遺傳重組的機(jī)制

關(guān)于遺傳重組的機(jī)制一、遺傳重組的概念和類型

1、遺傳重組的概念細(xì)胞之間或DNA分子之間核苷酸片段的交換或者轉(zhuǎn)移。

廣義指：任何造成基因型變化的基因交流過程，包括減數(shù)分裂中染色體的隨機(jī)組合、連鎖互換、雌雄配子結(jié)合形成的新的基因型、細(xì)菌雜交、轉(zhuǎn)導(dǎo)、轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)座、整合等

狹義指：僅涉及到DNA分子斷裂－愈合的基因交流過程，包括連鎖互換、細(xì)菌雜交、轉(zhuǎn)導(dǎo)、轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)座、整合等

第2頁,共52頁，2024年2月25日，星期天2、遺傳重組的類型

1）同源重組

同源染色體間或同源序列之間某區(qū)段的交換。包括真核生生物同源區(qū)段的交換，細(xì)菌同源區(qū)段的交換

2）位點(diǎn)專一性重組供體DNA僅整合在受體DNA的某一位點(diǎn)的重組。如

噬菌體僅能重組在E.coli的生物素操縱子與半乳糖操縱子之間

3）轉(zhuǎn)座重組一些DNA片段或噬菌體DNA能在大腸桿菌的質(zhì)粒間、DNA間來回轉(zhuǎn)移的重組第3頁,共52頁，2024年2月25日，星期天4）異常重組指一些非法交換、不對等交換現(xiàn)象.如末端連接和鏈的滑動二、同源重組

1、同源重組的分子機(jī)制

1）雜合DNA模型1964年Holliday提出，又叫Holliday模型第一步聯(lián)會同源的非姊妹染色單體間聯(lián)會形成聯(lián)會復(fù)合體第二步酶切內(nèi)切酶分別在DNA分子上各切開一條單鏈第三步交換重接

第4頁,共52頁，2024年2月25日，星期天第四步形成交聯(lián)橋結(jié)構(gòu)第五步分子遷移，形成Holliday結(jié)構(gòu)第六步分子構(gòu)型變化第七步分子繞交聯(lián)橋旋轉(zhuǎn)1800

第八步Hlliday中間體拆分

2）鏈轉(zhuǎn)移模型Meslson－Radding模型1977年第一步切斷內(nèi)切酶切斷一條鏈第二步鏈置換DNA聚合酶Ⅰ合成新鏈，老鏈被置換第5頁,共52頁，2024年2月25日，星期天第6頁,共52頁，2024年2月25日，星期天第三步單鏈侵入第四步泡的切除第五步鏈的同化第六步異構(gòu)化第七步分子遷移

第7頁,共52頁，2024年2月25日，星期天第8頁,共52頁，2024年2月25日，星期天

2、遺傳重組的酶學(xué)機(jī)制在遺傳重組過程中，尤其在同源重組中需要recA蛋白和recBC蛋白.recA蛋白又叫重組酶、重組蛋白、X蛋白、依賴于ATP的酶。

recA蛋白由E.coli自身編碼，該基因位于58分鐘處，1058bp，此蛋白有353個氨基酸組成其主要作用是促進(jìn)同源DNA聯(lián)會，促進(jìn)DNA分子間單鏈交換形成交聯(lián)橋和Chi結(jié)構(gòu)，此酶有多種特性。第9頁,共52頁，2024年2月25日，星期天

