分子遺傳學(xué)_遺傳重組

1、Chapter 5 Genetic Recombination遺傳重組1Outline：什么叫遺傳重組？遺傳重組的類(lèi)型同源重組的分子機(jī)制細(xì)菌的轉(zhuǎn)化、接合和轉(zhuǎn)導(dǎo)同源重組的酶學(xué)機(jī)制2位點(diǎn)特異性重組轉(zhuǎn)座插入序列、復(fù)合轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)座的分子機(jī)制真核生物轉(zhuǎn)座子3Mutation 突變個(gè)體基因 突變基因間交流適者生存4廣義：任何造成基因型變化的基因交流過(guò)程都叫遺傳重組(genetic recombination)狹義：涉及DNA分子內(nèi)斷裂-復(fù)合的基因交流，有時(shí)又叫交換（crossing over）。DNA分子內(nèi)或分子間發(fā)生遺傳信息的重新組合，稱(chēng)為遺傳重組(genetic recombination)。重組產(chǎn)物為

2、重組體DNA(recombinant DNA)。Section 1 遺傳重組概述Outline of genetic recombination5用于染色體上的基因作圖（重組頻率與基因之間的距離相關(guān)）培育轉(zhuǎn)基因細(xì)胞和生物重組原理的應(yīng)用6Genetic recombinationHomologous Recombination同源重組Site-specific Recombination位點(diǎn)特異性重組Transposition Recombination轉(zhuǎn)座作用Illegitimate Recombination異常重組7-指發(fā)生在姐妹染色單體之間或同一染色體上含有同源序列的DNA分子之間或分子

3、之內(nèi)的重新組合。-通常根據(jù)Holliday結(jié)構(gòu)(holliday juncture structure)的形成和拆分分為3個(gè)階段，即前聯(lián)會(huì)體階段、聯(lián)會(huì)體形成和Holliday結(jié)構(gòu)的拆分。Section 2 Homologous Recombination同源重組8同源重組反應(yīng)嚴(yán)格依賴(lài)DNA分子之間的同源性100%同源-Homologous Recombination100%同源-Hemologous Recombination原核生物：通常放生在DNA復(fù)制過(guò)程中真核生物：常見(jiàn)于細(xì)胞周期的S期之后9Homologous recombination occurs between identical

4、 or nearly identical sequences. It is also called general recombination.10同源重組需要滿(mǎn)足的條件：（1）在交叉區(qū)域含有相同或幾乎相同的堿基序列；（2）雙鏈DNA分子之間發(fā)生互補(bǔ)配對(duì)；（3）需要重組酶的催化；（4）形成異源雙鏈；（5）發(fā)生聯(lián)會(huì) 11切斷(nicking)鏈置換(strand displacement)單鏈侵入(single-strand invasion)嚕噗切除(loop cleavage)鏈同化(strand assimilation)異構(gòu)化(isomerization)分支遷移(branch migr

5、ation)一、同源重組的分子機(jī)制（一）斷裂-復(fù)合及Holliday中間體12重組的前提之一是參與重組的兩條DNA分子必須靠近，同源序列之間嚴(yán)格配對(duì)，配對(duì)又叫做聯(lián)會(huì)(synapsis)。13DNA invading(recA) Branch migration (recA) DNA ligase535353535353535353535353535353535335535353Holiday intermediate53535353 endonuclease (recBCD) endonuclease (recBCD)145353535353535353Holliday intermediat

6、e155355533355553333535553335555333353555333 endonuclease (ruvC) endonuclease (ruvC) DNA ligase DNA ligase patch recombinant splice recombinant1617電鏡下的Holliday結(jié)構(gòu) 以上討論的是兩個(gè)完整的雙螺旋DNA分子之間的重組。重組也可以發(fā)生在一個(gè)完整雙螺旋DNA分子和一個(gè)片段（單鏈的和雙鏈的）之間。（二）細(xì)菌轉(zhuǎn)化、接合和轉(zhuǎn)導(dǎo)的重組機(jī)制19Bacterial Conjugation has been defined as the transmissio

7、n of genetic information from a donor bacterium to a recipient cell through cell-to-cell contact.（donor供體；recipient受體）1 Conjugation接合20Conjugation process21Conjugation process2223Conjugation process24Introduction of an exogenous DNA into a cell, causing the cell to acquire a new phenotype. （exogenou

8、s外源的；phenotype形態(tài)）2 Transformation轉(zhuǎn)化25Transformation26Transformation experiment of Streptococcus pneumoniae 2728Transduction is the transfer of DNA fragments from one bacterium to another bacterium by a bacteriophage. （exogenous外源的；phenotype形態(tài)）3 Transduction轉(zhuǎn)導(dǎo)29Transduction303132E.coli的RecA蛋白是一個(gè)39kDa

