第3章-轉座子與遺傳重組課件

第3章轉座子與遺傳重組1第3章轉座子與遺傳重組1第一節(jié)轉座子第二節(jié)遺傳重組本章內容2第一節(jié)轉座子本章內容2第一節(jié)轉座子一、轉座子的分類和結構特征二、轉座子轉座的機理和效應三、常見轉座子簡介3第一節(jié)轉座子一、轉座子的分類和結構特征3一、轉座子的分類和結構特征1944年Avery證實DNA負責物質的轉化，確立了DNA是遺傳物質的地位。4一、轉座子的分類和結構特征1944年Avery證實DNA負責1952年，Hershey,A.D.和Chase.M用噬菌體感染實驗徹底證實了DNA是遺傳物質。

51952年，Hershey,A.D.和Chase.M用噬一般認為基因在染色體上的位置是固定不變的，所以遺傳學家才能利用遺傳作圖將基因定位在染色體的某個位置?？墒沁@種不變是相對的。6一般認為基因在染色體上的位置是固定不變的，所以遺傳學家才能利二十世紀40年代有科學家發(fā)現(xiàn)有些基因在染色體上的位置不是固定的，可以到處移動！可是這個思想與人們當時對基因的認識相差太大，以至于一直過了30多年，人們才理解！7二十世紀40年代有科學家發(fā)現(xiàn)有些基因在染色體上的位置不是固定1951年麥克林托克（BarbaraMcClintock）提出跳躍基因學說。1983年81歲的她因發(fā)現(xiàn)可移動遺傳物質獲諾貝爾生理學和醫(yī)學獎。此時距離她剛發(fā)現(xiàn)時已經三十多年了。81951年麥克林托克（BarbaraMcClintock）芭芭拉·麥克林托克1902年出生于美國康涅狄格州，1923年在康奈爾大學本科畢業(yè)，4年后獲得植物學博士學位。從事植物遺傳學研究。1944年成為美國國家科學院第3位女院士，1945年又被選為美國遺傳學會第一位女會長。9芭芭拉·麥克林托克1902年出生于美國康涅狄格州，1923年1951年，在冷泉港的學術研討會上，麥克林托克做了題為《染色體結構與基因表達》的報告，公開了她六年辛勤努力的研究成果———跳躍基因學說，她指出：玉米的染色體中含有跳躍基因，會在染色體上移動，并可在不同染色體間轉位，并對其他基因產生影響。101951年，在冷泉港的學術研討會上，麥克林托克做了題為《染色在1956年冷泉港的學術研討會上，麥克林托克再次闡述她的跳躍基因學說與相關的機制，而結果卻是更多的奚落、批評與攻擊。她發(fā)現(xiàn)自己的成果很難被其他人理解，于是她決定不再發(fā)表文章和做報告，只繼續(xù)著自己的研究。11在1956年冷泉港的學術研討會上，麥克林托克再次闡述她的跳躍1967年Shapiro等才在大腸桿菌中發(fā)現(xiàn)了轉座因子（transposableelement）。隨后越來越多的發(fā)現(xiàn)印證了她的理論，她的工作才漸漸受到重視和認同。1983年她獲得了諾貝爾生理學和醫(yī)學獎。121967年Shapiro等才在大腸桿菌中發(fā)現(xiàn)了轉座因子（tr/ColdSpringHarborLaboratory13/ColdSprin/ColdSpringHarborLaboratory14/ColdSprin冷泉港實驗室（TheColdSpringHarborLaboratory，縮寫CSHL），是一個非盈利的私人科學研究與教育中心，位于美國紐約州長島上，建于1890年。被稱為世界生命科學的圣地與分子生物學的搖籃，名列世界上影響最大的十大研究學院榜首；不僅如此，冷泉港實驗室依山傍水，風景優(yōu)美，還是國際生命科學的會議中心與培訓基地。15冷泉港實驗室（TheColdSpringHarbor轉座子是細胞內的可移動遺傳因子（mobilegeneticelement）,指可以在基因組中從一個位點移動到另一位點的DNA片斷。在原核生物和真核生物中均有發(fā)現(xiàn)，由于結構、移動機制、分布、移動自由度、自主水平等的不同可分為多種類型。1轉座子的概念16轉座子是細胞內的可移動遺傳因子（mobilegenetic復制型轉座非復制型轉座逆轉錄轉座子DNA轉座子以RNA為中間體2轉座子的分類17復制型轉座非復制型轉座逆轉錄轉座子DNA轉座子以RNA為中間非復制型轉座，轉座時，轉座子DNA作為一個整體，從原來的供體位置被切割下來，然后轉移到染色體的另外一個位置。復制型轉座，轉座時，原來的轉座子DNA不從原來的位置被切割下來，而是在轉座的過程中原來的轉座子DNA進行復制，并轉移到染色體的另外的地方，原來的拷貝“原件”沒有發(fā)生位移。逆轉錄轉座子：先將轉座的片段轉錄成RNA，再將RNA反轉錄成cDNA，插入到宿主染色體中。18非復制型轉座，轉座時，轉座子DNA作為一個整體，從原來的供體非復制型轉座cut-and-paste復制型轉座copy-and-paste19非復制型轉座復制型轉座193轉座子的結構特征第一類：最簡單的轉座子

不含有任何的宿主基因，所以常常被稱為插入序列（insertionalsequence,IS），這種插入序列在細菌中是染色體或質粒DNA的正常組成部分。203轉座子的結構特征第一類：最簡單的轉座子不含有任何的宿一般來說一個細胞內的IS序列常常不到10個,IS的結構一般是這樣的：DNA的兩個末端是反向重復序列（又稱倒置重復序列），中間有一個基因，編碼一個與轉座有關的轉座酶。除此之外，IS序列中沒有其他基因。21一般來說一個細胞內的IS序列常常不到10個,IS的結構一般是第2類復合轉座子(compositetransposon)

