基因重组方法=全

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3、基因重组
基因重组(gene recombination)是两个独立基因组内 的遗传基因,通过交换与重新组合形成新的稳定基因组 的过程。
原核微生物基因组 通常只是部分遗传物质的转移和重
组,并且通过转化、接合和转导等形式进行;
真核微生物的基因重组 发生在有性繁殖过程中,通过
减数分裂后整套染色体发生高频率交换(基因重组) 在真核微生物中的部分真菌存在不通过减数分裂而在有 丝分裂过程产生低频率基因重组的准性生殖方式
重组后得到原养型(his+,try+)的转导子
鼠伤寒沙门氏菌的普遍性转导
噬菌体的 DNA包装酶酶也能识别染色体DNA上类似pac的位点 转导噬菌体为什么“错 并进行切割,以“headful”的包装机制包装进P22噬菌体外壳, ” 形成只含宿主 DNA的转导噬菌体颗粒 (假噬菌体)。 将宿主的DNA包裹进去 ?
3.2 真核生物的基因重组
在自然环境中,真核微生物就存在有性生殖和准 性生殖等基因重组的形式。
酵母菌有性杂交 霉菌的准性杂交
3.2.1 酵母菌的有性杂交
酵母菌的生活史既包括二倍体、单倍 体世代,又包括有性和无性世代。 减数分裂形成子囊孢子
二倍体
单倍体
每个子囊中含 有四个单倍体 的子囊孢子
酿酒酵母的双倍体和单倍体细胞比较
证实接合过程需要细胞间的直接接触的 “U”型管实验( Bernard Davis,1950 )
(2) 机制
(大肠杆菌的接合机制)
接合作用是由一种被称为F因子的质粒介导
F因子的分子量通常为5×107,上面有编码细菌产生性菌毛 (sex pili)及控制接合过程进行的20多个基因。
含有F因子的细胞:“雄性”菌株(F+),其细胞表面有性菌毛 不含F因子的细胞:“雌性”菌株(F-),细胞表面没有性菌毛
化进含有与该质粒具有同源区段的质粒的受体菌-------重组获救
转染(transfection):
噬菌体DNA被感受态细胞摄取并产生有活性的病毒颗粒
特点: 提纯的噬菌体DNA以转化的(而非感染)途径进入细胞 并表达后产生完整的病毒颗粒。
现在把DNA转移至动物细胞的过程也称转染
接合 (conjugation):
高频重组菌株
染色体上越靠近F因子的先导区的基因,进入的机会 就越多,在F-中出现重组子的的时间就越早,频率也高。
F因子不易转入受体细胞中,故Hfr×F杂交后的受体细胞(或称接合子)大多 数仍然是F-。
细胞基因的这种转移过程又常称为性导( sexduction)、F因子转导 3)F′×F-杂交 (F-duction),或F因子媒介的转导(F-mediated transduction)。
细胞与细胞的直接接触(由F因子介导)
转导(transduction):
由噬菌体介导 游离DNA分子 + 感受态细胞
自然遗传转化(natural genetic transformation):
“接合” “转导” 及“自然转化”这三种在自然界 存在的细菌遗传重组过程各自的特点:
a)外源DNA的来源及进入途径有差异;
溶源转变与转导的不同?
a)不携带任何供体菌的基因; b)这种噬菌体是完整的,而不是缺陷的;
3.1.3细菌的遗传转化(genetic transformation)
定义:同源或异源的游离DNA分子(质粒和染色体DNA)被自然
或人工感受态细胞摄取,并得到表达的水平方向的基因转移过程
感受态细胞:具有摄取外源DNA能力的细胞
摄取DNA的能力,或人为地将DNA导入细胞内。
(该过程与细菌自身的遗传控制无关!)
(1)自然遗传转化(简称自然转化)
1928年,Griffith发现肺炎链球菌(Streptococcus pneumoniae) 的转化现象
目前已知有二十多个种的细菌具有自然转化的能力
进行自然转化,需要二方面必要的条件:
可能全部是宿主菌的基因。
b)局限性转导颗粒携带特定的染色体片段并将固定的个别基因 导入受体,故称为局限性转导。而普遍性转导携带的宿主基 因具有随机性。
溶源转变(lysogenic conversion):
一个与转导相似又不同的现象 温和噬菌体感染细胞后使之发生溶源化,因噬菌体的基因 整合到宿主染色体上,而使后者获得了新性状的现象。
1) 意外的发现
的其它菌种是否也存在接合作用,用二株具不同的多重营养缺陷型 的鼠伤寒沙门氏菌进行类似的实验:
1951年,Joshua Lederberg和Norton Zinder为了证实大肠杆菌以外
用“U”型管进行同样的实验时,在给体和受体细胞
不接触的情况下,同样出现原养型细菌!