1）單鏈DNA結(jié)合活性，保護(hù)單鏈并促進(jìn)recA與單鏈結(jié)合

2）依賴于單鏈DNA的ATP酶活性3）DNA解旋活性，解開雙螺旋4）NTP酶活性，能水解ATP、GTP、UTP、CTP促進(jìn)聯(lián)會發(fā)生5）促進(jìn)互補(bǔ)單鏈復(fù)性6）蛋白酶活性和外切酶活性

recBC蛋白：在同源重組中具有核酸酶的作用、切斷Holliday中中間體完成重組。此酶又叫外切核酸酶Ⅴ。在同源重組過程中例如在細(xì)菌的接合、轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中都有此酶起作用第10頁,共52頁，2024年2月25日，星期天3、真核生物的遺傳重組真核生物遺傳重組的機(jī)制和過程了解的不清楚，目前知道的聯(lián)會復(fù)合體結(jié)構(gòu)是遺傳重組的結(jié)果，兩個DNA分子在形成聯(lián)會復(fù)合體前是如何接觸的，還沒有更多的了解。但是，在一些真菌如紅色面包霉的非正常的子囊飽子的排列（5：36：2）等情況的出現(xiàn)與異源雙鏈的形成與Holliday模型中的異源雙鏈的形成和修復(fù)有關(guān)系，發(fā)生重組修復(fù)完全孢子排列正常，不正常修復(fù)則出現(xiàn)基因轉(zhuǎn)換，它包括染色單體轉(zhuǎn)換和半染色單體轉(zhuǎn)換。

第11頁,共52頁，2024年2月25日，星期天第12頁,共52頁，2024年2月25日，星期天5：36：2不規(guī)則4：4第13頁,共52頁，2024年2月25日，星期天5：36：2不規(guī)則4：4第14頁,共52頁，2024年2月25日，星期天Ag+Ag+ag+ag+Ag+Ag-ag-ag-

Ag+Ag+ag+ag-Ag-Ag+ag-ag-

非重組孢子對重組孢子對，基因轉(zhuǎn)變非重組孢子對非重組孢子對非重組孢子對重組孢子對，基因轉(zhuǎn)變重組孢子對，基因轉(zhuǎn)變非重組孢子對基因轉(zhuǎn)變伴隨基因重組第15頁,共52頁，2024年2月25日，星期天GCGTACAT+/++/+-/--/-

+/++/++/+-/-+/++/-+/--/-+/++/++/--/-有絲分裂++++----++++++--+++-+---+++++---正常4：46：2不正常4：43：1：1：35：3第16頁,共52頁，2024年2月25日，星期天

基因轉(zhuǎn)換：geneconversion子囊菌的四分體中出現(xiàn)的基因不規(guī)則分離的現(xiàn)象無重組時規(guī)則分離，4：4

有重組無修復(fù)時不規(guī)則分離，3：2：1：2半染色單體轉(zhuǎn)換有重組修復(fù)不完全時不規(guī)則分離，3：5半染色單體轉(zhuǎn)換有重組修復(fù)完全時不規(guī)則分離，2：6染色單體轉(zhuǎn)換4、細(xì)菌的同源重組

1）細(xì)菌接合過程中的重組

F＋或Hfr細(xì)菌環(huán)狀DNA的兩條鏈中的一條解開從5’開始，單鏈進(jìn)入F細(xì)胞，進(jìn)入的單鏈在細(xì)胞中進(jìn)行復(fù)制，然后以雙鏈形式與F－的基因組聯(lián)會，以鏈置換的形式單鏈插入F－的基因組第17頁,共52頁，2024年2月25日，星期天第18頁,共52頁，2024年2月25日，星期天

2）細(xì)菌轉(zhuǎn)化過程中的遺傳重組供體DNA以雙鏈形式感染受提細(xì)胞供體DNA以雙鏈形式進(jìn)入受體細(xì)胞與受體DNA聯(lián)會供體DNA的一條單鏈侵入受體的DNA中與其中的一條連匯合位置被取代的部分的受體單鏈被降解

DNA聚合酶、聯(lián)接酶作用產(chǎn)生部分雜合雙鏈通過復(fù)制產(chǎn)生穩(wěn)定的轉(zhuǎn)化子

3）轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中的遺傳重組由噬菌體攜帶的雙鏈DNA進(jìn)入受體細(xì)胞