是比較復雜的轉座子,

帶有一些抗藥性基因或其他的宿主基因，轉座子的兩端多數(shù)是高度同源的或相同的IS序列（反向重復區(qū)）（少數(shù)是正向重復序列）。22第2類復合轉座子(compositetransposo或者說IS序列插到某個功能基因的兩端就產生了復合轉座子。復合轉座子中的IS序列不能單獨自由移動，只能和復合體一起移動。大多數(shù)情況下，這些復合轉座子的移動轉座能力由這些IS序列決定和調節(jié)。23或者說IS序列插到某個功能基因的兩端就產生了復合轉座子。復合若干復合轉座子的結舉例24若干復合轉座子的結舉例24TnA轉座子的末端沒有IS序列，而是一個38bp的反向重復序列，體積一般較大，長度在5000bp以上，轉座子帶有3個基因，其中一個編碼β-內酰胺酶(AmpR)，其他兩個是轉座作用所必須的轉座酶和解離酶。第3類TnA家族25TnA轉座子的末端沒有IS序列，而是一個38bp的反向重所有的轉座子具有的共同特點1、兩端具有末端反向重復序列2、轉座后靶位點重復是正向重復3、編碼一些與轉座有關的蛋白4、可以在基因組中移動26所有的轉座子具有的共同特點1、兩端具有末端反向重復序列26二、轉座子轉座的機理和效應主要搞懂幾個問題：1、為什么轉座子會轉移？2、為什么插入位點兩端都有同向重復序列？為什么不同轉座子末端的同向重復序列長度不同？27二、轉座子轉座的機理和效應主要搞懂幾個問題：27轉座時有一個普遍的特征就是受體分子中有一段很短（3－12bp）、被稱為靶序列的DNA會被復制一次，插入的轉座子就位于兩個重復的靶序列之間。這種靶序列的同向重復序列是由于某種限制型內切酶的切割造成的。28轉座時有一個普遍的特征就是受體分子中有一段很短（3－12b轉座子插入產生正向重復序列29轉座子插入產生正向重復序列29轉座子插入產生正向重復序列正向重復正向重復30轉座子插入產生正向重復序列正向重復正向重復30不同的轉座子的靶序列長度不同，但同一轉座子的靶序列是相同的，如IS1的兩端有為9bp的靶序列，IS2為5bp。31不同的轉座子的靶序列長度不同，但同一轉座子的靶序列是相同的，在非復制型轉座中只有轉座酶參與。在復制型轉座中，轉座酶（transposase）作用于原來的“原件”，而解離酶(resolvase)作用于復制的轉座子。轉座有兩種方式：復制轉座和非復制轉座32在非復制型轉座中只有轉座酶參與。轉座有兩種方式：復制轉座和非復制轉座的基本過程目前有多種模型解釋復制轉座發(fā)生的過程，基本上都是在1979年由Shapiro提出的模型上修改而來的，也稱為對稱模型。33復制轉座的基本過程目前有多種模型解釋復制轉座發(fā)生的過程，基本轉座的效應(1)轉座引起插入突變引起基因突變或造成基因調節(jié)區(qū)突變。(2)轉座產生染色體畸變，當復制轉座發(fā)生在原有位點附近時，往往導致轉座子兩個拷貝之間的同源重組，引起DNA的缺失或倒位。34轉座的效應(1)轉座引起插入突變引起基因突變或造如果同源重組發(fā)生在兩個正向重復區(qū)之間，結果會導致重復區(qū)之間的DNA缺失；35如果同源重組發(fā)生在兩個正向重復區(qū)之間，結果會導致重復區(qū)之間的如果重組發(fā)生在兩個反向重復區(qū)之間，則會引起重復區(qū)之間的DNA倒位。36如果重組發(fā)生在兩個反向重復區(qū)之間，則會引起重復區(qū)之間的DNA(3)轉座子可引起生物進化轉座可以引起基因的新組合，產生一個操縱子或表達單元，也可以產生一些具有新的生物學功能的基因和新的蛋白質分子。37(3)轉座子可引起生物進化轉座可以引起基因的新組合，精確外切和不精確外切這兩個術語是用來描述轉座子移動時，原來轉座子位點處的DNA序列變化情況。如果轉座子的所有序列都被轉走，原來位點處的DNA序列沒有發(fā)生其他變化，稱為精確外切。如果轉座子移動時，還遺留一些序列或帶走一些轉座子額外的序列，則稱為不精確外切。38精確外切和不精確外切這兩個術語是用來描述轉座子移動時，原來轉一般來說，精確外切的情況比較少，大多是不精確外切，因此轉座的結果大多會引起基因突變，只是突變的程度不同。39一般來說，精確外切的情況比較少，大多是不精確外切，因此轉座的三、常見轉座子簡介原核細胞中的轉座因子(1)插入序列（IS）(2)類插入序列：(3)復合轉座子(4)TnA家族真核細胞中的轉座因子玉米中的轉座子系統(tǒng)40三、常見轉座子簡介原核細胞中的轉座因子真核細胞中的轉座因子4(1)插入序列（IS）是最簡單的轉座子，原核細胞中的IS有許多成員，兩端都有反向重復序列，中間的編碼區(qū)長度為1000bp左右，只編碼轉座酶。原核細胞中的轉座因子41(1)插入序列（IS）原核細胞中的轉座因子41(2)類插入序列：這類轉座子不單獨存在，而是存在于復合轉座子的兩端。經過修飾，已經不能夠單獨移動了，只能和復合轉座子的其他成分一起移動。結構和IS類似，如IS10R、IS50R等。42(2)類插入序列：42(3)復合轉座子比IS長的多，中心區(qū)域編碼抗生素基因或其他宿主基因。