南开大学遗传学-19-20遗传变异的分子机理-重组,转座子
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的存在会使染色体上该位置发生断裂的机会增 加，并由此改变邻近基因的表达。当Ds因子插 入到玉米颗粒色素基因C的近旁或中间时，就 不能形成色素，当Ds转位离开后，C基因所受 的抑制作用会解除，玉米又出现色素。
Ds因子特点：非自主转座子
2．Ds因子不稳定，它受另一调控因子Ac的影响
Ac存在：能解除Ds对色素基因C的抑 制作用,使C基因表达，颗粒出现色素斑点;
切除
➢噬菌体的attP和细菌的attB中O 序
列完全相同，是发生特异性重组的部
位。
右图示：环形噬菌体DNA通过attP位 点和attB位点的交互重组将噬菌体 DNA变成整合的线形原噬菌体DNA。
（2）催化重组的酶类。
催化整合和切除反应需要
不同酶类催化：
①整合反应(attB attP)
需要噬菌体基因 int 产 物
大肠杆菌中编码重组功能的有关基因： RecBCD形成单链、RecA使单链同 化、 RuvA识别连接体，RuvB与 RuvA结合，RuvC切割双链，拆分 Holiday连接体形成两条DNA分子。
上图示：RuvAB蛋白是一个促使 分枝迁移的不对称蛋白复合体。 右图示：细菌的酶类能够催化DNA修 复中所有阶段的反应而产生目的DNA。
右图示：RecBCD核酸酶从一端靠近Chi 位点，在移动中降解DNA。在Chi位点 行使内切酶活性切断单链，然后丢掉 RecD，只保留解旋酶活性。
上图示：根据切断发生链的不同， Holiday连接体的拆分可产生两种双螺 旋：亲本双螺旋分子和重组双螺旋。两 种螺旋分子都含有一个异源双链区。
上图示：在RecA催化下发生在部分双 链和完整双链间的交换产生一个类似重 组中间体的结构。
重组过程的步骤和酶：(a) 一对同源双链；(b)由recB，C核酸酶在第一对 DNA双链的一条链打开缺口，并使螺旋部分松开。SSB结合到单链区使 之稳定，recA的蛋白也能结合到单链上，引导双链形成，使原双链中相 应的单链被置换；(c)另一对DNA双链的一条链打开缺口并与第一对 DNA双链的一条链配对；(d) 切口由连接酶封口；(e) 开始180o旋转的 结构。
和一种称为整合宿主因子
(integration
host
factor，IHF)的蛋白质。
②切除反应(attL attR)
除了需要Int和IHF以外，
还需要噬菌体基因 xis产
物。
上图示：对attP和attB核心区共有序列的交错切 割产生交叉重连，最后产生交互重组复合体。
等位基因重组引起基因转换
（1）减数分裂后分离 (postmeiotic segregation)。指在减数分 裂后形成异源双链的分离。 证明了重组DNA等位基因中 存在异源双链。 ➢子囊菌减数分裂是在4个细 胞核产生之后发生的，并形 成8个呈线性排列的单倍体 细胞核 (图14.14)。 （2）异源双链错配修复导 致基因转换(Gene conversion ):对异源双链 DNA中错配碱基修复，使一 个等位基因转换为另一等位 基因的现象。
➢复合转座子：有些转座子除转座 功能外还携带抗药性(或其它)标 记(marker)，被称为复合转座子 (composite transposon)。 ➢复 合 转 座 子 含 有 IS 模 序 。 两 臂 既可以相同方向，也可(大多数是) 相反方向排列，其结构为： 左臂 >—— 中 心 区 ——> 右 臂 或 左 臂 >——中心区——<右臂。 ➢复合转座子命名为Tn+数字。 ➢IS的转座频率为每代10-3~10-4 次，切除频率低，约为插入频率 的千分之一。复合转座子的转座 频率较低。
第19章 遗传变异的分子机理II —重组
第一节 同源重组
