第八章 基因重组和转座
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DNA重组与转座精讲
二、特异位点重组
特异位点重组广泛存在于各类细胞中。起 着十分特殊的作用。 包括： 某些基因表达的调节 发育过程中程序性DNA重排 病毒和质粒DNA复制循环过程中发生的整合 与切除等。
此过程往往发生在一个特定的短的(20～200 bp) DNA序列内 (重组位点)，并且有特异的酶(重组酶)和辅助因子对其识别和 作用。
有些细菌在自然条件下不发生转化或转化效率很 低，但在实验室中可以人工促使转化。例如大肠杆 菌，用高浓度Ca2+处理，可诱导细胞成为感受态， 重组质粒得以高效转化。
转化过程涉及细菌染色体上10多个基因编码的功能。如：感受态因子、 与膜结合的DNA结合蛋白、自溶素、多种核酸酶等。感受态因子诱导与 感受态有关的蛋白质表达，自溶素使与膜结合的DNA结合蛋白和使核酸 酶裸露出来，当游离DNA与膜结合的DNA结合蛋白结合后，核酸酶使其 中一条链降解，另一条链被吸收，与染色体DNA重组。
1
插入序列 插入序列是最小的转座因子。所有插 入 序 列 的 两 端 都 有 反 向 重 复 ( inverted repeats)，为转座酶识别所需，通常重复 序列长度为15～25 bp。重复序列有时只 是类似，并非完全相同。
4.细菌的细胞融合 在有些细菌的种属中可发生由细胞 质膜融合导致的基因转移和重组。在实 验室中，用溶菌酶除去细菌细胞壁的肽 聚糖，使之成为原生质体，可人工促进 原生质体的融合，由此使两菌株的DNA发 生广泛的重组。
(三) 重组有关的酶
大肠杆菌重组有关的酶: RecA：诱发SOS反应， 促进DNA单链的同化 RecF、O、R：调节RecA纤丝的装配与拆卸 RecB、C、D：产生参与重组的DNA单链 RuvA、B、C：产生促进异源双链的形成和切开
第八章DNA重组与转座
（但其靶 DNA 必须有缺口－－结合DNA）
RecA
RecA引发链侵入模型
被置换连
入侵单链
RecA启动的单链入侵
RecA promotes the assimilation of invading single strands into duplex DNA so long as one of the reacting strands has a free end.
RecA引起的链交换和 Holliday结构的生成
（2）RecA 蛋白催化双链和单链 DNA 的反应阶段
a、 联会前阶段（缓慢） RecA 与单链结合
b、 单链与双螺旋的互补链迅速配对，形成双链连接分子 Holliday（5‘侵入）
c、 从双螺旋结构中缓慢置换一条链产生一段长的异源双链 DNA 反应结束时，RecA 结合到双链上
拼接重组体和片段重组体。
Synapsed chromatids
Recombination joint
Heteroduplex DNA
5‘ 5‘
（1）
（2）
Holliday中间体
5 ‘ 3 ‘
5’
切割 Meselson-Radding模型 单链入侵模型（链转移模型）
（2） 切除
◘ 寄主SOS反应时---RecA大量产生，促使阻遏蛋白CⅠ的水解 ---把OL和OR从阻遏状态释放出来 ---从PL转录使int和xis表达
细菌的特异位点重组 ——鼠伤寒沙门氏杆菌鞭毛蛋白H1和H2转换
四、依赖于同源重组的位点特异性的序列代换
-----酵母MAT序列的转换
1、 酵母结合型的转变---DNA序列的代换，而不是互换 ---依赖于序列的同源性 （被代换的序列命运是被降解---突变试验）
RecA
RecA引发链侵入模型
被置换连
入侵单链
RecA启动的单链入侵
RecA promotes the assimilation of invading single strands into duplex DNA so long as one of the reacting strands has a free end.