兩端的組件由IS和類IS組成，有的兩端組件相同，有的不同，有的反向相反，有的方向相同，有的兩個組件均有功能，有的只有一個有功能。43(3)復合轉座子43(4)TnA家族這類家族長度約為5000bp，兩端具有反向重復(IR)而不是IS。中部的基因不僅編碼抗性基因，還編碼轉座酶和解離酶。這是一種復制型轉座子。末端反向重復長度是38bp，產生的靶位點是5bp的正向重復。44(4)TnA家族44目前在真核的多種生物體內都發(fā)現(xiàn)有轉座子存在，有的還相當活躍。如果蠅、玉米、線蟲、水稻、金魚草等。人的基因組內也有。真核細胞中的轉座因子45目前在真核的多種生物體內都發(fā)現(xiàn)有轉座子存在，有的還相當活躍。玉米中的轉座子系統(tǒng)Ac/Ds系統(tǒng)Spm系統(tǒng)等

玉米中的轉座子兩端同樣具有末端反向重復序列，轉座后在靶位點產生的正向重復序列。46玉米中的轉座子系統(tǒng)Ac/Ds系統(tǒng)Spm系統(tǒng)等玉米中的轉玉米中的控制因子可以分為2類：自主性因子和非自主性因子。自主性因子就是具有自主剪切和轉座的功能，非自主性因子是自主性因子的缺失突變體，已經不能再自發(fā)的剪切和移動了。但是當基因組中存在與非自主性因子屬于同一家族的自主性因子時，在自主性因子中的轉座酶的協(xié)助下，也可以發(fā)生轉座。但是不同家族之間不能協(xié)助轉座。47玉米中的控制因子可以分為2類：自主性因子和非自主性因子。自主Ac是自主轉座子，長度為4563bp，含一個開放閱讀框，編碼長度為807個氨基酸的酶。轉座子的兩端有11bp的反向重復序列，轉座后在靶位點產生的正向重復為8bp已知所有的Ds都是由Ac序列突變缺失而成的，不同的Ds中DNA的缺失情況不同，但是兩端的末端重復序列是都存在的并且是完整的，所以只要存在轉座酶，就可以重新使Ds恢復轉座。48Ac是自主轉座子，長度為4563bp，含一個開放閱讀框，編49495050逆轉錄轉座子逆轉座子與前面敘述的DNA轉座子不同，逆轉錄轉座子轉座時先將自身的DNA序列轉錄成RNA，然后再反轉錄成DNA，插入宿主基因組中。DNARNADNA逆轉錄轉座子在插入位點兩側也有正向重復序列，這點與DNA轉座子類似，這也是所有轉座子的共同特征。51逆轉錄轉座子逆轉座子與前面敘述的DNA轉座子不同，逆轉錄轉座酵母中的Ty元件是逆轉錄轉座子與細菌的轉座子類似：具有末端重復序列，重組位點產生重復，但它編碼反轉錄酶，可產生RNA。52酵母中的Ty元件是逆轉錄轉座子與細菌的轉座子類似：具有末端重在人類基因組中發(fā)現(xiàn)一種長度較長的重復序列，因為分布不集中而稱為長散布元件（longinterspersednuclearelements,簡稱LINES），現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)，他們都屬于逆轉錄轉座子，占人類的基因組序列的的17%。人基因組中也含有逆轉錄轉座子序列53在人類基因組中發(fā)現(xiàn)一種長度較長的重復序列，因為分布不集中而稱LINES,長散布元件，長度6100bp，人的基因組中有3500個全長的拷貝以及數(shù)萬個殘缺不全的拷貝。54LINES,長散布元件，長度6100bp，人的基因組中有3還有一類是逆轉錄轉座子類型是短散布元件(SINES)重復序列以及Alu重復序列。短散布元件不含有反轉錄酶等基因，本身無法主動轉座，要其他同類的轉座子協(xié)助。人的Alu重復序列在基因組中有30萬拷貝，與7SLRNA有關，認為最初的Alu是由7SLRNA偶爾經過反轉錄而插入基因組中形成的。55還有一類是逆轉錄轉座子類型是短散布元件(SINES)重復序列逆轉錄病毒逆轉錄病毒的遺傳物質是RNA。在感染細胞時，逆轉錄病毒首先將RNA逆轉錄為DNA，然后將DNA插入細胞基因組中。56逆轉錄病毒逆轉錄病毒的遺傳物質是RNA。在感染細胞時，大多數(shù)逆轉錄病毒造成的疾病都是比較慢性的，有些病毒雖然不直接導致疾病，但可以導致癌癥，有些病毒可以將其基因插入細胞基因組內而不導致疾病。在人類進化的過程中有許多逆轉錄病毒將它們的基因插入人的基組中并成為人基因組中的一部分。57大多數(shù)逆轉錄病毒造成的疾病都是比較慢性的，有些病毒雖然不直接逆轉錄病毒可以分為三類（1）致瘤病毒可以導致癌癥如白血病等，它們含有致癌基因，已發(fā)現(xiàn)至少35種致癌病毒能在禽類和老鼠身上造成惡性疾?。?）慢病毒可以導致慢性病如艾滋病等（3）泡沫病毒不導致疾病58逆轉錄病毒可以分為三類（1）致瘤病毒可以導致癌癥如白血病由于逆轉錄過程比較不穩(wěn)定（與RNA轉錄酶的特點有關），因此逆轉錄病毒的變異過程比較快。這使研究針對逆轉錄病毒的免疫抗體的過程非常困難。大多數(shù)針對逆轉錄病毒的治療方法主要是針對病毒的逆轉錄過程。但由于病毒迅速的變異過程病毒往往會很快就產生對藥物的阻抗。59由于逆轉錄過程比較不穩(wěn)定（與RNA轉錄酶的特點有關），因此逆逆轉錄病毒的生活周期包括一個與轉座類似的過程，即將自己的基因組RNA反轉錄成DNA插入宿主基因組中，同時和一般的DNA轉座子一樣，會在插入位點產生一個正向的重復序列。