➢如果没有遗传重组，每个染色体中的等位基因将会永远固定在其特定 位置，有害突变的不断积累，最终会将每个染色体消除(并因此将任何 发生过的有利突变淘汰)。 ➢重组可分为同源重组、位点特异性重组、转座和拷贝选择四种类型：
1）同源重组(homologous recombination) ：DNA同源序列间发 生的重组称为同源重组或非特异性(generalized)。在真核生物中，重 组在雄性和雌性中都是在减数分裂时期发生，在雄性中发生在精子发生 期，雌性发生在卵子发生期。此时正值减数分裂的“四分体期”，其中 只有两条参与重组。大肠杆菌要求同源区>13bp，枯草芽孢杆菌基因 与质粒需要>70bp，哺乳动物应>150bp。
说明不是由缺失，无义突变，移码突变或点 突变造成，实验证明是由IS因子引起的。
（3）IS元件是细菌的正常组分。 IS后的数字表示 插入序列(insertion sequence， 其被分离的历史
转座酶基因
IS),可用双冒号来表示一个特异
位点的插入，例如，: :IS1表示
一个IS1元件插入到噬菌体。
➢在卵子和精子中整体重组频率也不相同，在人类女性中发生重组的频 率是男性中的两倍。基因组中重组频率受染色体结构影响；例如在异染 色质附近，交换就会受到抑制。
同源重组可在一定长度的同源DNA任何位点发生；位点特异性重组只发生在特 殊位点。
细线期：染色体浓缩可 见，通常结合膜。
偶线期：染色体在一定 区域配对。
原核生物和真核生物中均有发现。 如大肠杆菌、 酵母、果蝇、玉米。
转座子：能从染色体的一个位置转移到另一个 位置 或另一条染色体上的一段DNA 片断。 转座子结构特点：一般具有反向或正向末端重 复序列。
转座子类型： 自主型和非自主型。
第一节 玉米中的转座子
➢ 上世纪三十年代，玉
米遗传学家 Barbara McClintock在研究中发 现了玉米籽粒色斑不稳定 遗传的现象，认为是一种 可转移的遗传因子所致。
➢1948年McClintock首先确认和提出了复 合转座子 的概念，70年代后在原核和真核 生物中不断发现有转位因子。
McClintock（1902-1992）：1944：美国国家科学院院士。1945：美国遗传学会主 席。1983：Nobel Prize ，35年后将可动基因重大发现归功于她。
1．Ds因子(dissociation，Ds) 即解离因子，能在玉米基因组内移动，它
减数分裂后 分离
基因转换
上图示：子囊菌形成孢子的过程，允许减数 分裂的每个DNA双链发生交换。
三、同源重组与特异性重组的区别
插入式重组：λ噬菌体整合到宿主染色体上和沙门氏菌控制 鞭毛形态的正反方向插入重组涉及遗传因子的加入。
替换式重组：一般性重组中两个染色体交换了一部分。
区别：
1．DNA同源部位的大小：λDNA和E. coli DNA只有附着点
由于Ds和Ac两因子频繁转位，使玉米颗粒上出现散在斑点。
第二节 原核生物的转座子
1、插入序列(IS)：最早在有激酶
缺陷的E. coli突变体中发现有IS
因子，在gal半乳糖操纵子的各个 部位都有发生： （1）在任何一个激酶缺陷的突 变体中，其突变位置可以位于K 中，或位于T或E中，能抑制激酶 基因表达的T基因突变不会抑制E 的表达。各个突变只能影响到同 一操纵子中转录下游其它结构基 因的表达而不影响其上游基因的 表达——极性突变。 （2）上述突变体能自发回复为 野生型（说明突变不是由缺失引 起）；任何诱变剂不能提高回复 为野生型的频率。
2）位点特异性重组(site-specific recombination)：指在一对特异 性序列之间进行重组，通常在原核生物中发生。将噬菌体基因组整合到 细菌染色体中就是位点特异性重组。该重组过程与噬菌体和细菌的特异 性DNA序列有关，包括一小段同源序列。参与此过程的酶仅作用于一 对特殊的靶序列。相关反应负责转化细菌染色体的特殊区域。
Ac激活因子丢失：Ds趋于稳定，抑制 了C基因的表达，玉米颗粒呈无色。
Ac激活因子特点：自主转座子
Ds
Ds
玉米调控因子的作用模式：