沙门氏菌LT22A是携带P22噬菌体的溶源性细菌 另一株是非溶源性细菌
缺陷噬菌体在宿主细胞内能够象正常的λDNA分子一样进行复制、
包装,提供所需要的裂解功能,形成转导颗粒。
但没有正常噬菌体的溶源性和增殖能力,感染受体细胞后,通过 DNA整合进宿主染色体而形成稳定的转导子。
局限性转导与普遍性转导的主要区别:
a)被转导的基因共价地与噬菌体DNA连接,与噬菌体DNA一起 进行复制、包装以及被导入受体细胞中。而普遍性转导包装的
酿酒酵母
两种接合型α和a (单倍体)
融合
二倍体细胞(α/a)
酿酒酵母接合型是由自身的遗传特性决定的
受MAT活性区调控,由MAT启动子控制
α和a基因是不表达的沉默基因,只在发生接合型 (单倍体)转变时用作α或a基因插入的来源
基因的传递很可能是由可透过“U”型管滤板 的 P22噬菌体介导的
一个表面看起来的常规研究却导致 一个惊奇和十分重要发现的重要例证!
(普遍性转导这一重要的基因转移途径的发现)
实验现象
管的右臂放溶源性细菌 LA-22(受体),左臂放 敏感菌LA-2(供体)
用泵交替抽吸,使两 端的液体来回流动
管的中间用烧结玻璃滤板 隔开,它只允许液体和比 细菌小的颗粒通过
Hfr 菌株仍然保持着 F+细胞的特征,具有F性菌毛,并象F+一样与F2) Hfr ×F-杂交 细胞进行接合。所不同的是,当OriT序列被缺刻螺旋酶识别而产生 Hfr菌株的F因子插入到染色体DNA上,因此只要发生接合转移转移 缺口后,F因子的先导区(leading region)结合着染色体 DNA向受体细 过程,就可以把部分甚至全部细菌染色体传递给F 细胞并发生重组 胞转移,F因子除先导区以外,其余绝大部分是处于转移染色体的末 ,由此而得名为 。 端,由于转移过程常被中断,因此 F因子不易转入受体细胞中,故 Hfr×F-杂交后的受体细胞(或接合子)大多数仍然是F-。
3.1 原核生物的基因重组
细菌的三种水平基因转移形式
接合
转导 自然转化
接合 (conjugation): 细胞与细胞的直接接触(由F因子介导) 转导(transduction):
由噬菌体介导
自然遗传转化(natural genetic transformation):
游离DNA分子 + 感受态细胞
温和噬菌体感染
整合到细菌染色体的特定位点上
宿主细胞发生溶源化
溶源菌因诱导而发生裂解时, 在前噬菌体二侧的少数宿主 基因因偶尔发生的不正常切 割而连在噬菌体DNA上 部分缺陷的温和噬菌体
把供体菌的少数特定基因转移到受体菌中
温和噬菌体λ裂解时的
不正常切割:包含gal或bio基因
(几率一般仅有10-6)
LA-22端出现了原养型 的个体(his+,try+)
溶源性菌株LA-22 中少数细胞在培养 过程中自发释放出温和型噬菌体P22
通过滤板感染另一端的敏感菌株LA-2 LA-2裂解后,产生大量的“可滤过因子 ”,其中极少数在成熟过程中包裹了 LA-2的DNA片段(含try+基因)
通过滤板再度感染LA-22
Hfr菌株内的F因子因不正常切割而脱离染色体时, 形成游离的但携带一小段染色体基因的F因子, 特称为F′因子。
F′×F-与F+×F-的不同:给体的
部分染色体基因随F′一起转入受体细胞
a)与染色体发生重组;
b)继续存在于F′因子上, 形成一种部分二倍体;
3.1.2 细菌的转导(transduction)
F因子为附加体质粒 既可以脱离染色体在细胞内独立存在,也可插入(整合)到染色体上
F因子的四种细胞形式
Leabharlann Baidu
a)F-菌株, 不含F因子,没有性菌毛,但可以通过 接合作用接收 F因子而变成雄性菌株(F+);
b)F+菌株, F因子独立存在,细胞表面有性菌毛。
c)Hfr菌株,F因子插入到染色体DNA上,细胞表面有性菌毛。
d)F′菌株,Hfr菌株内的F因子因不正常切割而脱离染色体时, 形成游离的但携带一小段染色体基因的F因子,特称为F′因 子。 细胞表面同样有性菌毛。