RecA引起的链交换和 Holliday结构的生成
（2）RecA 蛋白催化双链和单链 DNA 的反应阶段
a、 联会前阶段（缓慢） RecA 与单链结合
b、 单链与双螺旋的互补链迅速配对，形成双链连接分子 Holliday（5‘侵入）
c、 从双螺旋结构中缓慢置换一条链产生一段长的异源双链 DNA 反应结束时，RecA 结合到双链上
拼接重组体和片段重组体。
Synapsed chromatids
Recombination joint
Heteroduplex DNA
5‘ 5‘
（1）
（2）
Holliday中间体
5 ‘ 3 ‘
5’
切割 Meselson-Radding模型 单链入侵模型（链转移模型）
（2） 切除
◘ 寄主SOS反应时---RecA大量产生，促使阻遏蛋白CⅠ的水解 ---把OL和OR从阻遏状态释放出来 ---从PL转录使int和xis表达
细菌的特异位点重组 ——鼠伤寒沙门氏杆菌鞭毛蛋白H1和H2转换
四、依赖于同源重组的位点特异性的序列代换
-----酵母MAT序列的转换
1、 酵母结合型的转变---DNA序列的代换，而不是互换 ---依赖于序列的同源性 （被代换的序列命运是被降解---突变试验）
8-第八章--位点特异性重组与DNA的转座
反转录病毒生活周期
（2）反转录病毒基因组结构与功能
◆ 含有3-4个基因，实为编码区，每各编码区通过加工产 生多种蛋白（多聚蛋白），经酶切成为单一的蛋白质形 式。
◆反转录病毒mRNA通常结构，5 ’端加帽，3’端与polyA 相连。
◆全长的mRNA被翻译时，产物为gag和pol 蛋白。翻译 从第一个起始密码子开始而终止于第一个终止密码子， 产物为gag蛋白。表达pol 蛋白必需越过终止密码子，效 率为5%，因此，gag蛋白是gag-pol蛋白的20倍。
◆ 控制因子家族是通过这两种因子相互作用来划定 的。一个家族由单个类型的自主因子组成，这些因子 由很多种非自主因子相伴随。
◆ 玉米Ac-Ds系统的结构
☉Ac序列由含5个内含子的单个基因编码，其产物为转座酶， 末端有11bp的IR和8bp的DR。
☉Ds是由Ac缺失产生的，Ds9缺失194bp；Ds6只保留2Kb。 转座酶失活但保留完整的转座酶作用位点（包括末端）。
玉米色斑的形成
（2）玉米的控制因子家族
McClintock还发现了Spm-Dspm系统。每个家 族都有自主性因子和非自主性因子。
◆ 自主性因子有切离和转座能力。可插入任何位点 产生不稳定的或可“突变”（mutable）等位基因。自 主性因子的丢失，可使可变的等位基因变成稳定的等 位基因。
◆ 非自主性因子是稳定的，自身不能转座，来源于 失去反式作用功能的自主因子，而这种功能是转座所 必须的。
（2）P 因子
◆研究发现，杂种不育是由于在W位点插入P因子（P element）所致，P品系有P因子，M品系无P因子。
◆P因子长2.9 Kb ，有4个开放阅读框(ORF)，末端有 31bp反向重复序列，靶DNA产生8bp的正向重复序列。
《微生物学》主要知识点-08第八章微生物的遗传
第八章微生物的遗传概述：遗传(heredity or inheritanc® 和变异(variation)是生物体的最本质的属性之一。
遗传即生物的亲代将一整套遗传因子传递给子代的行为或功能。
变异指生物体在某种外因或内因的作用下所引起的遗传物质结构或数量的改变。
基因型(ge no type某一生物个体所含有的全部基因的总和。
表型(phe no type)某一生物所具有的一切外表特征及内在特性的总和。
饰变( modification)不涉及遗传物质结构改变而发生在转录、翻译水平上的表型变化。
8.1遗传变异的物质基础8.1.1三个经典实验1. 经典转化实验：1928年F.Griffith以Streptococcus pneumoniae为研究对象进行转化(transformation)实验。
1944年O.T.Avery等人进一步研究得出DNA是遗传因子。
S strun A2. 噬菌体感染实验：1952年Alfred D.Hershey和Martha Chase用32P标记病毒的DNA，用35S标记病毒的蛋白质外壳，证实了T2噬菌体的DNA是遗传物质。
