遗传学-遗传重组

• 整合反应需要噬菌体基因int 产物“整合酶”(Int)和整 合宿主因子(Integration host factor，IHF) 。
• 切除反应除了需要Int和IHF以外，还需要噬菌体基因 xis产物（切除酶）。
λ 噬菌体 P O P’
包装 感染宿主
B O P’
P O P’ ×
B O B’ Int Int IHF IHF
遗传重组
• 发生：减数分裂生殖细胞内，体细胞 • 地点：核基因间，叶绿体基因间，线粒体基因间； • 作用：保证了遗传多样性,为选择奠定了物质基础,
使生物得以进化发展，与突变一起是变异的来源
主要内容
遗传重组的类型 同源重组的分子机制 位点专一性重组 转座（下一章）
一、遗传重组的类型
遗传重组主要类型：(依据对DNA序列和 所需蛋白质因子的要求) 同源重组 (homologous recombination ) 位点专一性重组(site-specific recombination)
• λ噬菌体的att位点: 记为attP, 由P 、 O和P’组成
• 大肠杆菌att位点: 记为 attB/attλ ,由B 、 O和B’组成
1.整合：
BOB’+ POP’
细菌 噬菌体
Int IHF
BOP’— POB’
原噬菌体
2.切除： BOP’—POB’ Int BOB’+ POP’
原噬菌体 IHF, Xis 细菌 噬菌体
（三）异常重组
（illegitimate recombination ）
完全不依赖于序列间的同源性而使一段DNA序列 插入另一段中。但在形成重组分子时往往依赖 DNA复制而完成重组过程，因此又称复制性重组。
如转座子： 既不依赖序列间的同源性，也不需要RecA蛋白参与 只依赖转座区域DNA复制和转座有关的酶。
g
+
+
6︰2
异常分离
+
g
染色单体转变
+ 一个杂种
+
+ 分子校正
+
g 为+或g时
+
+
g
g
5︰3 异常分离
g
g
半染色单体转变
+
+
+
+
g 都未校正
g
+
+
g
g
3:1:1:3 异常分离
g
g
两个杂种分子 一个杂种分子 均未校正 校正为+或g时
两个杂种分子 两个都校正 都校正为+或g时 (按亲型)
3 : 1 : 1 : 3 5︰3
pdxp
pdx ＋
pdx ⊕
＋
＋
＋ pdxp
2.基因转变的类型
• 染色单体转变（chromatid conversion） ：减数分裂的4 个产物中，有一个发生了基因 转变，出现6：2（或2：6）的 子囊
•半染色单体转变（Halfchromatid conversion）：减数 分裂的4个产物中，有一个产物 的一半或两个产物的各一半发 生了基因转变，出现5：3（或3： 5）或3：1：1：3的子囊
Xis P O B’
图 23-21λ 噬菌体的整合和切离
（二）位点专一性重组涉及断裂和重连
P’O P B’O B
P’ O P B’ O B
B O P’ P O B’
分支沿着同源区移 动7bp长的距离
绕交联桥 旋转1800
上下切
P’ O P
B O B’
（三）位点专一性重组的核苷酸序列
• 1. POP’:
子 囊 类 型
分裂类型
Neurospora 的＋ × － 杂交子囊类型
⑴⑵ ⑶
⑷⑸
⑹
＋
—
＋
—
＋
—
＋
—
—
＋
—
＋
—
＋
＋
—
—
＋
—
＋
—
＋
＋
—
MI
MI
MII
MII
MII
MII
非交换型
交换型
• pdxp：酸度敏感的VB6需要型 • pdx： 酸度不敏感的VB6需要型
Neurospora 中＋ pdxp ×pdx ＋ 杂交， 其中４个子囊的结果
二、同源重组的分子机制
（一）基因重组的经典模型
•1.断裂和重接模型
• 1937年Darlington提出
1
2.
断裂重接模型
3.
4.
1．
2.
模板选择复制
不能解释基因转变现象模型
1
2.
2.模板选择学说（copy choice ）
Belling J.首先提出的，
1933年他又撤回了这一假设。
3.
4.
