同源重组的分子机制

m1 + m1 + + m2 + m2
未转变
m1 + + + + m2 + m2
单转变
m1 + m1 + m1 + + m2
共转变
m1 + + m2 + m2 + m2
共转变
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第六章 同源重组的分子机制
极化子：距离单链断裂点的位置越近越容易发生基因
转变，越远越不易发生转变，由此基因转变频率由高
内切酶 (recBCD)
5´ 3´ 3´ 3´
3´ 5´ 5´ 3´
DNA 连接酶
5´ 3´ 3´ 5´
3´ 5´ 5´ 3´
Holiday中间体
5´ 3´ 3´ 5´
分支迁移(Ruv AB) 内切酶 (RuvC)
3´ 5´ 3´ 3´
3´ 5´ 5´ 3´ 5´ 3´
3´ 5´
5´ 3´
3´ 5´
到低形成一个梯度，染色体上呈现基因转变极化现象
的区域称为极化子；
转变频率 单链断裂点
m1 m2
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m3
m4
m5
第六章 同源重组的分子机制
四、细菌的同源重组
(一)、细菌同源重组的特点
①发生在环状双链DNA分子与一个双链或单链DNA 分子之间；
转化：单链 × 双链 接合：双链 × 双链 转导：双链 × 双链
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第六章 同源重组的分子机制
5´ 3´ 3´ 5´
3´ 5´ 5´
内切酶
3´ (recBCD)
3´ 5´ 5´ 3´
5´ 3´ 5´ 3´
3´ 5´ 3´ 5´ 3´ 5´
Fra Baidu bibliotekDNA侵扰 (recA)
5´ 3´ 3´ 5´ 3´ 5´ 5´ 3´
5´ 3´ 3´ 5´
置换延伸 (recA)
第六章 同源重组的分子机制
+ +
+ + -
+ +
+ + + -
- + - + - + - + 基因转变(gene conversion)：一个基因转变为它的等位基 - + - + + + + + + 因的遗传学现象（源于基因内重组）。 + + + + + + + + + + + + -
染色单体转变粪生粪壳菌(Olive): g+ × g 半染色单体转变
第六章 同源重组的分子机制
Holliday模型同样适用于环状DNA间的重组 两个环状DNA分子配对、断裂、重接形成“8”字 型结构中间物，根据切割的位置不同，可分别形成两 个亲本环、大的单体环或者是滚环结构，也可以形成 “χ” 结构。
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第六章 同源重组的分子机制
2
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第六章 同源重组的分子机制
哈工大-遗传学 第六章 同源重组的分子机制
1 6
2 3 旋转1800
4 5 7
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第六章 同源重组的分子机制
A A a a
G
B
A
G
b
A
C T
B
b b
A
a a
A
C T
b
B B
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第六章 同源重组的分子机制
哈工大-遗传学
第六章 同源重组的分子机制
Holliday 模型中，由于重组而产生的异源双链区存在 不配对碱基，可被细胞内的修复系统能够识别并以一条链 为模板进行切除修复： (1). 两个杂种分子均未得到校正，有丝分裂后分离形成4:4 或 3:1:1:3的异常孢子分离比，属于半染色单体转变；
第六章 同源重组的分子机制
游离的3'单链末端
形成Holliday连接体
单链侵入并置换
哈工大-遗传学 第六章 同源重组的分子机制
Ruv AB复合物结合于Holliday连接体
哈工大-遗传学 第六章 同源重组的分子机制
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第六章 同源重组的分子机制
Ruv C 蛋白切开 Holliday连接体
内切酶 (RuvC)
3´ 5´ 3´ 3´ 5´
5´
5´ 3´
DNA 连接酶
5´ 3´
5´ 3´ 5´
5´ 3´ 5´ 3´
5´
DNA 连接酶 3´
5´
上 下 切
左 右 切
5´ 3´
3´ 5´
5´
5´3´
3´
(三)、细菌的重组机制--转化(单链和双链)
实质：单链DNA片段与双链环状DNA之间的重组
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第六章 同源重组的分子机制
支持Holliday遗传重组模型的证据： 1、形态学上，Holliday中间体(Chi 结构)的电镜照片； 2、异源双链形成时，产生碱基错配导致与重组相关联
的基因转变的发生；
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第六章 同源重组的分子机制
(二)、基因转变及其分子机理
1、异常分离与基因转变 粗糙脉孢菌： pdxp：酸度敏感的VB6依赖型 pdx： 酸度不敏感的VB6依赖型
哈工大-遗传学 第六章 同源重组的分子机制
解释同源重组分子机制的模型：
断裂和重接模型
1937年，Darlington提出； 模板选择复制模型（copy choice ） Belling J.首先提出，1933年又撤回； 1948年，Hershey再次提出；
霍利迪(Holliday)模型
1964年Robin Holliday提出； Meselson-Radding模型 1975年Meselson Radding提出；
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第六章 同源重组的分子机制
+ pdxp
×
pdx +
585个子囊中
子囊 孢子对
①
1 2 3 4 + + + pdx pdxp pdx + pdxp + pdx + +
②
③
+ + + + pdx + pdxp + +
④
pdx + + pdx + pdxp + +
?