3.植物病毒的重建实1956年H.Fraenkel-Conrat用含RNA的烟草花叶病毒（tobacco mosaic virus,TMV）与TMV 近源的霍氏车前花叶病毒（Holmes ribgrass mosaic virus,HRV）所进行的拆分与重建实验证明，RNA也是遗传的物质基础。
8.2微生物的基因组结构：基因组（genome是指存在于细胞或病毒中的所有基因。
细菌在一般情况下是一套基因，即单倍体（haploid）;真核微生物通常是有两套基因又称二倍体（diploid ）。
基因组通常是指全部一套基因。
由于现在发现许多非编码序列具有重要的功能，因此目前基因组的含义实际上是指细胞中基因以及非基因的DNA序列的总称，包括编码蛋白质的结构基因、调控序列以及目前功能还尚不清楚的DNA序列。
研究生讲义2010-基因重组与转座
❖F质粒的接合
F＋
F-
F＋
F＋
C、转导（Transduction）
1）概念：以温和噬菌体为载体，将供菌体的一 段DNA转移到受体菌体内，使受体菌获得新的 性状。
普通性转导
2）类型
局限性转导/特异性转导
普遍性转导(generalized transduction
• 噬菌体转导供体菌染色体上全部DNA片段， 发生于裂解期。
• 完全转导：供体菌DNA片段与受体菌染色 • 体整合并随之传代。 • 流产转导：供体菌DNA片段不与受体菌染 • 色体整合也不可自我复制。 （大多为此）
噬菌体DNA
普
细菌裂解期
遍
性
转
导
模
式
图
细菌DNA（将供菌任意DNA装配）
细菌被普遍性 转导噬菌体感 染
整合
未整合
完全转导 流产转导
局限性转导(restrictedtransduction)
LoxP-flanked (floxed) strains: contain loxP sites flanking (on each side of) a critical portion of a target gene or genomic region of interest
Cre repoter strains: contain loxP sites in combination with visible (fluorescent or lacZ) marker proteins used to trace Cre recombination sucess and/or alterations in gene expression.
重组和转座
3. Rec A: ① RecA in bacteria has two quite different types of activity:
it can stimulate protease activity in the SOS response and can promote base pairing between a single strand of DNA and its complement in a duplex molecule.
基因转换
第三节 位点特异性重组
位点特异性重组最典型的列子是λ噬菌体对E.coli的整合。 1. att位点： 噬菌体λ的整合和切离是在特异位点即附着位点(attatchment sites, att ) 通过重组完成的，若这个位点发生突变就会失去功 能而抑制整合：
细菌 att B (BOB‟) 噬菌体 att P (POP’) “O” ，被称为核心（core）序列，为att B和att P共有的； 两侧序列B，B‟和P，P‟被称为臂（arms）；
对靶位点的选择有三种形式：随机选择，热点选择
和特异位点的选择。
Insertion sequences have inverted terminal repeats and generate direct repeats of flanking DNA at the target site. In this example, the target is a 5 bp sequence. The ends of the IS consist of inverted repeats of 9 bp, where the numbers 1 through 9 indicate a sequence of base pairs.