(a) Ac激活因子的位置不稳定，在无Ds转位因子时，C基因不受抑制，颗 粒呈深色。
(b) 当Ds因子插入C基因时，C的色素表型受到抑制。 (c) 每当Ds转位后，C基因又可表达，颗粒出现斑点。 (d) 无Ac激活因子时，Ds能稳定插入到C基因中，使颗粒为无色。
➢IS元件的末端是反向重复
(inverted repeat)序列，在插
入位点，IS DNA两侧总是短的
转座子
正向重复(direct repeat)，其重
复序列的长度一般为3～9bp。 ➢末 端 可 被 自 身 编 码 的 座 酶
全长
热点
(transposase)识别，启动转座。
图15.1 转座子的末端反向重复能够在 靶位点的两翼产生正向重复，图中靶 位点重复5bp。转座子末端反向重复 为9bp。数字1-9表示碱基序列。
alt的核心区O同源，而在同源重组中，两个染色体是同源的。 2．重组部位的大小：同源重组中，虽然整个染色体同源，但
实际重组部位可大可小，而特异重组中，同源部位虽很小，但 重组一律包括整个λDNA。
第20章 遗传变异的分子机理III —转座子(transposable element)
也称为 jumping gene or mobile element 发现：McClintock (美，20世纪50年代在玉米种 发现，1988年获诺贝尔生理医学奖。）
2、大肠杆菌重组的分子基础
（ 1 ） RecBCD 识 别 chi 序 列 引
发重组。 重组中涉及到的细菌 的酶已经通过其基因rec 突变 体得到鉴定。rec 突变体的表 型是不能进行全面重组。现已 经鉴定了10~20个基因座。
➢图14.9说明了在含有chi位点
的DNA序列上反应何协同进行 的过程。 ➢Chi序列(5GCTGGTGG 3)天 然存在于大肠杆菌DNA中，大 约每5-10kb出现一次。
右图示：复合转座子的中心区携带 某种标记(如抗药性)，两侧有IS模序。 每个IS具有短的末端重复。
2.人工转座突变技术
（1）原理：人工改造转座子，目标是敲除转座酶基因， 使转座子不能自主转座。
（2） 人工转座技术与谋略： （a）利用自杀质粒（没有在受体细胞中复制的复制位点）
编码转座酶基因。自杀质粒与人工转座子共同转入 受体细胞中。 （b）体外将人工转座子与转座酶进行组装形成转座复合 物，将转座复合物转入受体细胞中。
粗线期：联会复合体配 对伸展到染色体全长。
双线期：染色体分离， 但交叉点仍相连。
终变期：染色体浓缩、 与核膜分开，交叉点处 连接，4条染色单体均可 见。
右图示：重组发生于减 数分裂的前期，前期是 根据两条染色体出现而 定义的。每条含有两个 副本，但只在前期最后 才观察到。单个交换的 分子作用发生在这四个 双链DNA之间。
第二节 特异性重组
（1）DNA位点特异性重组。
①要进入溶原状态，游离的DNA必
须整合到宿主DNA中。
整合
②要脱离溶原状态进入裂解周期，原
噬菌体DNA必须从染色体上切除下来。
➢重组反应在附着位点发生。 整合和
切除过程在细菌和噬菌体DNA上被称
为附着位点(attachment sites)的特
殊位置上通过重组作用发生。
1、双链断裂起始重组：核 酸内切酶切口启动重组。 如图所示。 ➢如果两个连接点以相反方 式解开，即被切开的链一 个在里面，一个在外面， 结果就发生了遗传交换。 ➢酵母突变体(rad50)能阻 止平末端转变为单链突出 从而干扰重组。说明双链 断裂对重组是必需的。
右图示：重组开始于双链的断裂， 之后产生两个3端，一个3迁移 到同源双链附近。
3）转座(transposition)：属异常重组类型，是使一段DNA序列插 入到另一段DNA序列中，而不依赖任何序列同源性。这种使某些元件 从一个位置向其它位置移动的方式称为转座。转座机制涉及DNA链的 切割和重连，因此与重组过程有联系。