60逆轉錄病毒的生活周期包括一個與轉座類似的過程，即將自己的基因逆轉錄病毒的DNA序列插入宿主基因組的后果（1）逆轉錄病毒自己變成內源性病毒(前病毒)而保留在宿主的基因組中；（2）插入位點的序列偶爾會與逆轉錄病毒的基因組序列結合并一起轉座到基因組中的新位點；（3）攜帶宿主基因片段的反轉錄病毒再次感染其他細胞時會將此基因一并帶入并可能會給細胞帶來新的特性。61逆轉錄病毒的DNA序列插入宿主基因組的后果（1）逆轉錄病毒自第二節(jié)遺傳重組一、遺傳重組的類型和意義二、同源重組三、位點特異性重組四、遺傳重組的應用62第二節(jié)遺傳重組一、遺傳重組的類型和意義62一、遺傳重組的類型和意義“種瓜得瓜，種豆得豆”——遺傳“一母生九子，個個都不同”——變異基因組具有穩(wěn)定性又有變異性，基因組在保持其穩(wěn)定的同時還維持了其變異的特征，在兩者之間維持了很好的平衡。63一、遺傳重組的類型和意義“種瓜得瓜，種豆得豆”——遺傳基因DNA變異有兩條途徑，突變和遺傳重組，它們都會引起遺傳物質的改變進而引起蛋白質的改變，最終通過自然選擇得以保存并遺傳下去。DNA分子內或分子間發(fā)生的遺傳信息的重新組合，叫做遺傳重組，或叫基因重排。狹義重組是指DNA分子內的斷裂并重新連接而造成的基因重新組合的過程。64DNA變異有兩條途徑，突變和遺傳重組，它們都會引起遺傳物質的突變只能使基因組在小范圍內變動，不會產生大的變化，只有通過重組才能使基因組的變化加大，增加進化的潛能。重組使有害和有利的突變不斷發(fā)生組合，從而除去有害的基因突變，保留有利的突變，使生物體對變化的境有對應能力。65突變只能使基因組在小范圍內變動，不會產生大的變化，只有通過重重組首先在細胞的水平上被觀察到。它涉及到真核細胞減數(shù)分裂中同源染色體之間的交換。隨后又在分子水平上觀察到細菌的結合、轉導和轉化均與重組有關。66重組首先在細胞的水平上被觀察到。它涉及到真核細胞減數(shù)分裂中同遺傳重組不僅僅發(fā)生在代與代之間，個體基因組也可以發(fā)生重排，使基因的表達發(fā)生改變，在同一個個體的細胞之間產生遺傳基因的多樣性，如抗體的產生等。重組不僅僅發(fā)生在減數(shù)分裂和體細胞的核基因中，也發(fā)生在線粒體基因組、葉綠體基因組、噬菌體整合過程中以及轉座子的轉座中等。67遺傳重組不僅僅發(fā)生在代與代之間，個體基因組也可以發(fā)生重排，使所有的有機體都有一些基因重組的機制，說明重組對于物種生存的重要性。重組是遺傳物質變異的來源之一，可以使不利基因合有利基因分離，提供一種使有利基因得以保存，有害基因得以清除的方式，同時在DNA的修復中也起重要作用。所以重組在生物學中處于中心位置。68所有的有機體都有一些基因重組的機制，說明重組對于物種生存的重重組可以直接改變基因組的遺傳組成，所以大家十分關注它的分子機制。根據(jù)重組機制的不同可以分為四種類型：√同源重組√位點特異性重組√轉座重組√異常重組重組方式的劃分也是人為的，每一種重組發(fā)生時，都會或多或少的同時涉及到幾種機制。69重組可以直接改變基因組的遺傳組成，所以大家十分關注它的分子機研究基因重組在理論和實踐都有重要意義理論上：研究細胞活動機制，揭示大自然奧秘。實踐中：通過研究重組機制，發(fā)明基因定點突變技術，獲得轉基因動物，以及進行基因治療等。70研究基因重組在理論和實踐都有重要意義理論上：研究細胞活動機制2007年度諾貝爾生理或醫(yī)學獎由美國猶他大學醫(yī)學院的馬里奧-R-卡佩奇（MarioR.Capecchiand）、英國卡迪夫大學醫(yī)學院的馬丁-J-伊文思（MartinJ.Evans）和北卡羅萊納大學醫(yī)學院的奧利弗-史密西斯（OliverSmithies）三人贏得該獎項。712007年度諾貝爾生理或醫(yī)學獎由美國猶他大學醫(yī)學院的馬里奧-2007年度諾貝爾生理或醫(yī)學獎得主722007年度諾貝爾生理或醫(yī)學獎得主72獲獎理由：他們用胚胎干細胞在小鼠特定的基因修飾技術中的重大發(fā)現(xiàn)（"fortheirdiscoveriesofprinciplesforintroducingspecificgenemodificationsinmicebytheuseofembryonicstemcells"）基因修飾技術主要是“基因打靶”(genetargeting)技術。73獲獎理由：他們用胚胎干細胞在小鼠特定的基因修飾技術中的重大發(fā)二、同源重組(homologuerecombination)又叫普遍重組或一般性重組(generalrecombination)這是一種細胞內最常見的重組類型，發(fā)生在DNA的同源序列之間，真核生物減數(shù)分裂時的染色單體之間的交換、某些低等真核生物和細菌的轉化、轉導、結合，噬菌體的重組，以及DNA的復制修復等均與這種重組有關。74二、同源重組(homologuerecombination染色體的聯(lián)會發(fā)生在減數(shù)分裂時75染色體的聯(lián)會發(fā)生在減數(shù)分裂時75減數(shù)分裂中的同源染色體配對和交換發(fā)生在第一次減數(shù)分裂前期76減數(shù)分裂中的同源染色體配對和交換發(fā)生在第一次減數(shù)分裂前期76在減數(shù)分裂時，同源染色體的配對和交換發(fā)生有相同或幾乎相同的順序的兩個DNA節(jié)段之間。