重组与转座概述
不同解离方式
•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
• 玉米的胚乳的花斑：紫色、白色、白色背景下 的紫色斑点。解释：
• 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）
• 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
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。
•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。
第八章 基因重组和转座
特异位点重组的结果决定于重组位点的位
置和方向。 如果重组位点以相反方向存在于同一DNA 分子上，重组结果发生倒位。 重组位点以相同方向存在于同一DNA分子 上，重组发生切除； 在不同分子上，重组发生整合。
特异位点重组的结果依赖于重组位点的位置和方向。重组位点以白箭头表示。 A重组位点反方向位于同一DNA分子，重组结果发生倒位。B重组位点同 方向位于同一DNA分子，重组发生切除；位于不同分子，重组发生整合
Holiday 重组模型 (双链侵入 模型）
Holiday中 间体
5´ 3´ 3´ 5´
Holiday中间体
3´ 5´ 5´ 3´
内切酶 (ruvC)
3´ 5´
5´ 3´
5´ 3´ 3´ 5´
内切酶 (ruvC)
3´ 3´ 5´ 5´ 3´ 3´ 3´
5´
5´ 3´ 3´ 5´ 3´
DNA 连接酶
单链DNA可以由许多途径产生，RecBCD酶是产
生参与重组的DNA单链主要途径。
该酶的亚基分别由基因recB、recC和recD编码。
Rec BCD酶具有三种酶活性：① 依赖于ATP的核酸 外切酶活性，② 可被ATP增强的核酸内切酶活性， ③ ATP依赖的解螺旋酶活性。
当DNA分子断裂时，它即结合在其游离端，
第 8 章 基因重组和转座
第一节 同源重组
发生在同源序列间的重组称为同源重组 (homologous recombination)，又称普遍性重组、
基本重组，是最基本的DNA重组方式。通过链的
断裂和再连接，在两个DNA分子同源序列间进行
单链或双链片段的交换。
同源重组的特征：
利用DNA序列同源性来识别重组对象 蛋白 质因子紧紧帮助它们同源识别。只要两条DNA 序列相同或接近，就可以在序列中的任何一点
8位点特异性重组与DNA的转座12精品PPT课件
第八章 位点特异性重组与DNA的转座
本章内容
1. 保守性位点特异性重组 2. 位点特异性重组的生物学作用 3. 转座 4. 转座子及其调控
重组的两种形式
一、保守性位点特异性重组（CSSR）
1. 位点特异性重组发生在目标DNA上的特异序列中。
λ噬菌体基因组嵌入 宿主染色体中。
3种CSSR重组方式。
◆ 控制因子家族是通过这两种因子相互作用来划定 的。一个家族由单个类型的自主因子组成，这些因子 由很多种非自主因子相伴随。
◆ 玉米Ac-Ds系统的结构
☉Ac序列由含5个内含子的单个基因编码，其产物为转座酶， 末端有11bp的IR和8bp的DR。
☉Ds是由Ac缺失产生的，Ds9缺失194bp；Ds6只保留2Kb。 转座酶失活但保留完整的转座酶作用位点（包括末端）。
◆ E.coli K12中有IS1, IS2, IS3, IS4, IS5。 E.coli的F因子中有IS2, IS3(4个),γ，δ。 ◆ 末端的序列相同或相近，但方向相反，称为反向重复 序列（IR），与其相连的宿主DNA末端会产生正向重 复序列（DR）。 ◆ 仅编码与转座有关的转座酶，转座酶交错切割宿主 DNA，然后IS插入，IS两端形成DR。
玉米色斑的形成
（2）玉米的控制因子家族
McClintock还发现了Spm-Dspm系统。每个家 族都有自主性因子和非自主性因子。
◆ 自主性因子有切离和转座能力。可插入任何位点 产生不稳定的或可“突变”（mutable）等位基因。自 主性因子的丢失，可使可变的等位基因变成稳定的等 位基因。