9、的單肽鏈，是同源重組過(guò)程中最重要的蛋白質(zhì)，也叫重組酶(recombinase)作用：促進(jìn)同源DNA聯(lián)會(huì)和促進(jìn)DNA分子間的單鏈交換二、同源重組的酶學(xué)機(jī)制33單鏈DNA結(jié)合活性雙鏈DNA結(jié)合活性NTP酶活性促進(jìn)互補(bǔ)單鏈復(fù)性的能力34RecA蛋白在同源重組的具體作用分為3個(gè)階段：RecA的第一個(gè)DNA結(jié)合位點(diǎn)（初級(jí)位點(diǎn)）與單鏈DNA結(jié)合，包被DNA，形成蛋白質(zhì)-DNA絲狀復(fù)合物；RecA的第二個(gè)DNA結(jié)合位點(diǎn)（次級(jí)位點(diǎn)）與1個(gè)雙鏈DNA分子結(jié)合，形成三鏈DNA中間體，隨后單鏈DNA侵入雙鏈DNA，尋找同源序列；RecA催化鏈交換，由被RecA包被的單鏈DNA從53方向取代雙鏈DNA分子之中的同源舊

10、鏈，形成異源雙鏈，并發(fā)生分叉遷移35RecA蛋白促進(jìn)2個(gè)雙鏈DNA分子鏈之間的交換36RecA蛋白促進(jìn)單鏈DNA與雙鏈DNA進(jìn)行鏈交換37RecA蛋白單體的三維結(jié)構(gòu)模型38RecBCD蛋白：由RecB、RecC和RecD三個(gè)亞基組成。 具有5種酶的活性外切核酸酶V、解鏈酶、核酸內(nèi)切酶、ATP酶和單鏈DNA外切酶；RecBCD蛋白參與細(xì)胞內(nèi)的RecBCD同源重組途徑首先它與雙鏈DNA分子自由末端結(jié)合，依靠其外切核酸酶V的活性同時(shí)降解DNA的2條鏈，然而，一旦遇到chi（）序列，RecD亞基就從復(fù)合物中釋放出來(lái)，留下來(lái)的RecBC蛋白開(kāi)始以解鏈酶的活性發(fā)揮作用，在水解ATP的同時(shí)，解開(kāi)DNA雙鏈，

11、產(chǎn)生單鏈DNA，為RecA發(fā)揮作用鋪平道路，最終起動(dòng)了鏈交換和重組反應(yīng)39RecBCD蛋白的作用模型 40RecF途徑： 這主要是質(zhì)粒之間進(jìn)行重組的途徑，需要的蛋白質(zhì)有RecA、RecJ、RecN、RecO、RecQ和Ruv等41Site-specific recombination occurs at a specific DNA sequence.位點(diǎn)特異性重組發(fā)生在兩條DNA的特異位點(diǎn)上。The first example was found in the integration between lDNA and E. coli DNA.Section 3 Site-specific R

12、ecombination位點(diǎn)特異性重組42DNA integration43噬菌體的位點(diǎn)特異性整合44Transposition is the movement of specific pieces of DNA in the genome.轉(zhuǎn)座過(guò)程中，轉(zhuǎn)座成分從染色體的一個(gè)區(qū)段轉(zhuǎn)移到另一 個(gè)區(qū)段或從一條染色體轉(zhuǎn)移到另一條染 色體。由于轉(zhuǎn)座作用總是伴隨著轉(zhuǎn)座成分的復(fù)制，故又稱(chēng)為復(fù)制重組(replicative recombination)Section 4 Transposition轉(zhuǎn)座作用45Transposition resembles site-specific recombinatio

13、n being catalyzed by special enzymes.轉(zhuǎn)座類(lèi)似于位點(diǎn)特異性重組，只不過(guò)需要特殊酶的催化。46 可轉(zhuǎn)移成分現(xiàn)在一般叫做轉(zhuǎn)座單元，簡(jiǎn)稱(chēng)轉(zhuǎn)座元（transposons），也叫做轉(zhuǎn)座子。雖然“轉(zhuǎn)移”，但是“復(fù)制”-轉(zhuǎn)座作用涉及轉(zhuǎn)座子的復(fù)制（replicative recombination），當(dāng)一個(gè)拷貝插入基因組的新位置后，原來(lái)位置上仍保留一個(gè)拷貝。47和同源重組及位點(diǎn)特異性重組不同，轉(zhuǎn)座作用不依賴(lài)轉(zhuǎn)座子和靶點(diǎn)之間以及供點(diǎn)和靶點(diǎn)之間任何的序列同源性。1 細(xì)菌中的轉(zhuǎn)座作用48轉(zhuǎn)座子插入復(fù)制49使靶點(diǎn)處基因失活；存在及復(fù)制加重了細(xì)胞的生理負(fù)擔(dān)基因缺失、倒位、易位；作為袖

14、珍同源區(qū)域允許重組發(fā)生；某些細(xì)菌質(zhì)粒進(jìn)化的方式50細(xì)菌中的轉(zhuǎn)座成分依組成結(jié)構(gòu)可以分為：插入序列(insertion sequences)、復(fù)合轉(zhuǎn)座子(composite transposons)、TnA轉(zhuǎn)座子家族(TnA family)和可轉(zhuǎn)移噬菌體(transposable phages)511.插入序列(insertion sequences) IS52insertion sequences (IS) including:inverted terminal repeats (IR)：1525bptransposase genedirect repeats：59bpIS Transposit

