13第十三章遗传重组方式和转座子的遗传分.ppt

第十三章遗传重组方式和转座子的遗传分析,教师：张光祥Email:zhgx-163,生物的遗传重组概述同源性重组位点特异性重组转座因子及其遗传效应拷贝选择的重组方式简介,第一节、生物的遗传重组概述,一、遗传重组的定义、类型,1、定义：遗传重组就是已有基因的重新组合或洗牌,其本质就是DNA分子的重新组合、DNA序列的替换和拼接。2、自发的遗传重组包括五种类型：,自由组合：不同染色体上的基因之间的重新组合;同源重组：连锁遗传中讲到的染色体交换;位点特异性重组：依靠一小段特定序列和特定的酶系统进行整合(插入)和切出(环出)过程。转座：不依赖于同源序列，而是借助于特定重复序列形成的DNA拓扑结构，在转座酶的参与下通过DNA链的切割与重新连接，以此实现DNA片断的位置转移；拷贝选择:病毒在以RNA为模板合成DNA时,如果模板链与其它RNA单链分子有局部靠近,DNA聚合酶（逆转录酶）具有从一条模板链转换到另一条链上并在新的模板链上继续转录合成DNA的能力。由此可从病毒的两种变体RNA序列产生一个新的病毒变体。,自由组合和同源重组主要通过有性生殖实现。有性生殖和无性繁殖两种方式，哪一种对生物更有利？,3、遗传重组与有性生殖的关系,英国罗斯林研究所1997年2月22日宣布用体细胞克隆绵羊获得成功，克隆绵羊“多利”成为动物界最耀眼的“明星”，在世界上引起巨大震动；美国Clonaid公司02年12月26日宣布，人类首个克隆婴儿于当晚降生，引起世界范围的极大关注和对克隆人的激烈争论。有两个理由让物种应该青睐无性生殖。首先，在为资源进行的斗争中，无性生殖物种能轻易地战胜有性生殖物种。其次,精子和卵子仅包含了双亲各方一半的基因,有性生殖的生物个体只能将自身50%的基因传递给下一代。无性生殖却可达到100%的传递率。一个自称“无性族”(asexual)追风族群悄然出现,讨论无性生活的网站也急剧增加,在欧美日一度成为时常。然而，有性生殖的最大优越性就是基因重组。,二、基因重组的生物学意义,如果没有遗传重组,每个染色体中的基因都会永远固定在一起同生死、共命运。然而,基因突变总是不可避免的,且一般是有害的,迟早会有一些突变基因是害群之马,使整个染色体都不能传递下去。即使突变基因的有害程度有限,久而久之也会量变到质变,危及到个体的生存与繁殖能力。,基因重组意义可归结到一个“变”字,具体有三条:,1、打破连锁：能够使有害突变与紧密连锁的有利突变或重要基因分开，从而提供了淘汰有害突变和不良基因、积累有利基因的机会。,2、保持和发挥种群内遗传多样性,遗传多样性使得种群内具有各种各样的个体特征特性，但总体来说都是与其生态环境相适应的。通过遗传重组可以产生个体特征特性更加丰富多彩的子代群体，为适应环境变化提供了更多机遇；,3、有可能产生新的表型变异类型,通过基因重组还可能因为连锁关系的改变等原因，产生出基因位置效应，进而出现新的表型变异类型。,如果没有遗传重组，个体类型就固定下来，在自然选择的作用下就会逐渐单一化，以不变应万变是不能长期坚持的。很多在当前环境条下的不利隐性基因也失去了在环境条件发生变化后显露生手的机会。,还有大量的遗传现象仍是未解之谜，其中有不少与基因重组有关。比如：Y染色体上有无足够的基因重组行为？基因重组的前提是要有两份拷贝同时出现在一个细胞内，Y染色体上的基因有这种机会吗？请关注有关Y染色体的严肃研究。病毒新变种的出现究竟有哪些具体模式？是否还有不为人知的机制？基因组重排、染色体结构的演化又有哪些具体模式？是否还有不为人知的机制？其中，病毒起到了哪些具体作用？体细胞重组的分子机制与特点也知之甚少。转座子、病毒、附加体、胞质基因组等的重组行为？,三、研究基因重组的意义,1、人类对基因重组机制的认识还十分肤浅,2、研究基因重组有利于更加深入地了解复杂的生物学现象,对基因重组问题缺乏了解困惑难除荒唐迷思,比如X和Y染色体之间不能像一对同源染色体一样进行频繁而有效的交换重组。