1) F+×F-杂交
F+菌株的F因子向F-细胞转移,但含F因子的宿主细胞 的染色体DNA一般不被转移。
杂交的结果:给体细胞和受体细胞均成为F+细胞
理化因子的处理可将F因子消除而使F+菌株变成F-菌株
由噬菌体介导的细菌细胞间进行遗传交换的一种方式:
一个细胞的DNA通过病毒载体的感染转移到另一个细胞中
能将一个细菌宿主的部分染色体或质粒DNA 带到另一个细菌的噬菌体称为转导噬菌体
细菌转导的二种类型:
普遍性转导 局限性转导
(1)普遍性转导(generalized transduction)
噬菌体可以转导给体染色体的任何部分到受体细胞中的转导过程
特点:在选择培养基平板上形成微小菌落
转导DNA不能进行重组和复制,但其 携带的基因可经过转录而得到表达。
流产转导(abortive transduction) 进入受体的外源DNA通过与细胞染色体 的重组交换而形成稳定的转导子
外源DNA被降解,转导失败。
(2)局限性转导(specialized transduction)
b)决定因素也各有不同;
(2)人工转化
在自然转化的基础上发展和建立的一项细菌基因重组手段, 是基因工程的奠基石和基础技术。 不是由细菌自身的基因所控制; 用多种不同的技术处理受体细胞,使其人为地处于一 种可以摄取外源DNA的“人工感受态”。 用CaCl2处理细胞,电穿孔等是常用的人工转化手段。
质粒的转化效率高;
(competent cell)
自然遗传转化(natural genetic transformation) 人工转化(artificial transformation)
自然感受态与人工感受态的不同?
自然感受态的出现是细胞一定生长阶段的生理特性,
受细菌自身的基因控制;
人工感受态则是通过人为诱导的方法,使细胞具有
建立了感受态的受体细胞 外源游离DNA分子
枯草芽孢杆菌的自然转化过程(革兰氏阳性菌的转化模型)
分泌感受态因子 与细胞表面受 体M相互作用
使细胞表面的 DNA结合蛋白及 核酸酶裸露出来 ,使其具有与 DNA结合的活性
诱导特异蛋白质如自溶素表达
双链DNA与感受态细胞表面的特定位 点吸附,DNA的一条单链被降解,另 一条单链进入受体细胞,并与受体 细胞染色体DNA的同源部分配对,接 着受体染色体上相应单链片段被切 除,并被外来的单链DNA交换、整合 和取代,形成杂种DNA,
因为染色体上的pac与P22 DNA的pac序列不完全相同, 利用效率较低,这种“错装”机率一般仅约10-6-10-8
普遍性转导的基本要求:
形成转导颗粒的噬菌体可以是温和的也可以是烈性的,但必须 具有能偶尔识别宿主DNA的包装机制并在宿主基因组完全降解 以前进行包装。
DNA 不能复制,因此群体中仅一个细胞含有DNA, 普遍性转导的三种后果: 而其它细胞只能得到其基因产物,形成微小菌落。
自然转化过程的特点:
a)对核酸酶敏感; b)不需要活的DNA给体细胞;
c)转化是否成功及转化效率的高低主要取决于转化(DNA) 给体菌株和转化受体菌株之间的亲源关系;
d)通常情况下质粒的自然转化效率要低得多; 提高质粒的自然转化效率的二种方法: 1)使质粒形成多聚体,这样进入细胞后重新组合成有 活性的质粒的几率大大提高; 2)在质粒上插入受体菌染色体的部分片段,或将质粒转
3.1.1细菌的接合作用(conjugation) (参见 P 215)
通过细胞与细胞的直接接触而产生的 遗传信息的转移和重组过程
(1).
1946年,Joshua Lederberg 和Edward L.Taturm
细菌的多重营养缺陷型杂交实验
中间平板上长出的原养型菌落 是两菌株之间发生了遗传交换 和重组所致!
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