+
pdxp pdx
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B 3’ 5’ 5’ b 3’ 联会 B 3’ 5’ 5’ 3’
(8)
A B 两臂旋转 b a
b 酶切 B
(9)
A B
(3) 5’ A 3’ 3’ 5’ a (4) 5’ A 3’ 3’ 5’ a
3’ 5’ 5’ b 3’ 游离端移动联会 B 3’ 5’ 5’ b 3’ 游离端交叉连接 3’ 5’ 5’ b 3 形成单链交叉 3’ 5’ 5 b 3’ 分支点移动 B A B B
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第六章 同源重组的分子机制
(四)、细菌修复系统对异源双链区的校正： ①切除外源DNA——无重组
②切除受体DNA——发生重组
③无修复作用 ——子代细胞出现两种基因型（受体基因型 和重组体基因型） 通常采用有利于重组体基因型生长的选择条件
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第六章 同源重组的分子机制
• 高效率标记(high-efficiency maker)：在转化中，有些遗传 标记或是很少发生校正作用，或是校正切除几乎总是在受 体DNA上，因此转化频率较高，这类遗传标记称为~。 • 低效率标记(low-efficiency maker)：转化中一些标记的校 正切除总是倾向于发生在供体单链上，因而出现很低的转 化频率，这类标记称为~。
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第六章 同源重组的分子机制
②存在8个碱基组成的重组热点(Chi位点)： chi 位点 5' GCTGGTGG 3' 3' CGACCACC 5' ③需要几种重要的蛋白质：
RecBCD复合体：具有核酸酶，解旋酶和ATPase活性，在
Chi位点产生单链 3'游离未端； RecA：促进DNA单链的同化，即促进单链与同源双链分子 发生链的交换； RuvAB复合体：促进分支迁移； RuvC：核酸内切酶，切开重组中间体(Holliday连接体)；
哈工大-遗传学 第六章 同源重组的分子机制
三、Meselson – Radding模型
Holliday 模型中为对称的杂合双链，而实际情况有 不均等分离现象，1975年Meselson-Radding 提出模型解 释这种不对称重组现象；
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第六章 同源重组的分子机制
修复校正：若一个杂种分子被校正为野生型(突变型)，另一个未被校正
+/+ +/g +/g g/g
+ + + + + g g g
+ + + + g + g g
＞＞
+ + g + + + g g
+ + + g + + g g
三型子囊
四型子囊
Meselson-Radding 模型
困难
(五) 基因转变与高度负干涉
负干涉：两个邻近基因，或者是同一基因不同突变点间， 双交换的频率比预期高，并发系数C>1，即一个区域
哈工大-遗传学 第六章 同源重组的分子机制
(二)、细菌同源重组的机制---接合和转导(双链和双链)
RecBCD 结合在双链断裂处 chi 5’ BCD 3’
RecBCD 解链并作为外切酶降解 DNA chi RecBCD 停留在 chi 处，内切酶切开单链
RecD 在 chi 顺序解离
RecBC 继续作为解链酶
(2). 一个杂种分子得到校正，另一条未校正，有丝分裂后 分离形成 5:3 或 3:5 的分离比，属于半染色单体转变； (3). 两个杂种分子都被校正到同一种类型，有丝分裂后分 离形成 6:2或2:6 的分离比，属于染色单体转变； (4). 两个杂种分子都被校正到不同类型，有丝分裂后分离 形成 4:4 分离比，未出现基因转变；
哈工大-遗传学 第六章 同源重组的分子机制
1
2.