4）拷贝选择(copy choice)：另一种重组类型是在RNA病毒中使用 的，聚合酶可以在合成RNA时从一条模板链转换到另一条链上。因此， 新合成的分子把两个不同亲本中的序列信息融合一起。这种类型的重组 机制称为拷贝选择重组。在双链DNA底物重组中不使用此机制。
Ds因子特点：非自主转座子
2．Ds因子不稳定，它受另一调控因子Ac的影响
Ac存在：能解除Ds对色素基因C的抑 制作用,使C基因表达，颗粒出现色素斑点;
切除
➢噬菌体的attP和细菌的attB中O 序
列完全相同，是发生特异性重组的部
位。
右图示：环形噬菌体DNA通过attP位 点和attB位点的交互重组将噬菌体 DNA变成整合的线形原噬菌体DNA。
（2）催化重组的酶类。
催化整合和切除反应需要
不同酶类催化：
①整合反应(attB attP)
需要噬菌体基因 int 产 物
大肠杆菌中编码重组功能的有关基因： RecBCD形成单链、RecA使单链同 化、 RuvA识别连接体，RuvB与 RuvA结合，RuvC切割双链，拆分 Holiday连接体形成两条DNA分子。
上图示：RuvAB蛋白是一个促使 分枝迁移的不对称蛋白复合体。 右图示：细菌的酶类能够催化DNA修 复中所有阶段的反应而产生目的DNA。
右图示：RecBCD核酸酶从一端靠近Chi 位点，在移动中降解DNA。在Chi位点 行使内切酶活性切断单链，然后丢掉 RecD，只保留解旋酶活性。
上图示：根据切断发生链的不同， Holiday连接体的拆分可产生两种双螺 旋：亲本双螺旋分子和重组双螺旋。两 种螺旋分子都含有一个异源双链区。
上图示：在RecA催化下发生在部分双 链和完整双链间的交换产生一个类似重 组中间体的结构。
重组过程的步骤和酶：(a) 一对同源双链；(b)由recB，C核酸酶在第一对 DNA双链的一条链打开缺口，并使螺旋部分松开。SSB结合到单链区使 之稳定，recA的蛋白也能结合到单链上，引导双链形成，使原双链中相 应的单链被置换；(c)另一对DNA双链的一条链打开缺口并与第一对 DNA双链的一条链配对；(d) 切口由连接酶封口；(e) 开始180o旋转的 结构。
和一种称为整合宿主因子
(integration
host
factor，IHF)的蛋白质。
②切除反应(attL attR)
除了需要Int和IHF以外，
还需要噬菌体基因 xis产
物。
上图示：对attP和attB核心区共有序列的交错切 割产生交叉重连，最后产生交互重组复合体。
等位基因重组引起基因转换
（1）减数分裂后分离 (postmeiotic segregation)。指在减数分 裂后形成异源双链的分离。 证明了重组DNA等位基因中 存在异源双链。 ➢子囊菌减数分裂是在4个细 胞核产生之后发生的，并形 成8个呈线性排列的单倍体 细胞核 (图14.14)。 （2）异源双链错配修复导 致基因转换(Gene conversion ):对异源双链 DNA中错配碱基修复，使一 个等位基因转换为另一等位 基因的现象。
➢复合转座子：有些转座子除转座 功能外还携带抗药性(或其它)标 记(marker)，被称为复合转座子 (composite transposon)。 ➢复 合 转 座 子 含 有 IS 模 序 。 两 臂 既可以相同方向，也可(大多数是) 相反方向排列，其结构为： 左臂 >—— 中 心 区 ——> 右 臂 或 左 臂 >——中心区——<右臂。 ➢复合转座子命名为Tn+数字。 ➢IS的转座频率为每代10-3~10-4 次，切除频率低，约为插入频率 的千分之一。复合转座子的转座 频率较低。
第19章 遗传变异的分子机理II —重组
第一节 同源重组
➢如果没有遗传重组，每个染色体中的等位基因将会永远固定在其特定 位置，有害突变的不断积累，最终会将每个染色体消除(并因此将任何 发生过的有利突变淘汰)。 ➢重组可分为同源重组、位点特异性重组、转座和拷贝选择四种类型：