◆ 非自主性因子是稳定的，自身不能转座，来源于 失去反式作用功能的自主因子，而这种功能是转座所 必须的。
释放出来，然后在受体分子产生的交错接口处插曲。
本章内容
1. 保守性位点特异性重组 2. 位点特异性重组的生物学作用 3. 转座 4. 转座子及其调控
重组的两种形式
一、保守性位点特异性重组（CSSR）
1. 位点特异性重组发生在目标DNA上的特异序列中。
λ噬菌体基因组嵌入 宿主染色体中。
3种CSSR重组方式。
◆ 控制因子家族是通过这两种因子相互作用来划定 的。一个家族由单个类型的自主因子组成，这些因子 由很多种非自主因子相伴随。
◆ 玉米Ac-Ds系统的结构
☉Ac序列由含5个内含子的单个基因编码，其产物为转座酶， 末端有11bp的IR和8bp的DR。
☉Ds是由Ac缺失产生的，Ds9缺失194bp；Ds6只保留2Kb。 转座酶失活但保留完整的转座酶作用位点（包括末端）。
◆ E.coli K12中有IS1, IS2, IS3, IS4, IS5。 E.coli的F因子中有IS2, IS3(4个),γ，δ。 ◆ 末端的序列相同或相近，但方向相反，称为反向重复 序列（IR），与其相连的宿主DNA末端会产生正向重 复序列（DR）。 ◆ 仅编码与转座有关的转座酶，转座酶交错切割宿主 DNA，然后IS插入，IS两端形成DR。
玉米色斑的形成
（2）玉米的控制因子家族
McClintock还发现了Spm-Dspm系统。每个家 族都有自主性因子和非自主性因子。
◆ 自主性因子有切离和转座能力。可插入任何位点 产生不稳定的或可“突变”（mutable）等位基因。自 主性因子的丢失，可使可变的等位基因变成稳定的等 位基因。
◆ 非自主性因子是稳定的，自身不能转座，来源于 失去反式作用功能的自主因子，而这种功能是转座所 必须的。
释放出来，然后在受体分子产生的交错接口处插曲。
形成融合基因的原理
形成融合基因的原理
形成融合基因的原理主要包括两个过程：基因重组和转座。
基因重组是指在染色体中不同基因之间的DNA片段互相交换，并在新的个体中形成新的组合。
基因重组可以发生在同一染色体上的不同位点，也可以发生在不同染色体之间。
这个过程通常发生在减数分裂的过程中，即性生殖细胞的分裂过程中。
通过基因重组，不同基因之间的DNA片段可以重新组合，形成新的基因组合，从而产生新的基因型和表型。
转座是指某些特定的DNA片段（称为转座子）在基因组中的不同位置之间的移动。
转座子可以通过自身编码的酶活性，将自己从一处DNA位置切割并插入到另一处DNA位置中。
转座是一个广泛存在于生物界的现象，可以发生在细菌、真核生物和质粒等生物体的基因组中。
通过转座作用，转座子可以将特定基因从一个基因组位置转移到另一个基因组位置，从而改变基因组的结构和功能。
这两个过程的相互作用，可以让基因组中不同基因之间的DNA片段进行重组和移动，从而形成融合基因。
融合基因的形成既可能是自然界中的随机事件，也可能是人为诱导的实验操作。
融合基因的形成是基因多样性的来源之一，也是生物进化和遗传变异的主要驱动力之一。
基因重组与转座
哺乳动物重组:150bp以上
2019/10/11
10
同源重组需要一系列的蛋白质催化，如原核 生物细胞内的RecA、RecBCD、RecF、RecO、 RecR等；真核生物细胞内的Rad51、Mre11Rad50等等。
同源重组可以双向交换DNA分子，也可以单向转移 DNA分子，后者又被称为基因转换（Gene Conversion)。
• 基因转换首先在酵母及真菌中被发现，现已证实在许 多生物中存在。
• 一种等位基因形式转变为另一种等位基因形式，只发 生在减数分裂时期。
2019/10/11
18
异常分离与基因转变
在一个杂合体中，如果一染色体把基因A交给它的 同源染色体，则它的同源染色体必定把基因a交回给它， 所以在真菌中，一个座位上的两等位基因分离时，应 该呈现2：2或1：1：1：1或1：2：1的分离(表8-1)，这 就说明重组通常总是交互的。可是Lindegren在面包酵 母（Saccharomyces cerevisiae）中发现，有的子囊含有 （3A+1a）或（1A＋3a）的子囊孢子。以后在脉孢霉、 酿酒酵母、子囊菌Ascobolus immersus及果蝇中也发现 这种现象。
