重组与转座概述

链孢霉的生活史
分生孢子（n）
菌丝 （n）
交配型A
子实体
萌发(n)
核融合 合子核(2n) 减数分裂I 减数分裂II
有丝分裂
子囊孢子（n）
交配型B
脉孢霉减数分裂
非姐妹染色单
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体未发生交换
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MI
M II
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2、3非姐妹染色 单体发生交换
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不同转座子的靶序列长度不同，但对于一 个特定的转座子来说，它所复制的靶序列长 度都是一样的，如IS1两翼总有9个碱基对的 靶序列，而Tn3两端总有5bp的靶序列。
Duplication of the DNA sequence at a target site，when a transposon is inserted. The duplicated sequences are shown in red. These sequences are generally only a few base pairs long, so their size (compared with that of a typical transposon) is greatly exaggerated in this drawing.
离 方 式
•经修补后连接形成重组和非重组的异源DNA链
Holliday模型 对基因转变机制的解释
Holliday模型中无论哪种解离方式，都 会产生两个异源的DNA双链
异源双链有关的核苷酸链分别来自不同 的亲本，如 g+ X g-，两者有一对碱基 之差
g+为：A C A G T TGTCA
g-为 A C A T T TGTAA
（一）同源重组
(Homologous recombination)
1.同源重组的概念：指DNA同源序列间的重 组.常涉及大片段同源DNA序列之间的交换。 是重组中的普遍形式，又称普遍性重组 （generalized recombination）
（1）交互重组：多数真核生物减数分裂过程 中，同源染色体的非姐妹染色体单体或DNA分 子间相互交换对等的部分；
一、重组的概念及类型
1.重组概念 广义/细胞学水平上：由于独立分配或交换而在 后代中出现的新基因的组合过程； 狭义/分子水平上：基因的交换或重排而导致的 新基因的组合过程，即2个DNA分子间或一个DNA 分子的不同部位间,通过断裂和重接,交换DNA片 段从而改变基因的组合和序列.
2. 重组类型： （1）同源重组(Homologous recombination) （2）位点特异性重组 （3）异常重组
异源双链DNA区应为：A C A G T
TGTAA
异源的DNA是不稳定的
不同异常分离比的形成，见书p213。
G
野生型g+
C
G
A
丢失
A
G
T
突变型g-
A
玉米的转座因子
——控制因子（controlling elements）
玉米转座因子除具有转座的特性外，还具有 调节其他基因的作用称为控制因子
玉米的胚乳的花斑：紫色、白色、白色背景下 的紫色斑点。解释：
转座可被分为复制性和非复制性两大类。 在复制性转座中，所移动和转位的是
原转座子的拷贝。转座酶（transposase） 和解离酶（resolvase）分别作用于原始 转座子和复制转座子。TnA类转座主要是 这种形式。
在非复制性转座中，原始转座子作为 一个可移动的实体直接被移位，IS序列、
Mu及Tn5等都以这种方式进行转座。
引言
可遗传的变异是生物适应和进化的基础; 遗传物质发生变异的来源包括两个方面： 突变：基因结构或染色体的数目、结构改变； 重组：染色体或基因序列发生重排及新的组合； 基因重组是遗传的基本现象； 1. 无论高等真核生物，还是细菌、病毒都存在； 2. 不仅在减数分裂，而且在高等生物体细胞中； 3. 不只在核基因，而且在细胞质基因之间； 重组是遗传学的灵魂； 1. 没有重组就没有生物的进化； 2. 没有重组就没有现代的分子克隆技术
玉米带有野生型C基因时，则成紫色
C基因突变阻止紫色素的合成，则成白色（c）
在胚乳发育过程中若发生回复突变则成花斑
认为C基因突变的是由一个“可移动的控制因 子”插入失活引起的，即解离因子 (Dissociator,Ds)和激活因子（Activator,Ac）
Ac为自主型转座子，全长4.6kb，有5个外显 子，产物是转座酶，支配受体因子因子移动 （转座）.两端是11bp的反向重复序列（IR）， 即5‘CAGGGATGAAA………TTTCATCCCTG3’
（2）Holliday模型
同源染色体联会（图 中只显示四条染色单 体中的二条非姐妹染 色体单体）
两条方向相同的单链 被切断；
游离端的氢键断裂， 离开互补单链
游离端交叉地和断裂 单链连接
连接成半交叉，称为 holliday结构
分支点移动呈 “十字 型”
“十字型”的两臂旋 转形成中空的十字结 构
不 同 解
1.原核生物的转座因子
（1）插入序列（insertion sequence，IS） 最简单的转座元件，最初是在乳糖操纵子中发 现的一段自发的插入序列，阻止了被插入基因 的转录，而常被称为插入序列
IS序列都是可以独立存在的单元，两个末端有 反向重复序列，中间带有介导自身移动的蛋白 （转座酶）,不带有任何宿主基因。
（二）位点特异性重组
（site-specific recombination）
重组发生在特殊的位点上：只涉及特定位 置的短同源区或特定的碱基序列之间； 由特定重组蛋白因子识别专一性DNA序列： 重组时发生精确的切割和连接反应； 属于非同源特定片段间的重组。最典型的 如：λ噬菌体的att位点整合到大肠杆菌 的基因组中；
两翼往往是两个相同或高度同源的IS序列， 表明IS序列插入到某个功能基因两端时就可 能产生复合转座子。一旦形成复合转座子， IS序列就不能再单独移动，因为它们的功能 被修饰了，只能作为复合体移动。
转座作用的机制
转座时发生的插入作用有一个普遍的特征， 那就是受体分子中有一段很短的（3-12bp）、 被称为靶序列的DNA会被复制，使插入的转 座子位于两个重复的靶序列之间。
（2）单向重组：在细菌转化、接合和普遍性 转导中，仅受体发生重组，供体并未发生重 组。（依赖RecA重组）
2. 同源重组的特点
负责同源重组的蛋白质因子无碱基序列的特 异性要求，只要两个DNA分子的序列的同源 区足够长，就可以在序列的任何一点发生重 组。 如： 大肠杆菌活体重组要求有20-40bp相同； 枯草芽孢杆菌基因与质粒重组，要≥70bp 哺乳动物的同源区应达到150bp以上； 可通过同源重组将外源基因定位整合到细胞 基因组。
（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序列插入到另一段中。
形成重组分子时往往依赖于DNA复制而 完成重组过程，因此又称复制性重组
转座因子（transposable element）： 细胞中能改变自身位置的一段DNA 序列
转座作用的遗传学效应
① 转座引起插入突变; ② 转座产生新的基因; ③ 转座产生的染色体畸变; ④ 转座引起的生物进化.
