座模式、非復(fù)制型轉(zhuǎn)座模式

21、供體上最終產(chǎn)生雙鏈斷裂供體上最終產(chǎn)生雙鏈斷裂 供體位點如不能被修復(fù)則有供體位點如不能被修復(fù)則有致致 死效應(yīng)死效應(yīng)3、保守型轉(zhuǎn)座模式、保守型轉(zhuǎn)座模式 另一種非復(fù)制型另一種非復(fù)制型 與與整合機制相似整合機制相似 其轉(zhuǎn)座酶與其轉(zhuǎn)座酶與整合酶家整合酶家 族有關(guān)族有關(guān)五、轉(zhuǎn)座的遺傳效應(yīng)五、轉(zhuǎn)座的遺傳效應(yīng) A、引起插入突變，如果在操縱子上游則引起極性突變、引起插入突變，如果在操縱子上游則引起極性突變 B、插入位上出現(xiàn)新基因、插入位上出現(xiàn)新基因 C、增加同源序列的整合、增加同源序列的整合 D、準(zhǔn)確切離引起回復(fù)突變、準(zhǔn)確切離引起回復(fù)突變 E、不準(zhǔn)確切離引起染色體畸變、不準(zhǔn)確切離引起染色體畸變 F、改變?nèi)旧w結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)座后促使染色體缺失、倒位、改變?nèi)旧w結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)座后促使染色體缺失、倒位 G、調(diào)節(jié)某一基因的活動、調(diào)節(jié)某一基因的活動 H、轉(zhuǎn)座子可帶入新的基因引起變異，利于進化、轉(zhuǎn)座子可帶入新的基因引起變異，利于進化 不需要不需要DNA同源序列或彼此同源性很小，不需要重組蛋同源序列或彼此同源性很小，不需要重組蛋白、轉(zhuǎn)座酶的重組，是最原始的重組途徑，也是基因組進化白、轉(zhuǎn)座酶的重組，是最原始的重組途徑，也是基因組進化的重要途徑。的重要途徑。 這種途徑可能和癌癥發(fā)生、遺傳性疾病、基因組進化有這種途徑可能和癌癥發(fā)生、遺傳性疾病、基因組進化有關(guān)，重組的結(jié)果導(dǎo)致移碼、缺失、倒