况且，为了产生大量的雄配子，雄性生殖细胞的分裂和DNA的复制更为频繁。而大多数突变的发生就与DNA链的复制等暴露机会有关。所以有人估计，在大概5000代也就是12.5万年后，男人的生殖能力将大约只有现在的1，最终，男性将不再具有自然生育能力。2005年4月还出版了一本书亚当的诅咒：没有男人的未来，书中对男人和他们脆弱的Y染色体作了悲观的评述。为此，还有人提出了一个将男性从人类生殖的程序中排除出去的所谓解决方案，就是通过两个卵子的结合来生殖，使人类成为只有一种性别的女儿国世界。严肃的科学研究有助于化解伪科学问题的困扰。,第二节、同源性重组,一、同源性重组(homologousrecombination)概述概念、特点、对等互换式和单向置换式；发生同源性重组的三个基本条件。,二、真核生物的同源重组Holliday模型、基因转换、Meselson-Radding模型简介体细胞重组三、细菌的同源重组细菌部分合子中的重组过程细菌整合外源转化DNA的基本特点与可能机制,一、同源性重组概述,1、概念：两个同源DNA分子或区段经联会和交换而实现的交换重组，即普遍性重组（generalizedrecombination）。,2、同源性重组的两个特点：（1）、DNA联会和重组无严格的碱基序列特异性，两条DNA只要有足够长的同源区（序列相同或接近），重组就可在同源联会区的任何一点发生。基因组内的重复序列不对称联会重复、缺失等;远缘杂交子代同源联会交换重组代换系；基因抢、微注射等引入的外源DNA同源重组整合。（2）、至少涉及联会处一个DNA片段的断裂过程。因此,许多DNA损伤的因素均可促进同源重组的发生。,3、同源性重组的两种类型,（1）、双向重组：一次重组可产生两个重组子；减数分裂时，同源染色体联会保证了高频率的双向重组。（2）、单向重组：一次重组仅产生一个重组子；转化、转导、接合、性导和某些病毒的重组等均属同源重组，但在部分合子中进行,不是遗传物质的对等互换,仅受体发生重组,因而它们是单向置换式同源性重组。,4、发生同源重组的三个基本条件,两个DNA分子的同源区必须进行同源联会(synapsis)。同源区越长越有利，同源区太短，越难于发生重组。,大肠杆菌：活体重组至少要有20-40bp同源区；与l噬菌体或质粒重组要求313bp同源区。枯草杆菌基因组与质粒重组需要的370bp同源区。哺乳动物：150bp以上同源区。除了同源性要求外，还需要特定蛋白质或酶的参与。,5、同源重组的基本过程,分支迁移可向左或向右;迁移距离少则几十、上百bp,多则可到2kb左右；分支迁移后的拆分可看作一修复过程:切开两条单链两条双螺旋被拆分连接酶封连缺口。,二、真核生物的同源性重组,真核生物的染色质状态对重组影响，比如异染色质及其附近区域就很少发生重组。,尽管两条DNA分子间的同源联会和同源性重组没有严格的碱基序列特异性，但也存在重组热点，即某类序列发生重组的概率高于其他序列。真核生物的同源性重组除了对等互换以外，也有单向重组，如基因组与外源DNA片断、环状DNA小分子(载体)等的同源性重组。HollidayR为了解释对等互换式同源性重组的发生过程，于1964年提出了Holliday模型。Meselson-Radding为了解释单向置换式同源性重组的发生过程，于1975年提出Meselson-Radding模型。,1、Holliday模型,2、基因转换(Geneconversion),、交换重组例外情况的发现,、对异常子囊现象的解释,同源染色体联会时,一个等位基因转变成了另一等位基因,或被非姊妹染色单体的那个等位基因置换了。,、异常子囊的产生机制,交换发生在某个基因的内部时，按照Holliday模型，在交换发生部位将产生异源双链区。异源双链区通常会及时得到修复。,3、单向置换式重组,Holliday模型不仅解释了非姊妹染色单体间的互换，也解释了偶尔出现的不均等分离现象(基因转变现象)。,.单链切断.合成新链置换旧链.单链入侵，新链继续合成.泡切除、不对称异源双链区.链同化连接（碎链吸收）.