第九章 遗传重组的机制

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无重组时规则分离,4:4 有重组无修复时不规则分离,3:2:1:2 半染色单体转换 有重组修复不完全时不规则分离,3:5 半染色单体转换 有重组修复完全时不规则分离,2:6 染色单体转换 4、细菌的同源重组 1)细菌接合过程中的重组 F+或Hfr 细菌环状DNA的两条链中的一条解开从5’开始,单 链进入F细胞,进入的单链在细胞中进行复制,然后以双链形 式与 F-的基因组联会,以链置换的形式单链插入F-的基因 组
第三步 单链侵入 第四步 泡的切除 第五步 链的同化 第六步 异构化 第七步 分子迁移
2、遗传重组的酶学机制
在遗传重组过程中,尤其在同源重组中需要recA蛋白 和recBC蛋白. recA蛋白又叫重组酶、重组蛋白、X蛋白、 依赖于ATP的酶。
recA蛋白由E.coli自身编码,该基因位于58分钟处, 1058bp,此蛋白有353个氨基酸组成其主要作用是促进同 源DNA联会,促进DNA分子间单链交换形成交联桥和Chi 结构,此 酶有多种特性。
1)单链DNA结合活性,保护单链并促进recA与 单链结合
2)依赖于单链DNA的ATP酶活性
3)DNA解旋活性,解开双螺旋
4)NTP酶活性,能水解ATP、GTP、UTP、 CTP促进联会发生
5)促进互补单链复性
6)蛋白酶活性和外切酶活性
recBC蛋白:在同源重组中具有核酸酶的作用、 切断Holliday中中间体完成重组。此酶又叫外 切核酸酶Ⅴ。在同源重组过程中例如在细菌的 接合、转化、转导过程中都有此酶起作用
2) 酶的结合 整合酶:(Int)噬菌体的int基因编码一种DNA 结合蛋白,此酶对POP’有强的亲和力,对BOB’也有合力,具有拓 扑异构酶Ⅰ的活性,即可以DNA切断再连起来。
整合寄主因子:(I H F)由E.coli编码的一种结合蛋
蛋白,对attP位点有强的亲和力。Int .IHF二者结
合在供体和受体DNA的互补处
3)转座重组
一些DNA片段或噬菌体DNA能在大肠杆菌 的质粒间、DNA间来回转移的重组
4)异常重组
指一些非法交换、不对等交换现象.如末端连接 和链的滑动
二、同源重组
1、同源重组的分子机制
1)杂合DNA模型 1964年Holliday提出,又 叫Holliday模型 第一步 联会 同源的非姊妹染色单体间联会形成 联会复合体 第二步 酶切 内切酶分别在DNA分子上各切开一 条单链 第三步 交换重接
P
O
P’
152bp
GCTTTTTTATACTAA 核心序列15bp
82bp
2、E.coli的attB位点结构 (BOB’) att 位点
gal
B
O
B’ bio
4bp GCTTTTTTATACTAA 4bp 3、噬菌体整合的分子机制
1)联会 噬菌体进入E.coli中自动成为环状结构,以此环状 结构参自身的attP区与E.coli的attB区互补联会
非重组孢子对
基因转变伴随基因重组
+/+ +/+ -/-/-
++++----
正常 4:4
G C G T
+/+ +/+ +/+ -/- 有丝
++++++--
6:2
A C A
T
+/+ 分裂 +/+/-/-
+++-+---
不正常4:4 3:1:1:3
+/+ +/+ +/-/-
+++++---
5:3
基因转换:gene conversion 子囊菌的四分体中出现的基因不 规则分离的现象
狭义指:仅涉及到DNA分子断裂-愈合的基因 交流过程,包括连锁互换、细菌杂交、转导、转化、 转座、整合等
2、遗传重组的类型
1)同源重组
同源染色体间或同源序列之间某区段的交换。 包括真核生生物同源区段的交换,细菌同源区 段的交换
2)位点专一性重组
供体DNA仅整合在受体DNA的某一位点的 重组。如噬菌体仅能重组在E.coli的生物素操 纵子与半乳糖操纵子之间
Ds-b的组成:转座酶中心区段缺失2522bp
Ds-c的组成:仅保留了两个终端重复序列和一小部分非编码区
2)酵母的Ty成分 指与非重复序列相间而散在分布的重复DNA序列
ENH
334bp