通常這兩個節(jié)段是同源染色體的兩個相應區(qū)域；但是交叉也可發(fā)生在非相應區(qū)域的同源片段之間。77在減數(shù)分裂時，同源染色體的配對和交換發(fā)生有相同或幾乎相同的順a在交換區(qū)域有相同或相似的序列。同源重組的特點b雙鏈DNA分子之間互補堿基進行配對。減數(shù)分裂中，兩個雙鏈的DNA分子通過鏈互補的堿基對被維系在一起，叫聯(lián)會78a在交換區(qū)域有相同或相似的序列。同源重組的特點b雙鏈DNc在同源重組中有多種酶參加，保證雙螺旋的斷裂、修復、連接、重組體的釋放等。d形成異源雙鏈區(qū)在重組部位，配對的雙鏈是來源于不同的DNA分子形成的，這個部分稱為異源雙鏈（heteroduplex），或稱雜種DNA。79c在同源重組中有多種酶參加，保證雙螺旋的斷裂、修復、連接任意兩個同源性DNA片段在細胞內均可能發(fā)生重組。重組時，兩個同源雙鏈DNA分子必須緊密接觸，相對應的DNA方能交換，這稱為聯(lián)會(synapsis)。重組時，兩個DNA片段必須有一個發(fā)生斷裂或有一段單鏈缺失（稱“空隙”gap）。許多引起DNA損傷的因素，如UV照射、X輻射和誘變劑等均可使DNA發(fā)生斷裂，引發(fā)重組。80任意兩個同源性DNA片段在細胞內均可能發(fā)生重組。重組時，兩個同源重組的分子機制（1）Holliday模型1964年由RobinHolliday提出。（2）雙鏈斷裂模型1983年JackSzostak和FranklinStahl提出81同源重組的分子機制（1）Holliday模型1964Holliday模型Holliday模型用來解釋有相同或相近序列的兩條同源雙鏈分子之間的重組，也可以適用于具有有限同源區(qū)的兩條不同的分子，或含有兩個相互同源區(qū)域而可以自我重組的單個分子。82Holliday模型Holliday模型用來解釋有相同或相同源重組的過程將要發(fā)生重組的兩個DNA分子必須首先對齊。在對應的同一部位的兩個單鏈產生斷裂83同源重組的過程將要發(fā)生重組的兩個DNA分子必須首先對齊。在對斷裂產生的單鏈游離末端彼此交換，每一條鏈同另外的DNA分子的互補序列配對形成一個異源雙鏈（heteroduplex）。84斷裂產生的單鏈游離末端彼此交換，每一條鏈同另外的DNA分子的然后末端彼此連接產生一個十字結構，叫做Holliday連接體（junction）4條染色單體通過一個點連接在一起85然后末端彼此連接產生一個十字結構，叫做Holliday連接體Holliday連接體是一個動態(tài)的結構，可以因為兩條鏈的旋轉而發(fā)生改變。Holliday連接體及異構體的構象之間的轉變是不需要能量的。86Holliday連接體是一個動態(tài)的結構，可以因為兩條鏈的旋轉在一些酶和其他蛋白的作用下，Holliday連接體還可以沿著DNA鏈通過氫鍵的斷裂形成而發(fā)生左右移動，這叫分支遷移(branchmigration).87在一些酶和其他蛋白的作用下，Holliday連接體還可以沿著8888分支遷移的結果增加了異源雙鏈的長度。一般長度為幾個kb。遷移的起點可以是任意位置，方向可以是雙向的，但是一般只有沿著一個方向才能進行有效的重組。89分支遷移的結果增加了異源雙鏈的長度。一般長度為幾個kb。遷移通過分支遷移，某條單鏈上相當長的一段可從一條雙螺旋上轉移到另一條上去，形成大段的雜種雙鏈DNA。分支遷移的速度一般為30bp/秒。因此從原來的DNA斷裂處開始，DNA鏈可以在兩條雙螺旋之間進行交換相當長的距離。從原始配對區(qū)由于分支遷移向鄰近區(qū)域延伸，將兩個染色體中有遺傳差異的位點也包括進去，這樣的重組才有意義。90通過分支遷移，某條單鏈上相當長的一段可從一條雙螺旋上轉移到另但最終這兩條DNA鏈彼此要分開，這個過程稱為“拆分”，就是連接2個DNA分子的Holliday連接體分開，使它們重新成為兩條獨立的雙螺旋。Holliday連接體在蛋白和酶的作用下，進行重排而改變鏈的彼此關系（這一步叫做Holliday連接體的分離或離析）。有兩種結果完全不同的重排方式。91但最終這兩條DNA鏈彼此要分開，這個過程稱為“拆分”，就是連一種結果是以上下方向切開Holliday連接體(垂直分離)，這種切割發(fā)生在整個過程一直保持完整的一對同源鏈上，至此所有的4條鏈全部發(fā)生過斷裂92一種結果是以上下方向切開Holliday連接體(垂直分離)，經過重新組合，釋放出來的2條重組分子，每一條是由一條DNA分子與另外一條DNA分子的組合，其中含有一段異源雙鏈區(qū)。這種重組叫做交互重組，結果有大片段的DNA交換發(fā)生。93經過重新組合，釋放出來的2條重組分子，每一條是由一條DNA分另外一種切割方式是水平切割，發(fā)生在重組過程中已經被切開一次的一對同源鏈上，原來保持完整的2條同源鏈仍然保持完整。94另外一種切割方式是水平切割，發(fā)生在重組過程中已經被切開一次的最后釋放出來的2條DNA鏈中，有一條鏈沒有發(fā)生變化，另一條鏈發(fā)生了一段異源雙鏈區(qū)的交換。結果所發(fā)生的只是小片段DNA鏈在兩個分子之間的交換。