异构化形成Holliday结构.分支迁移。,然而，对于单向的不对称重组现象，Meselson-Radding于1975年提出置换式重组模型：,4、体细胞交换重组,发生在有丝分裂过程中的非姊妹染色单体互换叫体细胞交换(somaticcrossingover)或有丝分裂交换(mitoticcrossingover)。,但是，CurtStern1936年首次发现，个别雌果蝇杂合体身上出现了黄斑、焦刚毛斑，以及焦刚毛斑与黄斑相连的孪生斑。,进一步研究发现，这些斑块是在个体生长过程中体细胞内发生了非姊妹染色单体交换的结果。,果蝇体细胞交换,三、细菌的同源重组,细菌的同源重组包括：部分合子中的重组过程结合、转导、性导等形成部分合子转化等导入的外源DNA的重组过程F+Hfr,1、细菌部分合子中的重组过程,.Holliday结构的动态变化；,交叉点向前或向后滑动动相当一段距离(即分枝迁移),形成局部异源双链区,同时产生一定的正超螺旋扭力;Holliday结构能够通过旋转发生立体异构，使“桥”链(即连接两条螺旋的交叉部分)转变为“外部”链。,.将变构后的“外部”链切开两条螺旋被拆分连接酶封连缺口。,2、细菌部分合子同源重组示意图,chi位点：GCTGGTGG,3、细菌外源转化DNA的整合,.基本特点,整合(重组)就是指单链的转化DNA与受体DNA对应位点进行置换，稳定地进入到受体基因组DNA中。整合(重组)对同源DNA具有特异性。对于异源DNA，视亲缘关系远近也可发生不同频率整合。,、细菌遗传转化的可能方式,第三节、位点特异性重组,一、位点特异性重组的概念,位点特异性重组依赖于不同DNA双螺旋之间很短（几个至十几个bp）的特定同源序列的。这种特定的序列实质就是能发动位点特异性重组的酶进行识别与结合的位点。,位点特异性重组的结果是不同DNA分子间的合并（如一个序列插入另一序列中）或重排。位点特异性重组是一类广泛存在的DNA重组方式，如噬菌体的溶源性反应、一些病毒在宿主基因组上的整合、一些基因在DNA水平上的表达调控、抗体多样性的产生等。,二、l噬菌体的位点特异性重组,1.噬菌体的位点特异性重组，是指噬菌体基因组整合到宿主菌基因组上成为原噬菌体的过程，也包括原噬菌体从宿主菌基因组上独立出来的过程。,l噬菌体的基因组通过att位点整合到细菌染色体，这是一种典型的位点特异性重组过程。,3、噬菌体att位点的结构,.l噬菌体的att位点叫attP。通过缺失实验证明，attP至少要约250bp长，太短将使其功能丧失。attP可绕在整合酶分子的周围，类似核小体的结构。,.E.coli的att位点叫attB，约23bp长即有功能。.attB和attP有一个相同的15bp核心序列，用表示。在中间,两侧的序列称为臂。(-GCTTTTTTATACTAA-).attB的两个臂分别是B和B，attB的结构记为BOB。attP的两个臂分别是P和P，attP的结构记为POP。,体外实验使用四种成份的混合物：纯的整合酶；IHF；镁离子；噬菌体DNA（具有att和COS末端序列）。,4、l噬菌体的整合,噬菌体在宿主基因组上的整合过程通过专一性识别att位点核心序列的整合酶（Int）进行。,.整合是非可逆反应。,.对核心序列具有强烈亲和力的Int识别attB和attP，并与核心序列结合；.Int的拓扑异构酶活性使两条双链都断开一条单链，瞬间旋转后交换连接，形成Holliday中间体；.在另两条单链之间发生同样的“切开连接”过程，从而完成双链间的重组。,5、l噬菌体的切离,.原病毒两侧各有一个杂种att位点,左侧由BOP组成,叫attL；右侧由POB组成,叫attR。.切离过程识别attL和attR，还需要整合酶(Int)、整合宿主因子(IHF)和切除酶(Xis)参与。.切离也是非可逆反应。,.整合过程需宿主辅助因子IHF的配合。每一次整合的重组过程需要2040个整合酶分子和约70个IHF分子。说明这两种蛋白不仅仅是酶(起催化作用)，而且在形成某种复合物结构中起着重要作用。