DNA以雙鏈形式與受體DNA聯(lián)會局部單鏈侵入，取代受體的DNA片段全部侵入兩次雙鏈交換，產(chǎn)生重組

第19頁,共52頁，2024年2月25日，星期天第20頁,共52頁，2024年2月25日，星期天

5、噬菌體之間的交換重組噬菌體之間的重組屬于同源重組，兩個不同基因型的噬菌體的

DNA首先聯(lián)會，受體DNA的一條鏈出現(xiàn)切口，供體DNA的一條部分降解，供體的一條鏈侵入受體中形成分支DNA，分支移位，最后形成插入式重組體和交換式重組體三、位點(diǎn)專一性重組

1、噬菌體attP位點(diǎn)的結(jié)構(gòu)(POP’)235bpPOP’

GCTTTTTTATACTAA152bp核心序列15bp82bp第21頁,共52頁，2024年2月25日，星期天

2、E.coli的attB位點(diǎn)結(jié)構(gòu)(BOB’)att位點(diǎn)

galBOB’bio

4bpGCTTTTTTATACTAA4bp

3、噬菌體整合的分子機(jī)制

1）聯(lián)會噬菌體進(jìn)入E.coli中自動成為環(huán)狀結(jié)構(gòu)，以此環(huán)狀結(jié)構(gòu)參自身的attP區(qū)與E.coli的attB區(qū)互補(bǔ)聯(lián)會

2)酶的結(jié)合整合酶：(Int)噬菌體的int基因編碼一種DNA結(jié)合蛋白，此酶對POP’有強(qiáng)的親和力，對BOB’也有合力，具有拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅰ的活性，即可以DNA切斷再連起來。整合寄主因子：(IHF)由E.coli編碼的一種結(jié)合蛋第22頁,共52頁，2024年2月25日，星期天

蛋白，對attP位點(diǎn)有強(qiáng)的親和力。Int.IHF二者結(jié)合在供體和受體DNA的互補(bǔ)處

3）酶切整合酶在一條鏈的+4位，另一條鏈的-2位切開attB和

attP，形成參差不齊的5’單鏈末端，5’-OH3’-P4)重接切開后瞬間DNA分子發(fā)生旋轉(zhuǎn)，又在整合酶作用下使斷口處連起來。重新連接時斷頭與斷頭之間發(fā)生錯接導(dǎo)致噬菌體整合到E.coli的基因組中噬菌體細(xì)菌Int.IHF原噬菌體

POP’(attP)+BOB‘’(attB)BOP’(attL)+POB’(aatR)Int.IHF.Xis

在Int.IHF作用下完成整合作用，但在切離時除Int.IHF參與，還需噬菌體編碼的切除酶（Xis)，在整合過程中沒有DNA的分解也沒有DNA的合成。第23頁,共52頁，2024年2月25日，星期天第24頁,共52頁，2024年2月25日，星期天第25頁,共52頁，2024年2月25日，星期天

四、異常重組

不需要DNA同源序列或彼此同源性很小，重組蛋白、轉(zhuǎn)座酶的重組，是最原始的重組途徑，也是基因組進(jìn)化的重要途徑。這種途徑可能和癌癥發(fā)生、遺傳性疾病、基因組進(jìn)化有關(guān)，重組的結(jié)果導(dǎo)致移碼、缺失、倒位、融合、DNA的擴(kuò)增

1、末端連接指染色體斷裂——融合——橋的循環(huán)的過程。有斷裂末端的兩條染色單體能夠復(fù)制、并且，兩個斷端可以融合一個雙著絲粒的染色單體，該染色單體在減數(shù)分裂中斷裂又產(chǎn)生短端，短端又可以融合，產(chǎn)生新的雙著絲粒染色單體，下次減數(shù)分裂時又?jǐn)嗔?/p>

2、鏈的滑動在含有正向重復(fù)序列較多的DNA分子或染色體之間發(fā)生的模版鏈與新合成鏈間的錯配第26頁,共52頁，2024年2月25日，星期天五、轉(zhuǎn)座Transposition