1）同源重组(homologous recombination) ：DNA同源序列间发 生的重组称为同源重组或非特异性(generalized)。在真核生物中，重 组在雄性和雌性中都是在减数分裂时期发生，在雄性中发生在精子发生 期，雌性发生在卵子发生期。此时正值减数分裂的“四分体期”，其中 只有两条参与重组。大肠杆菌要求同源区>13bp，枯草芽孢杆菌基因 与质粒需要>70bp，哺乳动物应>150bp。
说明不是由缺失，无义突变，移码突变或点 突变造成，实验证明是由IS因子引起的。
（3）IS元件是细菌的正常组分。 IS后的数字表示 插入序列(insertion sequence， 其被分离的历史
转座酶基因
IS),可用双冒号来表示一个特异
位点的插入，例如，: :IS1表示
一个IS1元件插入到噬菌体。
➢在卵子和精子中整体重组频率也不相同，在人类女性中发生重组的频 率是男性中的两倍。基因组中重组频率受染色体结构影响；例如在异染 色质附近，交换就会受到抑制。
同源重组可在一定长度的同源DNA任何位点发生；位点特异性重组只发生在特 殊位点。
细线期：染色体浓缩可 见，通常结合膜。
偶线期：染色体在一定 区域配对。
原核生物和真核生物中均有发现。 如大肠杆菌、 酵母、果蝇、玉米。
转座子：能从染色体的一个位置转移到另一个 位置 或另一条染色体上的一段DNA 片断。 转座子结构特点：一般具有反向或正向末端重 复序列。
转座子类型： 自主型和非自主型。
第一节 玉米中的转座子
➢ 上世纪三十年代，玉
米遗传学家 Barbara McClintock在研究中发 现了玉米籽粒色斑不稳定 遗传的现象，认为是一种 可转移的遗传因子所致。
➢1948年McClintock首先确认和提出了复 合转座子 的概念，70年代后在原核和真核 生物中不断发现有转位因子。
McClintock（1902-1992）：1944：美国国家科学院院士。1945：美国遗传学会主 席。1983：Nobel Prize ，35年后将可动基因重大发现归功于她。
1．Ds因子(dissociation，Ds) 即解离因子，能在玉米基因组内移动，它
减数分裂后 分离
基因转换
上图示：子囊菌形成孢子的过程，允许减数 分裂的每个DNA双链发生交换。
三、同源重组与特异性重组的区别
插入式重组：λ噬菌体整合到宿主染色体上和沙门氏菌控制 鞭毛形态的正反方向插入重组涉及遗传因子的加入。
替换式重组：一般性重组中两个染色体交换了一部分。
区别：
1．DNA同源部位的大小：λDNA和E. coli DNA只有附着点
由于Ds和Ac两因子频繁转位，使玉米颗粒上出现散在斑点。
第二节 原核生物的转座子
1、插入序列(IS)：最早在有激酶
缺陷的E. coli突变体中发现有IS
因子，在gal半乳糖操纵子的各个 部位都有发生： （1）在任何一个激酶缺陷的突 变体中，其突变位置可以位于K 中，或位于T或E中，能抑制激酶 基因表达的T基因突变不会抑制E 的表达。各个突变只能影响到同 一操纵子中转录下游其它结构基 因的表达而不影响其上游基因的 表达——极性突变。 （2）上述突变体能自发回复为 野生型（说明突变不是由缺失引 起）；任何诱变剂不能提高回复 为野生型的频率。
2）位点特异性重组(site-specific recombination)：指在一对特异 性序列之间进行重组，通常在原核生物中发生。将噬菌体基因组整合到 细菌染色体中就是位点特异性重组。该重组过程与噬菌体和细菌的特异 性DNA序列有关，包括一小段同源序列。参与此过程的酶仅作用于一 对特殊的靶序列。相关反应负责转化细菌染色体的特殊区域。
Ac激活因子丢失：Ds趋于稳定，抑制 了C基因的表达，玉米颗粒呈无色。
Ac激活因子特点：自主转座子
Ds
Ds
玉米调控因子的作用模式：
(a) Ac激活因子的位置不稳定，在无Ds转位因子时，C基因不受抑制，颗 粒呈深色。
(b) 当Ds因子插入C基因时，C的色素表型受到抑制。 (c) 每当Ds转位后，C基因又可表达，颗粒出现斑点。 (d) 无Ac激活因子时，Ds能稳定插入到C基因中，使颗粒为无色。