427282930两杂种分子都校正正常分离31都校正为异常分离染色单体转变32一个杂种分子校正异常分离半染色单体转变33一个杂种分子校正为或g时两个杂种分子均未校正两个杂种分子都校正为或g时两个都校正正常34基因转变实质上是异源双链dna错配的核苷酸对在修复校正过程中所发生的一个基因转变为它的等位基因的现象
子囊
孢子对
１
２
３
４
第一对 第二对 第三对 第四对
＋ pdxp ＋＋ ＋ pdxp pdx ＋
pdx ＋ ＋ ＋ pdx ＋ pdx ＋ ＋ pdxp ＋ pdxp ＋ ＋ pdx ＋ ＋ ＋ ＋ pdxp pdx ＋ pdx ＋
pdx ＋
×
＋ pdxp
pdx ＋
＋
pdx ＋
pdx pdxp
＋
＋
＋ pdxp
变（又称减数后分离）
• 3.基因转变的分子机制 基因转变实质上是异源双链DNA错配的核苷酸对在修复 校正过程中所发生的一个基因转变为它的等位基因的现象。
3︰5
6︰2
2︰6
4︰4 正常
基因转变实质上是异源双链DNA错配的核苷酸对 在修复校正过程中所发生的一个基因转变为它的 等位基因的现象。
三、位点专一性重组
依赖于小范围同源序列的联会。重组时发生精确的 切割、连接反应，DNA不失去，不合成。两个DNA 分子不交换对等部分（有时是一个DNA分子整合到 另一个DNA分子中，又称整合式重组）
条件：2个DNA分子序列同源，重组就可在此序列 中的任何一点发生。
需要重组的蛋白质参与；（例如.大肠杆菌： RecA蛋白）
蛋白质因子对DNA碱基序列的特异性要求不高； （存在重组热点和序列长度的影响）
真核生物染色质的状态影响重组的频率。
（二）位点专一性重组（保守性重组）
(site-specific recombination)
1．
2.
3.
4.
断裂重接模型
模板选择复制 模型
(1) 违背了半保留复制； (2) 复制应在图 S23期-3，断重裂组重接应模在型偶和线模板期选，择不复应制模同型时的发比生较。 (3)不能解释3线和4线交换。
（二）同源重组的Holliday模型
Robin Holliday于1964年提出了重组的杂和 DNA模型，又称Holliday模型。
O (核心序列),15bp,富含A-T的非对称序列；
P为-160 ~ 0的160bp序列
P’为0 ~ 80的80bp序列
共240bp
• 2. BOB’:
•
B为-11 ~0序列
B’为0 ~11序列
共23bp
attP上Int和IHF的结合点
切割位点
众多的Int 蛋白在attP 位点形成整合体，整合体通过识 别游离DNA的attB 位点起始位点特异性重组。
依赖于小范围同源序列的联会。重组时发生精确的 切割、连接反应，DNA不失去，不合成。两个DNA 分子不交换对等部分
如:λ噬菌体DNA和大肠杆菌DNA 的整合和切除
有时是一个DNA分子整合 到另一个DNA分子中，又 称整合式重组
位点专一性重组发生 在小范围同源序列 （绿色）
位点专一性重组使二 聚体环状DNA分子形 成两个单体环状DNA
本章小结
• *一、遗传重组的类型：同源重组 、位点专一性重 组、异常重组
• 二、同源重组的分子机制 • （一）基因重组的经典模型： 1.断裂和重接模型2.
模板选择学说
• * （二）同源重组的Holliday模型 • * （三）基因转变及其分子机理 • 1.异常分离与基因转变 • 2.基因转变的类型：染色单体转变、半染色单体转
A
B
A、同源的非姊妹染色单体联会；
a
b
A
B B同的单链，在DNA内切酶的作
用下，在相同位置同时切开；
a
b
A
B
C：切开的单链交换重接;
a
b
A
B
D：形成交联桥结构；
a
b
A
B
a
b
A
B
E：交联桥沿配对DNA分子“移 动”。两个亲本DNA分子间造成一 大段异源双链DNA（ Holliday结构）
异常重组（illegitimate recombination ）
（一）同源重组
(homologous recombination )
依赖大范围的DNA同源序列的联会，重组过程中， 两个染色体或DNA分子交换对等的部分。
例：真核生物同源染色体非姊妹染色单体交换； 细菌的转化、转导、接合；噬菌体的重组…
A
B
A
B
b a
F：E和F相同
b
a
G：绕交联桥 旋转1800；
b
a
H.形成 Holliday结构 的异构体
左右切
上下切
A
B
A
B
I
b
a
b
a
A
B
A
b
K
a
b
若左右切，则形成非重组体
a
B
若上下切则形成重组体
不管怎样断裂，都含有一个异源双链DNA区
（三）基因转变及其分子机理
1.异常分离与基因转变
基因转变(gene conversion)：在减数分裂过程中， 一个基因转变为它的等位基因的遗传学现象。 （源于基因重组）
又称减数后分离：等位基因的分 离发生在减数分裂后的有丝分裂 中.
异常4：4
3.基因转变的分子机制
• Holliday模型表明在异源双链区存在着不配对碱基
+
+ 未重组，无
异源双链
g
g
+
两杂种分
+
+ 子都校正
+
g
+ （按亲型）
g
g
g
g
4︰4 正常分离
4︰4 正常分离
+
都校正为 + +或g时
g + g
（一）λ噬菌体的整合和切除
• 裂解状态:λ噬菌体以独 立的环状分子存在
• 溶源状态:噬菌体DNA是 细菌染色体的整合部分 (称为原噬菌体)
• 进入溶源状态: λDNA整 合到宿主基因组中.
• 由溶源状态转为裂解状 态:需要λDNA从宿主 DNA上切除下来.
整合和切除是通过细菌和噬菌体DNA上的特定附着位 点(Attachment sites)之间的重组实现的。