轉(zhuǎn)座：遺傳因子改變自身位置的行為轉(zhuǎn)座因子：Transposableelement可移動位置的遺傳因子的總稱轉(zhuǎn)座子：Transposon轉(zhuǎn)座因子的一種類型

1、轉(zhuǎn)座的類型、機(jī)制和遺傳效應(yīng)

1）轉(zhuǎn)座的類型復(fù)制型轉(zhuǎn)座供體上的轉(zhuǎn)座子被復(fù)制，轉(zhuǎn)座后供體上仍存在轉(zhuǎn)座子，需轉(zhuǎn)座酶、解離酶非復(fù)制型轉(zhuǎn)座供體上的轉(zhuǎn)座子先釋放出來、然后轉(zhuǎn)到受體后供體上不再存在轉(zhuǎn)座子，只需轉(zhuǎn)座酶供體被破壞或被修復(fù)保守型轉(zhuǎn)座供體上的轉(zhuǎn)座子不釋放，供體與受體接觸，然后轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)到受體中去第27頁,共52頁，2024年2月25日，星期天第28頁,共52頁，2024年2月25日，星期天

2）轉(zhuǎn)座的機(jī)制切開供體含有Tn3轉(zhuǎn)座子，其Tn3的轉(zhuǎn)座酶可以識別受體質(zhì)粒上的靶序列，在靶序列兩側(cè)各一條單鏈上切一切口，轉(zhuǎn)座酶還可以識別自身兩邊的反向重復(fù)序列并在3端’切開連接供體與受體結(jié)合成為共聯(lián)體，使供體切下IS或Tn3

反向重復(fù)序列末端和受體粘性末端以共價鍵齊頭相連，形成兩個缺口復(fù)制由DNA聚合酶修補(bǔ)復(fù)制補(bǔ)上缺口，由連接酶連接，使在IS兩端形成兩個正向重復(fù)序列重組在特定位點(diǎn)進(jìn)行重組，結(jié)果是共聯(lián)體分成兩部分，一部分含有原有的轉(zhuǎn)座子，一部分插入了轉(zhuǎn)座子第29頁,共52頁，2024年2月25日，星期天第30頁,共52頁，2024年2月25日，星期天

3）轉(zhuǎn)座的結(jié)果：轉(zhuǎn)座后原來位置上的轉(zhuǎn)座子保持不變、新的位置上出現(xiàn)轉(zhuǎn)座子、新位置上的轉(zhuǎn)座子兩側(cè)出現(xiàn)正向重復(fù)序、既靶位點(diǎn)加倍

4）轉(zhuǎn)座的遺傳效應(yīng)

A、引起插入突變，如果在操縱子上游則引起極性突變

B、插入位上出現(xiàn)新基因

C、增加同源序列的整合，

D、準(zhǔn)確切離引起回復(fù)突變

E、不準(zhǔn)確切離引起染色體畸變

F、改變?nèi)旧w結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)入后促使染色體缺失、倒位

G、調(diào)節(jié)某一基因的活動

H、轉(zhuǎn)座子可帶入新的基因引起變異，利于進(jìn)化

第31頁,共52頁，2024年2月25日，星期天2、真核生物的轉(zhuǎn)座因子

1）玉米的Ac－Ds系統(tǒng)指玉米細(xì)胞中可移動位置的兩個相互作用的因子構(gòu)成的系統(tǒng)。Ac:激活因子Ds:解離因子DsCDsCC

有色無色有色第32頁,共52頁，2024年2月25日，星期天

C為有色基因，位于玉米的號染色體上，只要C存在即為有色破壞了C基因即為無色，Ds基因也位于號染色體上，它可以移動位置到C基因的近旁或插入C基因中，破壞C的作用，它還可從C基因中或近旁再脫離出來，而使C基因又恢復(fù)活性，因此，

Ds基因叫做：跳躍基因。但是，Ds基因的活動受位于號染色體上的Ac基因的控制，Ac基因形成一種擴(kuò)散物質(zhì)作用于Ds基因，轉(zhuǎn)位、脫離的來回循環(huán)形成了玉米的斑點(diǎn)。