➢IS元件的末端是反向重复
(inverted repeat)序列，在插
入位点，IS DNA两侧总是短的
转座子
正向重复(direct repeat)，其重
复序列的长度一般为3～9bp。 ➢末 端 可 被 自 身 编 码 的 座 酶
全长
热点
(transposase)识别，启动转座。
图15.1 转座子的末端反向重复能够在 靶位点的两翼产生正向重复，图中靶 位点重复5bp。转座子末端反向重复 为9bp。数字1-9表示碱基序列。
alt的核心区O同源，而在同源重组中，两个染色体是同源的。 2．重组部位的大小：同源重组中，虽然整个染色体同源，但
实际重组部位可大可小，而特异重组中，同源部位虽很小，但 重组一律包括整个λDNA。
第20章 遗传变异的分子机理III —转座子(transposable element)
也称为 jumping gene or mobile element 发现：McClintock (美，20世纪50年代在玉米种 发现，1988年获诺贝尔生理医学奖。）
2、大肠杆菌重组的分子基础
（ 1 ） RecBCD 识 别 chi 序 列 引
发重组。 重组中涉及到的细菌 的酶已经通过其基因rec 突变 体得到鉴定。rec 突变体的表 型是不能进行全面重组。现已 经鉴定了10~20个基因座。
➢图14.9说明了在含有chi位点
的DNA序列上反应何协同进行 的过程。 ➢Chi序列(5GCTGGTGG 3)天 然存在于大肠杆菌DNA中，大 约每5-10kb出现一次。
右图示：复合转座子的中心区携带 某种标记(如抗药性)，两侧有IS模序。 每个IS具有短的末端重复。
2.人工转座突变技术
（1）原理：人工改造转座子，目标是敲除转座酶基因， 使转座子不能自主转座。
（2） 人工转座技术与谋略： （a）利用自杀质粒（没有在受体细胞中复制的复制位点）
编码转座酶基因。自杀质粒与人工转座子共同转入 受体细胞中。 （b）体外将人工转座子与转座酶进行组装形成转座复合 物，将转座复合物转入受体细胞中。
粗线期：联会复合体配 对伸展到染色体全长。
双线期：染色体分离， 但交叉点仍相连。
终变期：染色体浓缩、 与核膜分开，交叉点处 连接，4条染色单体均可 见。
右图示：重组发生于减 数分裂的前期，前期是 根据两条染色体出现而 定义的。每条含有两个 副本，但只在前期最后 才观察到。单个交换的 分子作用发生在这四个 双链DNA之间。
第二节 特异性重组
（1）DNA位点特异性重组。
①要进入溶原状态，游离的DNA必
须整合到宿主DNA中。
整合
②要脱离溶原状态进入裂解周期，原
噬菌体DNA必须从染色体上切除下来。
➢重组反应在附着位点发生。 整合和
切除过程在细菌和噬菌体DNA上被称
为附着位点(attachment sites)的特
殊位置上通过重组作用发生。
1、双链断裂起始重组：核 酸内切酶切口启动重组。 如图所示。 ➢如果两个连接点以相反方 式解开，即被切开的链一 个在里面，一个在外面， 结果就发生了遗传交换。 ➢酵母突变体(rad50)能阻 止平末端转变为单链突出 从而干扰重组。说明双链 断裂对重组是必需的。
右图示：重组开始于双链的断裂， 之后产生两个3端，一个3迁移 到同源双链附近。
3）转座(transposition)：属异常重组类型，是使一段DNA序列插 入到另一段DNA序列中，而不依赖任何序列同源性。这种使某些元件 从一个位置向其它位置移动的方式称为转座。转座机制涉及DNA链的 切割和重连，因此与重组过程有联系。
4）拷贝选择(copy choice)：另一种重组类型是在RNA病毒中使用 的，聚合酶可以在合成RNA时从一条模板链转换到另一条链上。因此， 新合成的分子把两个不同亲本中的序列信息融合一起。这种类型的重组 机制称为拷贝选择重组。在双链DNA底物重组中不使用此机制。