334bp
ORF1
ORF2
Ty成分长6.3Kb,长末端重复2个,增强子1个,开放阅读框2
个,可以转录成1个mRNA,形成2种蛋白质。每个细胞中可有
5、噬菌体之间的交换重组
噬菌体之间的重组属于同源重组,两个不同基因型的噬菌体的
DNA首先联会,受体DNA的一条链出现切口,供体DNA的一
条部分降解,供体的一条链侵入受体中形成分支 DNA,分支
移位,最后形成插入式重组体和交换式重组体
三、位点专一性重组
1、噬菌体attP位点的结构 (POP’) 235bp
5:3
Baidu Nhomakorabea
6:2
不规则4:4
5:3
6:2
不规则4:4
A g+ A g+
非重组孢子对
a g+ a g+
非重组孢子对
A g+ 重组孢子对,
A g- 基因转变
a g-
a g- 非重组孢子对
A g+ A g+ a g+ a gA gA g+ a ga g-
非重组孢子对 重组孢子对, 基因转变
重组孢子对, 基因转变
五、转座 Transposition 转座:遗传因子改变自身位置的行为 转座因子:Transposable element 可移动位置的遗传因子的总
称 转座子:Transposon 转座因子的一种类型 1、转座的类型、机制和遗传效应 1)转座的类型 复制型转座 供体上的转座子被复制,转座后供体上仍存 在转座子,需转座酶、解离酶 非复制型转座 供体上的转座子先释放出来、然后转到受 体后供体上不再存在转座子,只需转座酶 供体被破坏或被修复 保守型转座 供体上的转座子不释放,供体与受体接触,
遗传重组及其分子机理
一、遗传重组的概念和类型 二、同源重组 三、位点专一性重组 四、异常重组 五、转座重组 六、反转座和反转座子
一、遗传重组的概念和类型
1、遗传重组的概念
细胞之间或DNA分子之间核苷酸片段的交换或 者转移。
广义指:任何造成基因型变化的基因交流过程, 包括减数分 裂中染色体的随机组合、连锁互换、雌 雄配子结合形成的新的基因型、 细菌杂交、转导、 转化、转座、整合等
2)细菌转化过程中的遗传重组 供体DNA以双链形式感染受提细胞 供体DNA以双链形式进入受体细胞与受体DNA联会 供体DNA的一条单链侵入受体的DNA中与其中的一条连汇合 位置被取代的部分的受体单链被降解 DNA聚合酶、联接酶作用产生部分杂合双链 通过复制产生稳定的转化子
3)转导过程中的遗传重组 由噬菌体携带的双链DNA进入受体细胞 DNA以双链形式与受体DNA联会 局部单链侵入,取代受体的DNA片段 全部侵入两次双链交换,产生重组
Ds基因叫做:跳跃基因。但是,Ds基因的活动受位于 号染色
体上的Ac基因的控制,Ac基因形成一种扩散物质作用于Ds基
因,转位、脱离的来回循环形成了玉米的斑点。
Ac的组成:4500bp,反向终端重复序列11bp×2,转座酶基因1个, 定位酶基因1个,非编码区3个(黑色区)
Ds-a的组成:仅缺失转座酶序列中的149bp,所以自身不能转 座
3)转座的结果:转座后原来位置上的转座子保持不变、新的 位置上出现转座子、新位置上的转座子两侧 出现正向重复序 、既靶位点加倍
4)转座的遗传效应 A、引起插入突变,如果在操纵子上游则引起极性突变 B、插入位上出现新基因 C、增加同源序列的整合, D、准确切离引起回复突变 E、不准确切离引起染色体畸变 F、改变染色体结构,转入后促使染色体缺失、倒位 G、调节某一基因的活动 H、转座子可带入新的基因引起变异,利于进化
BOP’ (attL) +POB’ (aatR)
Int. IHF.Xis
在Int.IHF作用下完成整合作用,但在切离时除Int. IHF参与,还需 噬菌体编码的切除酶(Xis),在整合过程中没有DNA的分解也没有
DNA的合成。
四、异常重组 不需要DNA同源序列或彼此同源性很小,重组蛋白、转座酶 的重组,是最原始的重组途径,也是基因组进化的重要途径。 这种途径可能和癌症发生、遗传性疾病、基因组进化有关, 重组的结果导致移码、缺失、倒位、融合、DNA的扩增 1、末端连接 指染色体断裂——融合——桥的循环的过程。 有断裂末端的两条染色单体能够复制、并且,两个断端可 以融合一个双着丝粒的染色单体,该染色单体在减数分裂 中断裂又产生短端,短端又可以融合,产生新的双着丝粒 染色单体,下次减数分裂时又断裂 2、链的滑动 在含有正向重复序列较多的DNA分子或染色体 之间发生的模版链与新合成链间的错配