重组
吸附
摄入
2019/10/11
+
突变株 24
B、接合（conjugation）
• ①概念：通过性菌毛连接沟通，将遗传物质（质 粒或染色体DNA)从供体菌转移给受体菌的过程。
• 接合性质粒：F质粒、R质粒、Col质粒、Vi质粒 • 非接合性质粒(不要求) ： • ②机制
2019/10/11
25
F＋ 菌
三类位点特异性重组系统的重组酶 Cre、FLP和R均属于λ整合酶家族
2019/10/11
10
同源重组需要一系列的蛋白质催化，如原核 生物细胞内的RecA、RecBCD、RecF、RecO、 RecR等；真核生物细胞内的Rad51、Mre11Rad50等等。
同源重组可以双向交换DNA分子，也可以单向转移 DNA分子，后者又被称为基因转换（Gene Conversion)。
• 基因转换首先在酵母及真菌中被发现，现已证实在许 多生物中存在。
• 一种等位基因形式转变为另一种等位基因形式，只发 生在减数分裂时期。
2019/10/11
18
异常分离与基因转变
在一个杂合体中，如果一染色体把基因A交给它的 同源染色体，则它的同源染色体必定把基因a交回给它， 所以在真菌中，一个座位上的两等位基因分离时，应 该呈现2：2或1：1：1：1或1：2：1的分离(表8-1)，这 就说明重组通常总是交互的。可是Lindegren在面包酵 母（Saccharomyces cerevisiae）中发现，有的子囊含有 （3A+1a）或（1A＋3a）的子囊孢子。以后在脉孢霉、 酿酒酵母、子囊菌Ascobolus immersus及果蝇中也发现 这种现象。
重组
吸附
摄入
2019/10/11
+
突变株 24
B、接合（conjugation）
• ①概念：通过性菌毛连接沟通，将遗传物质（质 粒或染色体DNA)从供体菌转移给受体菌的过程。
• 接合性质粒：F质粒、R质粒、Col质粒、Vi质粒 • 非接合性质粒(不要求) ： • ②机制
2019/10/11
25
F＋ 菌
三类位点特异性重组系统的重组酶 Cre、FLP和R均属于λ整合酶家族
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
+
体未发生交换
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
MI
M II
+
+
+
-
+
-
+ -
+
-
-
-
2、3非姐妹染色 单体发生交换
+ + -
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.
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改变，而供体DNA并未发生变化。
一、同源重组的分子机制
1.同源重组的基本条件
在交换区具有相同或相似序列
双链DNA分子间互补配对
重组酶 参与重组反应的酶 同源重组需要一些蛋白质因子（如大肠杆
菌的Rec A、B、C、D）及酶（如DNA连接酶） 等。 异源双链区的形成
2.同源重组的分子模型——Holliday模型
转座的位置通常或多或少是随机的。当转座
子插入一个基因内时，该基因即失活，如果是重
要的基因就可能导致细胞死亡。因此转座必须受
到控制，并且频率都很低。
转座子对基因组而言是一个不稳定因素，它
可导致宿主序列删除、倒位或易位，并且其在基
因组中成为“可移动的同源区”。
性核苷酸上。
一、λ噬菌体的整合与切除
λ噬菌体侵入大肠杆菌细胞后，面临着裂解生 长还是溶源生长两种生活型的选择，其DNA在不 同生活型之间的转换包括两种状态：进入溶源状
态需要λDNA整合（integrate）进宿主DNA，噬菌
体DNA是细菌染色体的整合部分；由溶源状态进
入裂解状态需要λDNA从宿主DNA上切除（excise
可接合质粒如 F 因子(F factor)
F质粒是双链闭环的大质粒，总长约100 kb，
复制起点为oriV。
F质粒可以在细胞内游离存在，也可以整合到