這個不能稱為重組。95最后釋放出來的2條DNA鏈中，有一條鏈沒有發(fā)生變化，另一條鏈9696Holliday模型特點Holliday模型又叫做雙鏈入侵模型，因為該模型中，每一個DNA分子有一條鏈入侵到另外一個DNA分子中。但是本模型要求重組時兩個DNA分子要并排對齊，而且必須在同一個部位幾乎同時產生斷裂，以分別產生一個單鏈。這個要求對于細胞來說太高，無法解釋為什么會同時同地出現(xiàn)斷裂。97Holliday模型特點Holliday模型又叫做雙鏈入侵模目前認為這個模型在解釋異源雙鏈的最初起源方面是不正確的，但是其中提出的“Holliday連接體”和“支鏈遷移”兩個概念則被保留下來繼續(xù)使用。98目前認為這個模型在解釋異源雙鏈的最初起源方面是不正確的，但是雙鏈斷裂模型1983年利用高靈敏技術在酵母中所做的實驗發(fā)現(xiàn)，酵母中的同源重組的發(fā)動是由一條DNA分子雙鏈斷裂而引起的。后來在細菌和噬菌體和低等真核生物中也發(fā)現(xiàn)這種雙鏈斷裂開始的同源重組。更多的試驗表明，同源重組的啟動是由于雙鏈斷裂，而不是單鏈斷裂。99雙鏈斷裂模型1983年利用高靈敏技術在酵母中所做的實驗發(fā)現(xiàn)，Szostak,J.W.,Orr-Weaver,T.L.,Rothstein,R.J.,andStahl,F.W.(1983).Thedouble-strand-breakrepairmodelforrecombination.Cell33,25-35.100Szostak,J.W.,Orr-Weaver,T.雙鏈斷裂模型認為，重組發(fā)生于一個DNA分子的兩條鏈均被切斷，細胞中的一種II型DNA拓撲異構酶將被切斷的DNA分子連接起來確保不會彼此完全脫離。每一端中有一條鏈被核酸外切酶修剪，結果末端形成有大約500bp左右的3’端突出結構。101雙鏈斷裂模型認為，重組發(fā)生于一個DNA分子的兩條鏈均被切斷，其中的一個以單鏈入侵的方式侵入同源的DNA分子，尋找同源的序列。斷裂的鏈被DNA聚合酶延長，結果也會形成Holliday連接體，沿著異源雙鏈區(qū)域移動。102其中的一個以單鏈入侵的方式侵入同源的DNA分子，尋找同源的序這里，被剪切的DNA延伸時是以未被切除的DNA一方的對應區(qū)域為模板的。同樣，這里的Holliday連接體也會以某種方式被解開，從而產生重組。103這里，被剪切的DNA延伸時是以未被切除的DNA一方的對應區(qū)域雙鏈斷裂模型

104雙鏈斷裂模型104SpoII是一種拓撲異構酶，雙鏈斷裂后，它將雙鏈連接起來，防止分開。105SpoII是一種拓撲異構酶，雙鏈斷裂后，它將雙鏈連接起來，雙鏈斷裂模型目前得到實驗數(shù)據(jù)的支持，在酵母體內已經發(fā)現(xiàn)了類似與大腸桿菌重組時的各種蛋白的同源蛋白。目前認為，生物體內的一般性重組都是由雙鏈斷裂發(fā)動的，減數(shù)分裂也是由雙鏈斷啟動的。但是也有的遺傳學家認為在高等的動物體內，DNA雙螺旋反復經常性的斷裂不大可能的，因此該模型也不能解釋所有的現(xiàn)象，有待進一步完善。106雙鏈斷裂模型目前得到實驗數(shù)據(jù)的支持，在酵母體內已經發(fā)現(xiàn)了類似進行同源重組至少要有多長的同源序列呢？實驗證明如果同源順序短于75bp，則重組頻率大降低。這個長度要比兩條互補的單鏈形成雙鏈所需的長度（約10bp）要長得多。

107進行同源重組至少要有多長的同源序列呢？實驗證明如果同源順序短同源重組中所需要的酶的種類和功能目前發(fā)現(xiàn)大腸桿菌中有幾個不同的重組系統(tǒng)，分別稱為RecBCD，RecE和RecF途徑。其中最重要的是RecBCD途徑，當這個系統(tǒng)不能工作時由RecE系統(tǒng)代替，而當RecE途徑不能發(fā)揮作用時就由RecF途徑取代，確保細胞內的重組能夠進行。108同源重組中所需要的酶的種類和功能目前發(fā)現(xiàn)大腸桿菌中有幾個不同參與同源重組的酶有很多，如RecA、RecB、RecC、RecD、RecF、RecO、RecR、RuvA、RuvB、RuvC等等。其中最重要的是RecA，參與各種途徑的重組系統(tǒng)。首先在大腸桿菌中發(fā)現(xiàn)這些酶，隨后在其他的不同生物中均發(fā)現(xiàn)了這些酶的同源基因。109參與同源重組的酶有很多，如RecA、RecB、RecC、ReRecA主要功能是促進DNA單鏈與同源雙鏈分子發(fā)生鏈的交換，使DNA配對、Holliday中間體的形成，分支移動等得以產生。當RecA與DNA單鏈結合時，數(shù)千RecA單體協(xié)同聚集在單鏈上，形成螺旋狀纖絲。110RecA主要功能是促進DNA單鏈與同源雙鏈分子發(fā)生鏈的交換，RecA蛋白分子質量為38000，它與單鏈DNA結合形成螺旋纖絲。此復合物可與雙鏈DNA作用，部分解旋以便閱讀堿基序列，迅速尋找與單鏈互補的序列?；パa序列一旦被找到，單鏈與雙鏈中的互補鏈配對，同源鏈被置換出來。交換沿單鏈5'-3'方向進行，直至交換終止，在此過程中由RecA水解ATP提供能量。