,三、RNA病毒在宿主基因组上的整合,反转录病毒的复制需要利用宿主细胞的很多资源，包括DNA复制系统的利用。所以病毒具有反转录酶基因，将自身RNA反转录成cDNA。病毒基因组cDNA有两个去向，一是不断大量复制并表达外壳蛋白，然后包装和释放；二是整合到宿主基因组内。病毒编码的整合酶可特异地识别反转录病毒cDNA的长末端重复序列(longterminalrepeat,LTR)，然后完成整合。RNA病毒在宿主基因组上的整合过程也属于位点特异性重组。,四、细菌的特异位点重组举例,沙门氏菌H片段倒位决定鞭毛相转变：,hix为反向重复序列，它们之间的H片段可在Hin控制下进行特异位点重组（倒位）。H片段上有两个启动子P,其一驱动hin基因表达，另一正向时驱动H2和rH1基因表达，倒位时H2和rH1不表达。rH1为H1的阻遏蛋白基因。,五、免疫球蛋白基因的位点特异性重排,重链(IgH)基因的V-D-J重排和轻链(IgL)基因的V-J重排均发生在特异位点上。在V片段的下游，J片段的上游以及D片段的两侧均存在保守的重组信号序列(recombinationsignalsequence,RSS)。,此重排的重组酶基因rag(recombinationactivatinggene)共有两个，分别产生蛋白质RAG1和RAG2。,第四节、转座因子及其遗传效应,基因组是相对稳定的，各种序列通常处于相对恒定的位置。因此，可以通过遗传图标示基因的基因座。,一、转座因子的概要,1、概念：转座因子(transposablefactor)是基因组内有明确界限、不必借助噬菌体或质粒就可从一个部位直接转移到另一个部位的DNA序列,这个过程称为转座或转座作用(transposition)。转座因子又叫转位元、可转座元件(transposableelement)等。,转座因子的三种类型：插入因子转座子(transposon)即复合型可转座因子病毒型转座因子，包括可转座噬菌体（transposablephage）。,2、转座因子的特点,.转座子每次移动都带着转座必需的基因一起跃迁,所以转座子又称跳跃基因(jumpinggene)。.转座的发生无需转座子和靶位点之间的序列同源性。.转座发生频率通常很低,而且转座插入点是随机的。.各种转座子的转座皆需转座酶(transposase)。.转座子两端都有重复序列，转座需要识别靶序列。,3、转座子的发现,转座元件首先由BarbaraMcClintock于40年代在玉米的遗传研究中发现的，她称之为控制元件（controllingelement），因为它不仅能够在基因组内转移，而且还能够改变基因的活性并引起功能的改变。,现在认为转座子存在于地球上所有的生物。转座子的扩增可能通过产生有害的结果而得到平衡。,二、转座因子的简介,1、IS因子（insertionsequences）,IS是最简单的转座因子。IS元件是细菌染色体和质粒的正常组成部分。最早被鉴定的转座元件是细菌操纵子中的自主插入序列。,IS元件是独立的结构单位，每个元件只编码为自身转座所需要的蛋白质：转座酶。IS元件的末端为短的反向末端重复序列（invertedterminalrepeats），通常这两个拷贝密切相关，但并不完全一样。,2、复合型转座因子：转座子,转座子是两端各有一个IS，带有药物抗性等基因的可转移序列。左边的IS叫左臂(L),右边的IS叫右臂(R)。L和R有些是相同的，有些是不同的；有些转座子的两个IS都有编码功能，有的仅一个IS具有编码功能。,复合型转座子随着中央序列的增长,转座的频率降低。,3、真核生物的转座因子,果蝇的卡巴粒是研究得最清楚的。全长约5kb，两端各有一个276bp的正向末端重复，每个末端重复的两端又各有一个反向重复序列。,卡巴元件识别基因组DNA内的一种5bp靶序列,并在此插入。在卡巴家族内成员之间的差异很小,具有差异的核苷酸数小于5%卡巴内只有一个4227bp的读码框。卡巴在细胞的拷贝数因果蝇品系不同而异，变化在20至60之间。