宿主染色体内，因此属于附加体(episome)。其与
转移有关的基因(tra)占据质粒的三分之一(～33
kb)，称为转移区，包括编码F性菌毛(F pilus)、稳
但反应导向则由不同条件决定，这是噬菌体生
活过程的重要特征，因为它保证了整合反应不
会立即被切除反应所逆转。反之亦然。
二、位点特异性重组的分子机制
第三节 转座
转座因子(transposable element)是一种可以由 染色体的一个位置转移到另外位置的遗传因子， 也就是一段可以发生转座(transposition)的DNA ，又称为转座子(transposon)。
位点专一性重组最早是在λ噬菌体的遗传学研究
中发现的。 λDNA通过重组整合到大肠杆菌染色体的专一性 位点上，转变成为原噬菌体DNA的非活性状态。 一般位点专一性重组都具有λ整合作用的两个基 本特征：①交换是相互的和保存原先的DNA，是典 型的保守性重组（conservative recombination）； ②它发生在噬菌体和细菌DNA短同源序列中的专一
5´ 3´
片 5´ 段 重 组 体 拼 接 重 组 体
5´ 3´ 5´ 3´
5´
DNA 连接酶
5´
5´ 3´ 5´3´ 3´
3´ 5´ 3´ 5´
5´
二、同源重组的酶学机制
已经分离并鉴定了原核生物和真核生物促进 同源重组各步骤有关的酶，研究最多的还是大肠 杆菌的酶。 在大肠杆菌中，RecA蛋白参与重组是最关键 的步骤。 RecA有两个主要的功能：诱发SOS反应和促 进DNA单链的同化(assimilation)。
噬菌体DNA attP POP’ BOB’ attB
Int IHF
+
细菌DNA 整合
切除 Xis
IHF
Int
BOP’ attL
POB’ attR
原噬菌体DNA
λ噬菌体的位点专一性重组
由于噬菌体DNA是环状的，在重组过程中，
它以线性形式插入细菌染色体中，此时原噬菌体
被重组产生的两个新att位点所固定。所以，形成
单链DNA可以由许多途径产生，RecBCD酶是产
生参与重组的DNA单链主要途径。
该酶的亚基分别由基因recB、recC和recD编码。
Rec BCD酶具有三种酶活性：① 依赖于ATP的核酸 外切酶活性，② 可被ATP增强的核酸内切酶活性， ③ ATP依赖的解螺旋酶活性。
当DNA分子断裂时，它即结合在其游离端，
面的构象，使得分支点易于移动，RuvA还帮
助RuvB六聚体环结合在双链DNA上，位于交
叉点上游。
RuvB是一种解螺旋酶，通过水解ATP而推动 分支移动(如下图)。RuvAB复合物的移动速度约 为10～20 bp/s。 同源重组最后由RuvC将Holliday联结体切开， 并由DNA聚合酶和DNA连接酶进行修复合成。 RuvC是一种核酸内切酶，特异识别Holliday 联结体并将其切开。它识别不对称的四核苷酸 ATTG，此序列因而成为切开Holliday联结体的热 点，并决定 结果是片段重组还是拼接重组，即异 源双链区两侧来自同一分子还是不同分子。
所谓单链同化即是指单链与同源双链分子发生 链的交换，从而使重组过程中DNA 配对、Holliday 中间体的形成，分支移动等步骤得以产生。 当RecA与DNA单链结合时，数千RecA单体协
同聚集在单链上，形成螺旋状纤丝。RecF、RecO
和RecR蛋白调节RecA纤丝的装配和拆卸。
RecA蛋白相对分子质量为38000，它与单链DNA
人工转化的机制目前还不十分清楚，可能与增加
细胞通透性有关。
分离
DNA
R 型 H 肺炎双球菌
SH 型 肺炎双球菌
2.细菌接合
当细胞与细胞、或细菌通过菌毛相互接 触时，质粒DNA从一个细胞（细菌）转移至 另一细胞（细菌）的DNA转移称为接合作用 (conjugation)。
质粒 —— 细菌染色体外的小型环状双链DNA分子
第 8 章 基因重组和转座
第一节 同源重组
发生在同源序列间的重组称为同源重组 (homologous recombination)，又称普遍性重组、
基本重组，是最基本的DNA重组方式。通过链的
断裂和再连接，在两个DNA分子同源序列间进行
单链或双链片段的交换。
同源重组的特征：