ATTGC TAACG
ATTGC TAACG
ATTGC TAACG ATTGC TAACG
ATTGC TAACG
ATTGC TAACG
非自主型转座子Ds：两端序列与Ac相同，但 确失了中间序列，丢失了转座所需要的有关酶， 只有在Ac的转座酶活性被激活后，才能发生 的转座作用。
Ac和Ds可以在基因组内移动，Ds的存在可使 染色体在近旁断裂的机会大大增加，并因此改 变临近基因的表型。
Ac-Ds系统调节色素基因C的机制
C基因位于玉米的九号染色体短臂上， AcDs位于C基因附近； 当C基因附近有Ac而无Ds时，C基因有活性， 玉米籽粒有色素形成； 当Ac不存在，而Ds因子插入、固定在C基因 处， C基因失活，玉米籽粒无色素形成； 当Ac存在时，虽有Ds因子插入、固定在C基 因处， 但胚胎发育过程中，有些细胞中的 Ds因子会因Ac的活化而发生切离转座，C 基因恢复活性，这些细胞仍能合成色素；
细菌染色体或质粒DNA的正常组成部分。一个 细菌细胞常带有少于10个IS序列。转座子常常 被定位到特定的基因中，造成该基因突变。
（2）转座子（transposon， Tn）
转座子（transposon， Tn）是一类较大的 转座因子，除了含有与它的转座作用有关的 基因外，还带有某些抗药性基因（或其他宿 主基因）。因此又称复合式转座因子，转座 往往使宿主菌获得有关基因的特性；
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n
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异常分裂比6：2
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MI
M II
异常分裂比5：3
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++Fra bibliotek+
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MI
M II
异常分裂比 3: 1 : 1 : 3
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MI
M II
基因转变的显著特点
子囊中所形成的4个孢子对中，同一孢子 对的两个孢子基因型不同；
根据该模型重组始终是交互的，如在一 个杂合体，如果一条染色体把基因A交 给同源染色体，则同源染色体必然把基 因a反过来交给他；
要求两染色单体在相应的位点上断裂， 然后以新的组合连接起来，或者从分子 水平上要求两DNA分子在同一碱基对间 断裂，然后互相以新的组合连接起来， 否则重组产物的长度就会改变；
异常分离的子囊中，约有30%与其相邻的 两侧标记连锁基因之间发生交换和重组；
在有基因转变的子囊中，基因转变和遗传 重组都发生在同样两条染色单体的子囊比 例竟高达90%。即基因转变和重组是密切 相关的。
见书p206-207
由于重组出现了完全野生型的孢子对++， 但没有重组的对应产物——双突变型的 孢子对pdx pdxp,但是，尽管pdxp位点出 现异常分离，其右侧紧密连锁的标记基 因pdx位点显示正常分离
基因转变现象
（gene conversion）
真菌类减数分裂的正常分裂：重组通常是交互 的，例如一个杂合体中，如果以染色体把基因 A交给他的同源染色体，则同源染色体也会把a 基因交回给他。则一个位点上的两等位基因分 离时，子囊应该呈现 4：4分离
真菌类的异常分离现象：1930年德国遗传学家 Winkler在链孢霉的重组产物中发现异常的5： 3（约0.06%）和6：2（约0.05%）的分离比。
Winkler把真菌中不规则分离的现象解释 为同源染色体联会时，一个基因使其相 对的位置上的基因发生相应的变化所致， 称为基因转变；
基因转变分为两种：染色单体转变和
半染色单体转变
减数后分裂：该异常分离时减数分裂后 有丝分裂的产物，故又称减数后分离
怎么解释这种现象呢？突变是不可能的， 因为他们的频率比这些基因的正常突变 频率高很多；
二.同源重组的分子机制
交叉学说与断裂重接模型 Holliday模型
（1）交叉学说与断裂重接模型
1909年 janssens 提出交叉型假说：每 次交叉表明父母本的一条染色单体接触、 断裂和重接，形成一个新的组合，其他 两条染色单体仍保持完整状态；
1937年Darlington提出重组的断裂和重 接模型：减数分裂中同源染色体相互分 离就像将绳子的两股分开一样会产生扭 曲，为消除张力，两姐妹染色体单体在 对应位点发生断链，然后非姐妹染色体 单体的“断头”相互重接，产生重组。