,、果蝇的三种可转座因子的结构特征比较,、玉米C座位的转座子插入突变,真核生物的转座因子无论结构还是转座活动都要复杂一些，也常常引起插入突变。玉米籽粒色斑、果蝇复眼颜色变异、啤酒酵母接合型转换等，都与转座因子在染色体上的转座有关。,玉米上除了AcDs系统外，Spm转座因子也包括自主转座因子和非自主转座因子两个组成部分。,玉米C座位的转座子插入突变图解,显性基因C有色糊粉层Ds因子插入C座，使其突变为c-m，糊粉层无色编码转座酶的Ac存在时，可引起Ds在某些细胞内转座，产生回复突变，结果使整个籽粒呈现出在无色背景下散布着有色斑点。,4、病毒型转座因子,、可转座的噬菌体：,Mu噬菌体是大肠杆菌的温和噬菌体，溶源化后，能起到转座子的作用。和转座子一样，它也含有与转座有关的基因和反向重复序列。携带有tnpA、tnpB基因，末端有E.coliDNA,近邻类似IS序列，具有高频的转座作用。转位时复制宿主靶位点415bp的小段DNA形成两端的正向重复序列(转座子的特点)。Mu能够整合进寄主染色体，催化一系列染色体重新排列。,、真核生物中的反转录转座子,反转录转座子（Retrotransposon）又叫反转录子（Retroposon）。,最大的特点是：通过转录成RNA后再反转录成DNA的过程产生一个游离于基因组DNA的反转录子拷贝。所以，反转座是经RNA介导的转座过程。必须经过RNA中间体的转座过程是真核生物所特有的。,反转录子广泛存在于真核生物中，其序列结构与反转录病毒的原病毒具有非常相似的一般结构特征。,在高等生物的基因组DNA中有很多不活跃的反转录子序列，有些具有大量拷贝。很可能是曾经发生RNA介导的转座事件或原病毒留下来的。,反转录子及反转录病毒的生活周期比较,LTRisanabbreviationforlong-terminalrepeat.,Reproductivecyclesofretrovirusesandretroposons.Onlyretrovirusescangenerateinfectiousparticles.Retroposonsareconfinedtoanintracellularcycle,酵母的Ty转座元件就是一种反转座子,Ty是transposonyeast的缩写。Ty的转座频率大大低于细菌的转座子。典型的Ty元件有6.3k，其中两端各有一个330bp的正向重复序列叫(delta)。Ty元件包含两个读码框(下图左)，两个基因重叠13个氨基酸。实验证明Ty元件的转座是通过RNA介导的（下图右）,三、转座方式,转座子插入到一个新的部位的通常步骤是：在靶DNA上制造一个交错的切口，然后转座子与突出的单链末端相连接，并填充切口。插入部位产生靶DNA正向重复的,链的切口之间的交错区长度决定了正向重复的长度。,原因就是交错末端的产生和填充。,1、复制型转座,复制型转座涉及到两种类型的酶参与：一是转座酶，它在原转座子的末端起作用。另一种为拆分酶(Resolvase)，利用两个转座子拷贝进行交换重组而拆分。,复制型转座是产生一个转座子拷贝，转移到受体位点，供体位点序列不变。因此，供体和受体位点都有一个拷贝的转座子，转座伴随着转座子拷贝数的增加。,2、非复制转座,非复制转座中转座子仅从供体位点向受体位点做物理性移动，从而在供体位点造成链的断裂，若断裂不被修复，后果将是致命的。,插入序列(IS)和复合转座子Tn10和Tn5的转座就是利用的这种机制。这种转座过程中涉及到转座子从供体DNA的释放，机制需要一个转座酶。,3、保守性转座,保守性转座与噬菌体的整合、删除机制非常相似,并且转座酶与的整合酶具有相关性。运用这一机制的转座子较大，不仅可以转移转座子本身，而且还以将供体菌的DNA转移到另一个细菌。尽管起初将其归类为转座子，但更确切地应被称为附加体(Episome)。有些转座子只采用一种方式转座，其它转座子则可利用多种途径转座。元件IS1和IS903既可以非复制型方式也可以复制型方式转座。,保守性转座只是序列的直接移动，没有核苷酸键的损失，原位点没有链断