利用DNA序列同源性来识别重组对象 蛋白 质因子紧紧帮助它们同源识别。只要两条DNA 序列相同或接近，就可以在序列中的任何一点
）下来，λDNA在宿主细菌中 以环状分子独立存 在。
这里，整合和切除均通过细菌DNA和λDNA上特
定位点之间的重组而实现。这些特定位点叫附着位
点（attachment site或att）。
细菌的附着位点称attB，由序列B、O和B’组成，
噬菌体的附着位点称attP，由序列P、O和P’组成。 其中B、B’、P、P’的序列各不相同，而O序列是attB 和attP所共有的，说明在这些位点处发生的重组反应。
结合形成的螺旋纤丝每圈含六个单体，螺旋直径
10nm，碱基间距0.5nm。
此复合物可以与双链DNA作用，部分解旋以
便阅读碱基序列，迅速扫掠寻找与单链互补的序
列。
互补序列一旦被找到，双链进一步被解旋以
允许转换碱基配对，使单链与双链中的互补链配
对，同源链被置换出来(如下图)。 链的交换速度大约为6 bp/s，交换沿单链 5′→3′方向进行，直至交换终止，在此过程中由 RecA水解ATP提供反应所需能量。
特异位点重组的结果决定于重组位点的位
置和方向。 如果重组位点以相反方向存在于同一DNA 分子上，重组结果发生倒位。 重组位点以相同方向存在于同一DNA分子 上，重组发生切除； 在不同分子上，重组发生整合。
特异位点重组的结果依赖于重组位点的位置和方向。重组位点以白箭头表示。 A重组位点反方向位于同一DNA分子，重组结果发生倒位。B重组位点同 方向位于同一DNA分子，重组发生切除；位于不同分子，重组发生整合
由于DNA分子具有螺旋结构，在持续进 行链的交换时需要两DNA分子发生旋转。 RecA能够介导单链绕入另一DNA分子，并水 解ATP。一旦Holliday中间体形成，即由 RuvA和RuvB蛋白促进异源双链的形成。 RuvA蛋白能够识别Holliday联结体(junction) 的交叉点，RuvA四聚体结合其上形成四方平
定接合配对、转移的起始和调节等，总共约40个 基因。
3.细菌转导
转导(transduction)是通过噬菌体将细菌基因从供体 转移到受体细胞的过程。 普遍性转导:是指宿主基因组任意位置的DNA成为成 熟噬菌体颗粒DNA的一部分而被带入受体菌； 局限性转导:某些温和噬菌体在装配病毒颗粒时将宿主 染色体整合部位的DNA切割下来取代病毒DNA。
的能力(如固氮菌、链球菌、芽孢杆菌、奈氏
球菌及嗜血杆菌等)。
转化经常是瞬时的，与特定的生理状态有关。 转 化过程涉及细菌染色体上10多个基因编码的功能。 有些细菌在自然条件下不发生转化或转化效率很 用高浓度Ca2+处理，可诱导细胞成为感受态，重组质 粒得以高效转化。
低，但在实验室中可以人工促使转化。例如大肠杆菌，
RecA蛋白介导的DNA链交换模型
A:DNA链交换的侧面观: 1.RecA蛋白与单链DNA结合；2.复合物与同源双链 DNA结合；3.入侵单链与双链中的互补链配对，同源链被置换出来; B:DNA链交换过程RecA蛋白的横切面
任何部位的单链DNA都能借助RecA蛋白与同源 双链DNA进行链的交换。
Ruv AB复合物结合于Holliday联结体的模型
相当于原核生物中与重组有关酶的对应物也 已在真核生物中发现。在酿酒酵母中的rad51基 因与大肠杆菌recA基因同源，二者的功能有关。 该基因突变造成双链断裂积累，并且无法形 成正常的联会复合物，但此蛋白质不能在体外与
单链DNA形成纤丝，表明原核生物与真核生物
的同源重组机制可能有所不同。
三、细菌同源重组
1.细菌转化
通过自动获取或人为地供给外源DNA， 使细胞或培养的受体细胞获得新的遗传表型， 称为转化作用 (transformation)。
具有摄取周围环境中游离DNA分子能力的 细菌细胞称为感受态细胞(competent cell)。
很多细菌在自然条件下就有吸收外源DNA
位点特异性重组广泛存在于各类细胞中， 起着十分特殊的作用，彼此有很大的不同。它 们的作用包括某些基因表达的调节，发育过程 中程序性DNA重排，以及有些病毒和质粒DNA 复制循环过程中发生的整合与切除等。 此过程往往发生在一个特定的短的(20～200