分子遗传学_遗传重组

endonuclease (ruvC)
3´ 5´ 5´ 3´
5´ 3´ 3´ 5´
3´ 5´
endonuclease (ruvC)
3´ 5´
5´ 3´ 3´ 5´
5´ 3´
5´ 3´
DNA ligase
5´ 3´ 3´ 5´
5´ 3´
3´ 5´ 3´ 5´
DNA ligase
5´ 3´
splice recombinant
Conjugation process
Conjugation process
Conjugation process
§2 Transformation转化
Introduction of an exogenous DNA into a cell, causing the cell to acquire a new phenotype. （exogenous外源的；phenotype形态）
重组的前提之一是参与重组的两条DNA分子必须 靠近，同源序列之间严格配对，配对又叫做联会 (synapsis)。
5´ 3´ 3´ 5´
3´ 5´ endonuclease 5´ (recBCD) 3´
5´ 3´ 3´ 5´
5´ 3´
3´ 5´ 5´ 3´
DNA invading (recA)
3´ 5´ 5´ 3´ endonuclease (recBCD) Branch migration (recA) 5´ 3´ 3´ 5´ 3´ 5´ 5´ 3´
specific DNA sequence. 位点特异性重组发生在两条DNA的特异位点上。 The first example was found in the integration between lDNA and E. coli DNA.
λDNA integration
λ噬菌体的位点特 异性整合
IS Transposition
insertion sequences (IS) including: inverted terminal repeats (IR)：15~25bp transposase gene
direct repeats：5~9bp
Transposase gene
types of IS transposition
Transduction
二、同源重组的酶学机制
1. E.coli的RecA蛋白是一个39kDa的单肽链，是 同源重组过程中最重要的蛋白质，也叫重组酶 (recombinase) 2. 作用：促进同源DNA联会和促进DNA分子间的 单链交换
① 单链DNA结合活性 ② 双链DNA结合活性 ③ NTP酶活性 ④ 促进互补单链复性的能力
Chapter 5
Genetic Recombination 遗传重组
Outline：
1. 什么叫遗传重组？
2. 遗传重组的类型
3. 同源重组的分子机制
4. 细菌的转化、接合和转导
5. 同源重组的酶学机制
6. 位点特异性重组 7. 转座 8. 插入序列、复合转座子 9. 转座的分子机制 10.真核生物转座子
Transformation
DNA
Transformation experiment of Streptococcus pneumoniae
§3 Transduction转导
Transduction is the transfer of DNA fragments from one bacterium to another bacterium by a bacteriophage. （exogenous外源的；phenotype形态）
Transposase gene
tet-R gene
Transposons Transposition
2.复合转座子(composite transposons)
复合转座子含有一个中心序列和位于其两 侧的壁（IS或类IS）。中心序列含有抗药性 基因等遗传信息。左、右两个壁在序列上相 似 ， 因 此 有 时 又 叫 长 末 端 重 复 (lengthy
3´ 5´
patch recombinant
5´ 3´ 3´ 5´
5´ 3´
电镜下的Holliday结构
2012-3-1 Thursday
Chengdu Medical College
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（二）细菌转化、接合和转导的重组机制 以上讨论的是两个完整的双螺旋DNA分子之间 的重组。重组也可以发生在一个完整双螺旋DNA 分子和一个片段（单链的和双链的）之间。
• Illegitimate Recombination异常重组
Section 2 Homologous Recombination 同源重组 ------指发生在姐妹染色单体之间或同一染色体上 含有同源序列的DNA分子之间或分子之内的重新 组合。 ------ 通 常 根 据 Holliday 结 构 (holliday juncture structure)的形成和拆分分为3个阶段，即前联会 体阶段、联会体形成和Holliday结构的拆分。
Mutation 突变 个体基因
突变
基因间交流
适者生存
Section 1 遗传重组概述 Outline of genetic recombination 广义：任何造成基因型变化的基因交流过程都叫 遗传重组(genetic recombination) 狭义：涉及DNA分子内断裂-复合的基因交流，有 时又叫交换（crossing over）。DNA分子内或分 子间发生遗传信息的重新组合，称为遗传重组
• duplicative transposition • Conservative transposition
duplicative transposition
Conservative transposition
IS的结构
IS的转座机制
transposon
• Insertion sequence + another gene (usually antibiotic gene)
(genetic recombination) 。 重 组 产 物 为 重 组 体
DNA(recombinant DNA)。