Ac的組成：4500bp,反向終端重復(fù)序列11bp×2,轉(zhuǎn)座酶基因1個，定位酶基因1個，非編碼區(qū)3個（黑色區(qū)）

Ds-a的組成：僅缺失轉(zhuǎn)座酶序列中的149bp，所以自身不能轉(zhuǎn)座

Ds-b的組成：轉(zhuǎn)座酶中心區(qū)段缺失2522bpDs-c的組成：僅保留了兩個終端重復(fù)序列和一小部分非編碼區(qū)第33頁,共52頁，2024年2月25日，星期天第34頁,共52頁，2024年2月25日，星期天

2）酵母的Ty成分指與非重復(fù)序列相間而散在分布的重復(fù)DNA序列

ENH334bp334bpORF1ORF2

Ty成分長6.3Kb,長末端重復(fù)2個，增強(qiáng)子1個，開放閱讀框2

個，可以轉(zhuǎn)錄成1個mRNA,形成2種蛋白質(zhì)。每個細(xì)胞中可有

30-35個。Ty轉(zhuǎn)座是DNARNADNA轉(zhuǎn)座逆轉(zhuǎn)錄的DNA才開始轉(zhuǎn)座，此現(xiàn)象叫做返座：指有RNA介導(dǎo)的轉(zhuǎn)座作用。返座子：retroposons被返座的遺傳因子

第35頁,共52頁，2024年2月25日，星期天

3）果蠅的轉(zhuǎn)座子

P因子的發(fā)現(xiàn)：在黑腹果蠅中有P、M兩個品系，當(dāng)P雌×P雄、M雌×M雄、P雌×M雄、雜交時F1代均為正常，但是當(dāng)P雄×M雌雜交，F(xiàn)1代卻為雜種劣育表現(xiàn)發(fā)育不全、分離比異常、減數(shù)分裂異常、染色體畸變、高突變率等。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)此雄性果蠅品系體細(xì)胞中有導(dǎo)致雜種劣育的因子—P因子

F1劣育的原因:因?yàn)樵贔1的生殖細(xì)胞中的P因子能編碼轉(zhuǎn)座酶,

使P因子轉(zhuǎn)座,頻繁轉(zhuǎn)座使生殖腺細(xì)胞中的許多基因失活,DNA重排,下代生殖障礙劣育。為什麼M雄、M雌品系為正常呢？因?yàn)榇硕废抵胁淮嬖赑因子第36頁,共52頁，2024年2月25日，星期天

為什麼P雄、P雌為正常呢？因?yàn)槎叩募?xì)胞質(zhì)內(nèi)存在轉(zhuǎn)座阻礙蛋白，使轉(zhuǎn)座不能發(fā)生。♀P×P♂♀P×M♂♀M×M♂

正常正常正常核中有P因子，質(zhì)核中有P因子，質(zhì)核中無P因子，質(zhì)中有轉(zhuǎn)座阻礙蛋白中有轉(zhuǎn)座阻礙蛋白中無轉(zhuǎn)座阻礙蛋白核中有P因子♂P×M♀F1劣育質(zhì)中無轉(zhuǎn)座阻礙蛋白導(dǎo)致頻繁轉(zhuǎn)座第37頁,共52頁，2024年2月25日，星期天

P因子的結(jié)構(gòu)；2907bp、反向重復(fù)序列2個（31bp)、

4個編碼區(qū)（0、1、2、3），3個內(nèi)含子（1、2、3）內(nèi)1內(nèi)2內(nèi)3

反重外0外1外2外3反重體細(xì)胞中只有內(nèi)含子1、2能被順利切除，產(chǎn)生包括外顯子0、1、2的功能型mRNA,編碼轉(zhuǎn)座阻礙蛋白。生殖細(xì)胞中內(nèi)含子1、2、3都被切除，產(chǎn)生包括外顯子0、1、2、3的成熟mRNA,編碼轉(zhuǎn)座酶。果蠅還有Copia412279TipFB等因子。

