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第十章DNA遺傳重組一、DNA遺傳重組的種類(lèi)

所有生物DNA都是重組體(recombinant)。

1.同源重組(homologousrecombination):RecombinationinvolvingreactionbetweenhomologoussequencesofDNAiscalledgeneralizedorhomologousrecombination.Ineukaryotes,itoccursatmeiosis,usuallybothinmales(duringspermatogenesis)andfemales(duringoogenesis).Werecallthatithappensatthe"fourstrand"stageofmeiosis,andinvolvesonlytwoofthefourstrands.

細(xì)胞學(xué)第十章DNA遺傳重組2.轉(zhuǎn)座重組(transpositionrecombination):Anothertypeofeventsponsorsrecombinationbetweenspecificpairsofsequences,andhasbeenbestcharacterizedinprokaryotes.

Transpositionprovidesameansbywhichcertainelementsmovefromonechromosomallocationtoanother.ThemechanismsinvolvedintranspositiondependuponbreakageandreunionofDNAstrands,andthusarerelatedtotheprocessesofrecombination.細(xì)胞學(xué)第十章DNA遺傳重組3.位點(diǎn)專一性重組(site-specificrecombination):AdifferenttypeofeventallowsoneDNAsequencetobeinsertedintoanotherwithoutrelianceonsequencehomology.

Site-specificrecombinationisresponsiblefortheintegrationofphagegenomesintothebacterialchromosome.TherecombinationeventinvolvesspecificsequencesofthephageDNAandbacterialDNA,whichincludeashortstretchofhomology.Theenzymesinvolvedinthiseventactonlyontheparticularpairoftargetsequences.Relatedreactionsareresponsibleforinvertingspecificregionsofthebacterialchromosome.細(xì)胞學(xué)第十章DNA遺傳重組4.異常重組(illegitimaterecombination):AnothertypeofrecombinationisusedbyRNAviruses,inwhichthepolymeraseswitchesfromonetemplatetoanotherwhileitissynthesizingRNA.Asaresult,thenewlysynthesizedmoleculejoinssequenceinformationfromtwodifferentparents.Thistypeofmechanismforrecombinationiscalledcopychoice,andisdiscussedbrieflyin16Retrovirusesandretroposons.ItisnotusedforrecombinationbetweenduplexDNAsubstrates.細(xì)胞學(xué)第十章DNA遺傳重組Figure14.1Recombinationoccursduringthefirstmeioticprophase.Thestagesofprophasearedefinedbytheappearanceofthechromosomes,eachofwhichconsistsoftworeplicas(sisterchromatids),althoughtheduplicatedstatebecomesvisibleonlyattheend.Themolecularinteractionsofanyindividualcrossing-overeventinvolvetwoofthefourduplexDNAs.

(一)同源重組細(xì)胞學(xué)第十章DNA遺傳重組Figure14.2RecombinationbetweentwopairedduplexDNAscouldinvolvereciprocalsingle-strandexchange,branchmigration,andnicking.

細(xì)胞學(xué)第十章DNA遺傳重組Figure14.3Branchmigrationcanoccurineitherdirectionwhenanunpairedsinglestranddisplacesapairedstrand.

細(xì)胞學(xué)第十章DNA遺傳重組Figure14.4ResolutionofaHollidayjunctioncangenerateparentalorrecombinantduplexes,dependingonwhichstrandsarenicked.BothtypesofproducthavearegionofheteroduplexDNA.細(xì)胞學(xué)第十章DNA遺傳重組Figure14.5Recombinationisinitiatedbyadouble-strandbreak,followedbyformationofsingle-stranded3’ends,oneofwhichmigratestoahomologousduplex.

細(xì)胞學(xué)第十章DNA遺傳重組Figure15.8Reciprocalrecombinationbetweendirectrepeatsexcisesthematerialbetweenthem;eachproductofrecombinationhasonecopyofthedirectrepeat.

細(xì)胞學(xué)第十章DNA遺傳重組Figure15.9Reciprocalrecombinationbetweeninvertedrepeatsinvertstheregionbetweenthem.

細(xì)胞學(xué)第十章DNA遺傳重組(二)轉(zhuǎn)座重組(transpositionrecombination)

1.轉(zhuǎn)座子的類(lèi)型:

在原核生物中已發(fā)現(xiàn)兩種類(lèi)型的轉(zhuǎn)座子,簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)座子(simpletransposon)和復(fù)合轉(zhuǎn)座子(compositetransposon),前者稱為插入序列(insertionsequence,IS)。復(fù)合轉(zhuǎn)座子除了轉(zhuǎn)座過(guò)程必需的基因外還含有一到幾個(gè)基因,它們常有可鑒定的遺傳標(biāo)記如抗菌素抗性或毒素生成等。細(xì)胞學(xué)第十章DNA遺傳重組表2.幾種復(fù)合轉(zhuǎn)座子的特征元件長(zhǎng)度bp遺傳標(biāo)記末端組件組件取向組件間關(guān)系組件功能Tn92500canRIS1正向可能相同可能有功能Tn109300tetRIS10R/IS101反向2.5%差異有功能/無(wú)Tn55700kanRIS50R/IS501反向1bp變化有/無(wú)功能Tn9033100kanRIS903反向完全相同兩者都有功能表1.某些插入序列的參數(shù)元件長(zhǎng)度bp末端反向重復(fù)bp靶位點(diǎn)反向重復(fù)bp靶位點(diǎn)選擇ISI768239隨意IS21327415熱點(diǎn)IS414281811或12AAAN20TTTIS51195164熱點(diǎn)IS10R1329229NGCTNAGCAIS50R153199熱點(diǎn)IS9031057189未知細(xì)胞學(xué)第十章DNA遺傳重組2.轉(zhuǎn)座子結(jié)構(gòu)特征:①兩端有20~40bp的反向重復(fù)序列(invertedrepetitivesequence,IR);②具有編碼轉(zhuǎn)座酶(transposase)的基因,這種酶催化轉(zhuǎn)座子插入新的位置。以Pelement為例進(jìn)行說(shuō)明。