15、ionTransposase gene53types of IS transpositionduplicative transpositionConservative transposition54duplicative transposition55Conservative transposition56IS的轉(zhuǎn)座機(jī)制IS的結(jié)構(gòu)57transposonInsertion sequence + another gene (usually antibiotic gene)Transposase genetet-R gene58Transposons Transposition59602.復(fù)合轉(zhuǎn)座

16、子(composite transposons)復(fù)合轉(zhuǎn)座子含有一個(gè)中心序列和位于其兩側(cè)的壁（IS或類(lèi)IS）。中心序列含有抗藥性基因等遺傳信息。左、右兩個(gè)壁在序列上相似，因此有時(shí)又叫長(zhǎng)末端重復(fù)(lengthy terminal repeat)。613.TnA轉(zhuǎn)座子家族(TnA family)較長(zhǎng)，約5000bp，比IS長(zhǎng)的多。同時(shí)攜帶有負(fù)責(zé)自身轉(zhuǎn)座的基因和諸如抗藥性基因等其他基因。兩端沒(méi)有IS或類(lèi)IS組件。624.可轉(zhuǎn)移噬菌體(Mu phages)以E.coli為寄主的溫和噬菌體，以裂解生長(zhǎng)和溶源生長(zhǎng)兩種交替方式之一繁衍自己。63復(fù)合型轉(zhuǎn)座子的結(jié)構(gòu)Mu噬菌體的結(jié)構(gòu)64真核生物的轉(zhuǎn)座子根據(jù)轉(zhuǎn)座的機(jī)

17、理將真核生物的轉(zhuǎn)座子分為二類(lèi)：第一類(lèi)是反轉(zhuǎn)座子，其轉(zhuǎn)座過(guò)程是DNARNADNA，需要RNA中間體；第二類(lèi)是DNA轉(zhuǎn)座子，其轉(zhuǎn)座過(guò)程是DNADNA，無(wú)RNA中間體。DNA轉(zhuǎn)座子又分為復(fù)制型DNA轉(zhuǎn)座子和保留型DNA轉(zhuǎn)座子，其中，復(fù)制型在轉(zhuǎn)位前后，原位置上的拷貝仍然存在，只是通過(guò)“復(fù)制”和“粘貼”的方式，復(fù)制一份到新的位點(diǎn)；而保留型在轉(zhuǎn)座中，原來(lái)的拷貝被“剪切”后“粘貼”到新的位點(diǎn)，即原來(lái)的拷貝被原封不動(dòng)地轉(zhuǎn)移并保留到新的位點(diǎn)。每一類(lèi)轉(zhuǎn)座子都有自主型和非自主型。自主型轉(zhuǎn)座子的內(nèi)部含有開(kāi)放的閱讀框架，自己編碼轉(zhuǎn)座所必需的酶或蛋白質(zhì)；非自主型轉(zhuǎn)座子缺乏足夠的編碼能力，卻保留了轉(zhuǎn)座所必需的順式元件，在合

18、適的自主型轉(zhuǎn)座子編碼的轉(zhuǎn)座酶的作用下，它們照樣可以進(jìn)行轉(zhuǎn)座。 65玉米的Ac-Ds系統(tǒng)McClintock在玉米基因組發(fā)現(xiàn)的Ac-Dc系統(tǒng)可謂是最有代表性的例子。Ac代表激活元件，屬于自主型，帶有全功能的轉(zhuǎn)座酶基因；Ds代表解離元件，屬于非自主型，帶有缺失的轉(zhuǎn)座酶基因，由Ac突變而來(lái)。Ac和Ds之間關(guān)系密切，一“主”一“仆”，Ds單獨(dú)不能移位，因?yàn)樗荒芎铣赊D(zhuǎn)座酶。同一個(gè)細(xì)胞內(nèi)，必須有Ac的存在，Ds才會(huì)移動(dòng)。如果Ac或Ds插入到玉米種子的紫色色素基因C內(nèi)部，則紫色色素基因被關(guān)閉，使玉米籽粒不能產(chǎn)生紫色色素，而成為黃色；如果Ds從C內(nèi)跳開(kāi)，C所受的抑制作用即被解除，玉米籽粒又變成紫色；如果Ds跳到遠(yuǎn)離Ac處，或者Ac本身跳開(kāi)，Ds即不受Ac的控制，它又可以發(fā)揮對(duì)結(jié)構(gòu)基因SG的抑制作用，使玉米籽粒成為黃色。Ac和Ds跳動(dòng)得如此之快，使得受它們控制的顏色基因時(shí)關(guān)時(shí)開(kāi)，于是玉米籽粒便出現(xiàn)了斑斑點(diǎn)點(diǎn)。66反轉(zhuǎn)座子反轉(zhuǎn)座子在真核生物的基因組中占很高的比例，它在結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和轉(zhuǎn)位的方式上與逆轉(zhuǎn)錄病毒的復(fù)制很相似