重组原理的应用
•用于染色体上的基因作图（重组频率与基因之间 的距离相关） •培育转基因细胞和生物
Genetic recombination
• Homologous Recombination同源重组 • Site-specific Recombination位点特异性重组 • Transposition Recombination转座作用
§1 Conjugation接合
Bacterial Conjugation has been defined as the transmission of genetic information from a donor bacterium to a recipient cell through cell-to-cell contact. （donor供体；recipient受体）
一、同源重组的分子机制 （一）断裂-复合及Holliday中间体 1. 切断(nicking) 2. 链置换(strand displacement) 3. 单链侵入(single-strand invasion) 4. 噜噗切除(loop cleavage) 5. 链同化(strand assimilation) 6. 异构化(isomerization) 7. 分支迁移(branch migration)
同 源 重组 反 应 严 格 依 赖 DNA分 子 之间 的同源 性 100%同源------Homologous Recombination <100%同源------Hemologous Recombination
原核生物：通常放生在DNA复制过程中 真核生物：常见于细胞周期的S期之后
Homologous recombination occurs between
RecA蛋白促进2个双链 DNA分子链之间的交换
RecA蛋白促进单 链DNA与双链 DNA进行链交换
RecA蛋白单体的 三维结构模型
RecBCD蛋白：
1. 由RecB、RecC和RecD三个亚基组成。 2. 具有5种酶的活性——外切核酸酶V、解链酶、核酸内 切酶、ATP酶和单链DNA外切酶； 3. RecBCD蛋白参与细胞内的RecBCD同源重组途径—— 首先它与双链DNA分子自由末端结合，依靠其外切核 酸酶V的活性同时降解DNA的2条链，然而，一旦遇到 chi（χ）序列，RecD亚基就从复合物中释放出来，留 下来的RecBC蛋白开始以解链酶的活性发挥作用，在 水解ATP的同时，解开DNA双链，产生单链DNA，为 RecA发挥作用铺平道路，最终起动了链交换和重组反 应
identical or nearly identical sequences. It is also called general recombination.
同源重组需要满足的条件：
（1）在交叉区域含有相同或几乎相同的碱基序列； （2）双链DNA分子之间发生互补配对； （3）需要重组酶的催化； （4）形成异源双链； （5）发生联会
称为复制重组(replicative recombination)
Transposition resembles site-specific recombination being catalyzed by special enzymes. 转座类似于位点特异性重组，只不过需要特殊酶 的催化。
可转移成分现在一般叫做转座单元，简称 转座元（transposons），也叫做转座子。 虽然“转移”，但是“复制” ------转座作用涉及转座子的复制 （replicative recombination），当一个拷贝插
Section 4 Transposition 转座作用 Transposition is the movement of specific pieces of DNA in the genome. 转座过程中，转座成分从染色体的一个区段转移 到另一 条染 个区段或从一条染色体转移到另一 色体。
由于转座作用总是伴随着转Baidu Nhomakorabea成分的复制，故又
细菌中的转座成分依组成结构可以分为：插入 序 列 (insertion sequences) 、 复 合 转 座 子 (composite transposons) 、 TnA 转 座 子 家 族 (TnA family) 和 可 转 移 噬 菌 体 (transposable phages)
1.插入序列(insertion sequences) IS
RecBCD蛋白的作 用模型
RecF途径：
这主要是质粒之间进行重组的途径，需
要的蛋白质有RecA、RecJ、RecN、RecO、
RecQ和Ruv等
Section 3 Site-specific Recombination 位点特异性重组 Site-specific recombination occurs at a
入基因组的新位置后，原来位置上仍保留一个拷
贝。
§1 细菌中的转座作用
和同源重组及位点特异性重组不同，转座作用 不依赖转座子和靶点之间以及供点和靶点之间任 何的序列同源性。
转座子
插入
复制
使靶点处基因失活；存在及复 制加重了细胞的生理负担
基因缺失、倒位、易位； 作为袖珍同源区域允许重组发 生；某些细菌质粒进化的方式
5´ 3´ 3´ 5´
5´ 3´ 3´ 5´
3´ 5´ 5´ 3´
DNA ligase
5´ 3´ 3´ 5´
3´ 5´ 5´ 3´
Holiday intermediate
Holliday intermediate
5´ 3´ 3´ 5´ 3´ 5´ 3´ 5´ 5´ 3´ 3´ 5´
3´
5´
5´
3´
RecA蛋白在同源重组的具体作用分为3个阶段： 1. RecA的第一个DNA结合位点（初级位点）与单 链DNA结合，包被DNA，形成蛋白质-DNA丝 状复合物； 2. RecA的第二个DNA结合位点（次级位点）与1 个双链DNA分子结合，形成三链DNA中间体， 随后单链DNA侵入双链DNA，寻找同源序列； 3. RecA催化链交换，由被RecA包被的单链DNA 从5′→3′方向取代双链DNA分子之中的同源旧 链，形成异源双链，并发生分叉迁移