111RecA蛋白分子質量為38000，它與單鏈DNA結合形成螺RecA蛋白的功能112RecA112單鏈DNA上覆蓋RecA蛋白形成的粗絲113單鏈DNA上覆蓋RecA蛋白形成的粗絲113任何部位的單鏈DNA均可借助RecA與同源雙鏈DNA進行鏈的交換。114任何部位的單鏈DNA均可借助RecA與同源雙鏈DNA進行鏈的RuvARuvBRuvC的功能由于DNA分子具有螺旋結構，在持續(xù)進行鏈的交換時需要兩DNA分子發(fā)生旋轉。RecA能夠介導單鏈繞入另一DNA分子，一旦Holliday中間體形成，即由RuvA和RuvB蛋白促進異源雙鏈的形成。115RuvARuvBRuvC的功能由于DNA分子具有螺旋結RuvA蛋白能夠識別Holliday聯(lián)結體的交叉點，RuvA四聚體結合其上形成四方平面的構象，使得分支點易于移動，RuvA還幫助RuvB6(或8)聚體結合在雙鏈DNA上，位于交叉點上游。RuvB是—種解螺旋酶，通過水解ATP而推動分支移動。RuvAB復合物的移動速度約為10-20bp／s。116RuvA蛋白能夠識別Holliday聯(lián)結體的交叉點，RuvARuvA與交叉點結合RuvB與雙鏈DNA結合RuvC分開連接體117RuvA與交叉點結合RuvB與雙鏈DNA結合RuvC分開連接RuvA四聚體與交叉點結合118RuvA四聚體與交叉點結合118RuvA,RuvB與DNA結合形成的復合物119RuvA,RuvB與DNA結合形成的復合物119同源重組最后由RuvC將Holliday聯(lián)結體切開，并由DNA聚合酶和DNA連接酶進行修復合成。RuvC是一種核酸內切酶，特異識別Holliday聯(lián)結體并將其切開。RuvC識別四核苷酸ATTG，此序列因而成為切開Holliday聯(lián)結體的熱點，并決定結果是片段重組還是拼接重組。120同源重組最后由RuvC將Holliday聯(lián)結體切開，并由DNRuvC與交叉點結合121RuvC與交叉點結合121RuvARuvBRuvC的功能122RuvARuvBRuvC的功能122在人鼠酵母等真核生物內發(fā)現(xiàn)有多個RecA蛋白，其中rad51是最重要的一個。該基因突變造成雙鏈斷裂積累，并且無法形成正常的聯(lián)會復合物，但此蛋白質不能在體外與單鏈DNA形成纖絲，表明原核生物與真核生物的同源重組機制可能有所不同。123在人鼠酵母等真核生物內發(fā)現(xiàn)有多個RecA蛋白，其中rad5三、位點特異性重組位點特異性重組不依賴于DNA順序的同源性（雖然也可以有很短的同源序列），而依賴于能與某些酶相結合的DNA序列的存在。這些特異的酶能催化DNA鏈的斷裂和重新連接，它們能發(fā)動位點特異性重組。124三、位點特異性重組位點特異性重組不依賴于DNA順序的同源性（位點特異性重組廣泛存在于各類細胞中，起著十分特殊的不同的作用。它們的作用包括某些基因表達的調節(jié)，發(fā)育過程中程序性DNA重排，以及有些病毒和質粒DNA復制循環(huán)過程中發(fā)生的整合與切除等。125位點特異性重組廣泛存在于各類細胞中，起著十分特殊的不同的作用常見的位點特異性重組的例子1、λ噬菌體的整合

2、沙門氏菌的相轉變3、抗體的產生（DVJ重組）126常見的位點特異性重組的例子1、λ噬菌體的整合1261、λ噬菌體的整合（integration）噬菌體λ侵染大腸桿菌后有2條途徑1271、λ噬菌體的整合（integration）噬菌體λ侵染大溶源途徑中，λ噬菌體DNA整合進入大腸桿菌

染色體的過程就是一個位點特異性重組的過程。128溶源途徑中，λ噬菌體DNA整合進入大腸桿菌染色體的過程就整合的位點叫做att，在噬菌體和大腸桿菌中均有。他們有一個15bp的序列相同，當噬菌體基因組進入到細菌基因組后，att位點就有2個，分別位于噬菌體基因組的兩端，所以還可以再次發(fā)生位點特異性重組，只是結果相反，將噬菌體的DNA從細菌的基因組中剪切下來，從而噬菌體進入裂解循環(huán)。129整合的位點叫做att，在噬菌體和大腸桿菌中均有。他們有一個1整合的位點稱為att，當噬菌體基因組進入細菌基因組后，att位點就有2個。130整合的位點稱為att，當噬菌體基因組進入細菌基因組后，att這個過程需要一個整合酶(integrase)參加，整合酶可將DNA在整合位點切開，也形成一個單鏈末端，形成Holliday連接體結構，最后進行拆分，將噬菌體的DNA與細菌的基因組連接在一起，完成整合。131這個過程需要一個整合酶(integrase)參加，整合酶可將①這種交換是可逆的，原先存在的DNA順序全部被保存下來，并無丟失；②噬菌體和細菌的DNA之間有一段很短的同源序列，重組交換必須通過其中的一個特定的核苷酸進行。λ的整合作用有兩個特點這兩個特點也是位點特異性重組的共同特點。132①這種交換是可逆的，原先存在的DNA順序全部被保存下來，并無如果λ前病毒受到誘導，則整合作用將被逆轉，此過程稱為切出（excision）。切出后，細菌和噬菌體DNA恢復至原來完整狀態(tài)。前病毒受到誘導時產生一種蛋白質，稱切出酶（excisionase）。切出酶和整合酶一起催化前病毒DNA兩端的雜種att位點之間的重組，促使反應向反方向進行。133如果λ前病毒受到誘導，則整合作用將被逆轉，此過程稱為切出（e134134135135如果兩個正向重復序列之間發(fā)生位點特異性重組，就導致中間的DNA缺失。2、鼠沙門氏傷寒桿菌的相轉變136如果兩個正向重復序列之間發(fā)生位點特異性重組，就導致中間的DN如果兩個反向重復序列之間發(fā)生位點特異性重組，就導致中間的DNA序列的倒位。137如果兩個反向重復序列之間發(fā)生位點特異性重組，就導致中間的DN有些生物正是利用這種重組倒置來控制基因的表達。因為DNA的一正一倒兩種排列法可以相應地表達兩種不同的蛋白質，細胞就可根據(jù)需要作出選擇。138有些生物正是利用這種重組倒置來控制基因的表達。因為DNA的一鼠沙門氏傷寒桿菌（Salmonellatyphimurium