3、原核生物的轉(zhuǎn)座因子

1）插入序列(InsertedsequenceIS)

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插入序列本身沒有任何表型效應(yīng)，只帶有與轉(zhuǎn)座有關(guān)的轉(zhuǎn)座酶基因，是一類較小的轉(zhuǎn)座因子，可以從染色體的一個位置轉(zhuǎn)到另一個位置，可以從質(zhì)粒轉(zhuǎn)到染色體上，在E.coli的染色體上和質(zhì)粒上都有插入序列，通過這些同源序列的間的重組，F(xiàn)質(zhì)粒插入染色體上形成Hfr菌株。插入序列有IS1、IS2、IS

3‥‥‥IS11等十余種，長度在768—5700bp之間，共同特征是都有一個轉(zhuǎn)座酶基因，兩端有兩個反向重復(fù)序列，在細(xì)胞中的拷貝數(shù)不等。反向重轉(zhuǎn)座酶基因反向重復(fù)序列復(fù)序列第39頁,共52頁，2024年2月25日，星期天

第40頁,共52頁，2024年2月25日，星期天大小在2086（Tn1681）~205000（Tn4）之間，兩端有順向或反向重復(fù)序列，這些重復(fù)序列有些就是IS（復(fù)合型轉(zhuǎn)座子），有些不是IS（稱TnA族）。兩端反向重復(fù)序列與轉(zhuǎn)座功能密切相關(guān)。如Tn3:有兩個反向重復(fù)序列，一個轉(zhuǎn)座酶基因tnpA,一個氨卞青霉素抗性基因ampr一個阻遏蛋白基因tnpRAmprTn3第41頁,共52頁，2024年2月25日，星期天2）轉(zhuǎn)座子(transposonTn)

是一類較大的、除了含有與轉(zhuǎn)座有關(guān)的基因外，還含有抗要基因以及其它基因的轉(zhuǎn)座因子。因此，又叫復(fù)合轉(zhuǎn)座子

Tn有許多種類型，表示為：Tn1、Tn2、Tn3等。

第42頁,共52頁，2024年2月25日，星期天第43頁,共52頁，2024年2月25日，星期天

3)轉(zhuǎn)座噬菌體是能插入大腸桿菌DNA上的任何位置的一類溫和噬菌體。又叫

Mu噬菌體、增變噬菌體，（mutatorphage).游離的mu噬菌體與插入的Mu噬菌體在結(jié)構(gòu)上一樣，兩端無粘性末端，插入基因引起基因突變，整合方式與噬菌體不同，因此，化入轉(zhuǎn)座因子。37000bp的線形DNA分子，

5bpCABSUgin5bp5bp重復(fù)序列CAB與轉(zhuǎn)座有關(guān)基因S蛋白、U蛋白基因gin使G片段倒位的基因G第44頁,共52頁，2024年2月25日，星期天

第45頁,共52頁，2024年2月25日，星期天轉(zhuǎn)座因子的遺傳學(xué)效應(yīng)：（１）引起插入突變。（２）插入位置上出現(xiàn)新的基因。（３）造成插入位置上出現(xiàn)受體ＤＮＡ的少數(shù)核苷酸對的重復(fù)。第46頁,共52頁，2024年2月25日，星期天六、反轉(zhuǎn)座和反轉(zhuǎn)座子

從DNADNA的過程叫轉(zhuǎn)座從DNARNADNA的過程叫反轉(zhuǎn)座。又稱：返座在轉(zhuǎn)座過程中來回轉(zhuǎn)移的因子叫轉(zhuǎn)座子或轉(zhuǎn)座因子。在反轉(zhuǎn)座程中來回轉(zhuǎn)移的因子叫反轉(zhuǎn)座子或返座子。

1、病毒類反轉(zhuǎn)座子

1）反轉(zhuǎn)錄病毒