30-35个。Ty转座是DNA RNA DNA
转座
逆转录的DNA才开始转座,此现象叫做返座:指有RNA介导
的转座作用。返座子:retroposons 被返座的遗传因子
3)果蝇的转座子
P因子的发现:在黑腹果蝇中有P、M两个品系,当P雌×P雄、 M雌×M雄、P雌×M雄、杂交时 F1代均为正常,但是当P雄×M雌 杂交,F1代却为杂种劣育表现发育不全、分离比异常、减数分裂异 常、染色体畸变、高突变率等。进一步研究发现此雄性果蝇品系体 细胞中有导致杂种劣育的因子—P因子
P♂
♀P × M♂ ♀M × M
正常 核中有P因子,质 中有转座阻碍蛋白
♂P × M♀
正常
正常
核中有P因子,质 核中无P因子,质
中有转座阻碍蛋白 中无转座阻碍蛋白
核中有P因子
F1劣育 质中无转座阻碍蛋白 导致频繁转座
P因子的结构;2907bp、
反向重复序列2个(31 bp)、
4个编码区(0、1、2、3),3个内含子(1、2、3)
2)转座的机制 切开 供体含有Tn3转座子,其Tn3的转座酶可以识别受体 质粒上的靶序列,在靶序列两侧各一条单链上切一 切口,转座酶还可以识别自身两边的反向重复序列 并在3端’切开 连接 供体与受体结合成为共联体,使供体切下IS或Tn3 反向重复序列末端和受体粘性末端以共价键齐头相 连,形成两个缺口 复制 由DNA聚合酶修补复制补上缺口,由连接酶连接, 使在IS两端形成两个正向重复序列 重组 在特定位点进行重组,结果是共联体分成两部分, 一部分含有 原有的转座子,一部分插入了转座子
内1
内2
内3
反重 外0
3、真核生物的遗传重组
真核生物遗传重组的机制和过程了解的不清楚, 目前知道的联会复合体结构是遗传重组的结果,两 个DNA分子在形成联会复合体前是如何接触的,还 没有更多的了解。但是,在一些真菌如红色面包霉 的非正常的子囊饱子的排列(5:3 6:2)等情况 的出现与异源双链的形成与Holliday模型中的异源双 链的形成和修复有关系,发生重组修复完全孢子排 列正常,不正常修复则出现基因转换,它包括染色 单体转换和半染色单体转换。
第四步 形成交联桥结构
第五步 分子迁移,形成Holliday结构 第六步 分子构型变化
第七步 分子绕交联桥旋转1800 第八步 Hlliday中间体拆分
2)链转移模型 Meslson-Radding模型 1977年 第一步 切断 内切酶切断一条链
第二步 链置换 DNA聚合酶Ⅰ合成新链,老链被置 换
3)酶切 整合酶在一条链的+4位,另一条链的-2位切开attB和
attP,形成参差不齐的5’单链末端,5’-OH 3’-P
4)重接 切开后瞬间DNA分子发生旋转,又在整合酶作用下
使断口处连起来。重新连接时断头与断头之间发生
错接导致噬菌体整合到E.coli的基因组中
噬菌体
细菌
Int. IHF
原噬菌体
POP’ (attP) + BOB‘’ (attB)
2、真核生物的转座因子 1)玉米的Ac-Ds系统 指玉米细胞中可移动位置的两个相互作用的因子构成的系 统。Ac:激活因子Ds:解离因子
Ds
C
有色
Ds C 无色 C 有色
C为有色基因,位于玉米的 号染色体上,只要C存在即为有色
破坏了C基因即为无色,Ds基因也位于 号染色体上,它可以 移动位置到C基因的近旁或插入C基因中,破坏C的作用,它还可 从C基因中或近旁再脱离出来,而使C基因又恢复活性,因此,
F1劣育的原因:因为在 F1的生殖细胞中的 P因子能编码转座酶, 使P因子转座,频繁转座使生殖腺细胞中的许多基 因失活,DNA重排,下代生殖障碍劣育。 为什麽M雄、M雌品系为正常呢? 因为此二品系中不存在P因子
♀P × ♂
为什麽P雄、P雌为正常呢?
因为二者的细胞质内存在转座阻碍蛋白,使转座
不能发生。
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