）139鼠沙門氏傷寒桿菌139有2種鞭毛蛋白hin基因長度970bp，編碼重組酶，基因的兩端有14bp長度的反向重復序列。140有2種鞭毛蛋白hin基因長度970bp，編碼重組酶，基因其他的例子（1）噬菌體Mu的尾蛋白即由其可倒置的DNA節(jié)段gin所控制，從而決定了侵染不同大腸桿菌的能力。（2）錐蟲（trypanosomes）的表面抗原更是千變萬化，用以逃脫宿主免疫系統(tǒng)的攻擊，這也是通過一系列DNA重排達到的，其復雜程度有點類似于抗體基因的結構。141其他的例子（1）噬菌體Mu的尾蛋白即由其可倒置的DNA節(jié)段g1421423、抗體的產生（DVJ重組）脊椎動物和人的淋巴細胞在其成熟過程中抗體基因的重排，是有關基因重排研究中一個最重要的實例。按照克隆選擇學說，每一個漿細胞只能產生一種或幾種抗體，無數(shù)由淋巴細胞分化而來的漿細胞就能產生無數(shù)種類的抗體分子。1433、抗體的產生（DVJ重組）脊椎動物和人的淋巴細胞在其成熟抗體的結構重鏈(H)輕鏈(L)可變區(qū)(V)恒定區(qū)(C)抗體分子分別由三個獨立的基因族編碼，其中兩個(κ和λ)編碼輕鏈，一個編碼重鏈。144抗體的結構抗體分子分別由三個獨立的基因族編碼，其中兩個(κ和小鼠的κ和λ和重鏈分別位于第6、16和12號染色體上。決定輕鏈的基因族上分別有L、V、J、C四類基因片段。L代表前導片段(leadersegment)，V代表可變片段(variablesegment)，J代表連接片段(joiningsegment)，C代表恒定片段(constantsegment)。決定重鏈的基因族上共有L、V、D、J、C五類基因片段，其中D代表多樣性片段(diversitysegment)。在J和C片段之間存在增強子(enhancer)。145小鼠的κ和λ和重鏈分別位于第6、16和12號染色體上。決定輕抗體基因可通過倍增和歧化來增加其數(shù)量，在種系中基因數(shù)目有較大變動，因此難于確定。146抗體基因可通過倍增和歧化來增加其數(shù)量，在種系中基因數(shù)目有較大小鼠λ鏈基因V片段數(shù)異常少，可能是其在過去曾遭劇變而丟失大部分的V片段。輕鏈的恒定區(qū)只1個，但λ鏈每個J片段都與其本身C片段相連。147小鼠λ鏈基因V片段數(shù)異常少，可能是其在過去曾遭劇變而丟失大部重鏈基因除V片段、J片段外，還有10～30個D片段，并有多個恒定區(qū)(C片段)以決定抗體的效應功能，即抗體的類型和亞類型。小鼠IgH的基因恒定區(qū)存在8個C片段。人的IgH的基因恒定區(qū)C片段依次為：Cμ、Cδ、Cγ3、Cγ1、ψε、Cα1、ψγ、Cγ2、Cγ4、Cε、Cα2(其中ψε和ψγ是兩個無活性的假基因)，它們分別相當于免疫球蛋白IgM、IgD、IgC3、IgG1、IgAl、IgG2、IgG4、IgE和IgA2。148重鏈基因除V片段、J片段外，還有10～30個D片段，并有多個除淋巴細胞外，所有細胞免疫球蛋白基因族的結構都是相同的，稱為種系結構，只有骨髓干細胞在分化為成熟B淋巴細胞的過程中才出現(xiàn)免疫球蛋白基因的體細胞重排(somaticrearrangement)。利根川進(TonegawaS)揭示了抗體基因重排機制，獲得1987年諾貝爾生理學和醫(yī)學獎。149除淋巴細胞外，所有細胞免疫球蛋白基因族的結構都是相同的，稱為在B細胞分化過程中，首先出現(xiàn)免疫球蛋白基因位移，然后才進行重排。重排具有嚴格的順序，第一次重排發(fā)生在前B細胞中，最先由編碼免疫球蛋白重鏈的基因族片段參與重排，使在種系中相互分離的片段經重排后連接在一起，稱為V-D-J連接。其間，D片段與J片段先連接，接著V片段加到D-J上，形成V-D-J復合體。150在B細胞分化過程中，首先出現(xiàn)免疫球蛋白基因位移，然后才進行重免疫球蛋白重鏈基因的重排(V-D-J連接)151免疫球蛋白重鏈基因的重排(V-D-J連接)151重排中選擇的片段是隨機的，片段之間序列在重排中被刪除。重鏈重排后接著是輕鏈κ鏈基因重排，形成V-J復合體。只有κ鏈基因重排失敗，才發(fā)動λ鏈基因重排，故抗體中大部分輕鏈是κ鏈，λ鏈只占少部分。淋巴細胞在繁殖過程中還發(fā)生體細胞突變，以增加抗體的多樣性。152重排中選擇的片段是隨機的，片段之間序列在重排中被刪除。重鏈免疫球蛋白輕鏈基因的重排(V-J)153免疫球蛋白輕鏈基因的重排(V-J)153由于淋巴細胞是二倍體，因而H鏈、κ鏈和λ鏈都有兩個等位基因族，然而重排表現(xiàn)出等位基因排斥(all