断裂重接模型
3. 1．
4. 2.
模板选择复制 模型
3.
4.
图 23-3 断裂重接模型和模板选择复制模型的比较
哈工大-遗传学 第六章 同源重组的分子机制
断裂重接模型和模板选择复制模型存在的问题
断裂重接模型：不能解释基因转变和极化子现象；
模板选择复制模型： (1) 违背了半保留复制； (2) DNA复制在S期，重组在偶线期，不应同时发生； (3)不能解释3线和4线交换；
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第六章 同源重组的分子机制
的交换引起邻近区域交换的增加；
局部负干涉：有些噬菌体、细菌或真菌的某些局部位点
明显的出现负干涉的现象；
基因转变时的高度负干涉：伴随重组的基因转换常常能 模仿双交换的结果，仿佛是一次交换增加了附近基因交 换的几率；
哈工大-遗传学 第六章 同源重组的分子机制
共转变：子囊中几个相近位点同时发生转换的现象；
图 23-15 RecBCD 核酸酶从一侧接近 chi 顺序，当它前进
RecA蛋白介导的DNA链交换模型
1). RecA蛋白与单链DNA结
合，形成螺旋状纤丝； 2). 螺旋状纤丝与同源双链 DNA结合； 3). 螺旋状纤丝中的单链(入 侵单链)与双链中的互补链配 对，同源链被置换出来；
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第六章 同源重组的分子机制
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第六章 同源重组的分子机制
一、概念
同源重组：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：同源染色体非姐妹单体交换； 细菌的转化、转导、接合； 噬菌体的重组…
条件：2个DNA分子序列同源；
不同物种同源重组所需的最小的同源序列不同；
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第六章 同源重组的分子机制
二、Holliday模型
依据：细菌重组chi结构
基因转变
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第六章 同源重组的分子机制
(一)、过程
1
1. 同源的非姐妹染色单体联会;
6
2. DNA内切酶在非姐妹染色单 结构断裂是否导致旁侧遗传标 无论 Holliday 2 体的相同位置同时切开两个 旋转1800 3 方向相同的一条单链； 记的重组，它们都含有一个异源双链区。 3. 切开的单链交换重接;
+
+
+ + + -
+
+
+ + ? -
+
+
+ ? ? -
+
+
+
+
+
-
+
+ -
+
-
+
-
6:2 (或 2:6)
120/200000
5:3 (或 3:5)
100/200000
-
3:1:1:3
16/200000
2、基因转变的分子机制 ①在5：3和6：2分离的子囊中，约有30%也在g基因两侧 发生重组； ②发生基因转变的子囊中，基因转变和遗传重组都发生 于同样的两个染色单体上的子囊的比例高达90%； 基因转变的实质：重组过程中留下的局部异源双 链区，在细胞内的修复系统识别下不同的修复产 生的结果；
4. 形成交联桥结构；
5. 分支迁移：形成一大段异源 双链DNA(Holliday结构)
4 5 7
6. 绕交联桥旋转1800，形成 Holliday异构体；
7. 切开与重接： 左右切，形成非重组体 上下切，形成重组体。
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第六章 同源重组的分子机制
(1) 5’ A 3’ 3’ 5’ a (2) 5’ A 3’ 3’ 5’ a
b a
(10)
A B
A B
b (5) 5’ A 3’ 3’ 5’ a a (11) A B A
b a b
a (6) 5’ A 3’ 3’ 5’ a (7)
b
a
B
A
B
A
b
a
b
a
B
a
b
支持Holliday遗传重组模型的证据： 1、形态学上，Holliday中间体(Chi 结构)的电镜照片；
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