P因子大小為2907bp,稱為完整P因子(intactPelement,IPE)。小于2.9kb的P因子,稱為缺陷P因子(defectivePelement,DPE),是由IPE通過(guò)不同方式的內(nèi)部切除形成的。細(xì)胞學(xué)第十章DNA遺傳重組3.轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)座機(jī)制

1)復(fù)制型轉(zhuǎn)座在復(fù)制型轉(zhuǎn)座(replicativetransposition)中,轉(zhuǎn)座子作為可移動(dòng)的元件被復(fù)制,一個(gè)拷貝保留在供體的原來(lái)部位不變;另一個(gè)拷貝則插入到受體的位點(diǎn)上。復(fù)制型轉(zhuǎn)座需要兩種酶:轉(zhuǎn)座酶作用于原來(lái)轉(zhuǎn)座子的兩個(gè)末端,解離酶(resolvase)作用于復(fù)制后的拷貝上。

2)非復(fù)制型轉(zhuǎn)座在非復(fù)制型轉(zhuǎn)座(nonreplicativetransposition)中,轉(zhuǎn)座子直接從供體位點(diǎn)移動(dòng)到受體位點(diǎn)處,但在供體位點(diǎn)上留下一個(gè)裂口,其結(jié)果是使供體基因組受到輕微的損傷(在具有多拷貝的細(xì)菌中可以忍受)或致死。還有一種可能,就是宿主修復(fù)系統(tǒng)能識(shí)別雙鏈斷裂處,并加以修復(fù)。非復(fù)制型轉(zhuǎn)座只需要轉(zhuǎn)座酶。細(xì)胞學(xué)第十章DNA遺傳重組3)保守型轉(zhuǎn)座保守型轉(zhuǎn)座(conservativetransposition)是另一種非復(fù)制型轉(zhuǎn)座。轉(zhuǎn)座過(guò)程中,轉(zhuǎn)座子從供體位點(diǎn)上切除,通過(guò)一系列反應(yīng)插入到靶位點(diǎn)上,其中每個(gè)核苷酸鍵都保留下來(lái)。這種保守型轉(zhuǎn)座反應(yīng)過(guò)程正好與λ整合機(jī)制相似,而且這種轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)座酶與λ整合酶家族有關(guān)。利用這種機(jī)制不但可以介導(dǎo)轉(zhuǎn)座子自身的轉(zhuǎn)移,而且也可以介導(dǎo)供體DNA從一個(gè)細(xì)菌轉(zhuǎn)移到另一個(gè)細(xì)菌中。所以,把保守型轉(zhuǎn)座的元件稱作附加體(episone)更為合適。

實(shí)際上,有些轉(zhuǎn)座子僅使用一條途徑進(jìn)行轉(zhuǎn)座;而有的則可能使用兩種途徑。細(xì)胞學(xué)第十章DNA遺傳重組Figure15.10Transpositionisinitiatedbynickingthetransposonendsandtargetsiteandjoiningthenickedendsintoastrandtransfercomplex.

細(xì)胞學(xué)第十章DNA遺傳重組Figure15.13Mutranspositiongeneratesacrossoverstructure,whichisconvertedbyreplicationintoacointegrate.

復(fù)制型:細(xì)胞學(xué)第十章DNA遺傳重組Figure15.12Transpositionmayfuseadonorandrecipientrepliconintoacointegrate.Resolutionreleasestworeplicons,eachcontainingacopyofthetransposon.

非復(fù)制型:細(xì)胞學(xué)第十章DNA遺傳重組Figure15.14Nonreplicativetranspositionresultswhenacrossoverstructureisreleasedbynicking.ThisinsertsthetransposonintothetargetDNA,flankedbythedirectrepeatsofthetarget,andthedonorisleftwithadouble-strandbreak.

細(xì)胞學(xué)第十章DNA遺傳重組4.轉(zhuǎn)座子的某些遺傳學(xué)效應(yīng)

1)插入位置上出現(xiàn)新的基因;

2)造成插入位置上出現(xiàn)靶DNA的少數(shù)核苷酸對(duì)的重復(fù);

3)轉(zhuǎn)座后原來(lái)位置上保持原有的轉(zhuǎn)座子;

4)引起染色體的畸變;

5)切除。細(xì)胞學(xué)第十章DNA遺傳重組5.真核生物的轉(zhuǎn)座子及其應(yīng)用:Figure15.27Hybriddysgenesisisasymmetrical;itisinducedbyPmalexMfemalecrosses,butnotbyMmalexPfemalecrosses.細(xì)胞學(xué)第十章DNA遺傳重組P轉(zhuǎn)座子:Ingermlinetissues,anadditionalsplicingeventoccurstoremoveintron3.ThisconnectsallfouropenreadingframesintoanmRNAthatistranslatedtogenerateaproteinof87kD.Thisproteinisthetransposase.Two

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