遗传重组的分子机制

1、上一章主要内容回顾上一章主要内容回顾几个主要的概念：几个主要的概念： 转化转化 转导转导 普遍性转导普遍性转导 局限性转导局限性转导 流产转导流产转导几个主要的知识点：几个主要的知识点： 转化时重组率的计算转化时重组率的计算 转导时基因顺序的判断转导时基因顺序的判断哈工大哈工大- -遗传学遗传学第八章第八章 遗传重组遗传重组第八章第八章 遗传重组遗传重组哈工大哈工大- -遗传学遗传学第八章第八章 遗传重组遗传重组生物生物遗传重组遗传重组遗传遗传变异变异DNA重排重排DNA突变突变DNA 的复制的复制DNA 的修复的修复同源重组同源重组位点专一性重组位点专一性重组异常重组异常重组哈工大哈工大-

2、-遗传学遗传学第八章第八章 遗传重组遗传重组第一节第一节 同源重组同源重组哈工大哈工大- -遗传学遗传学第八章第八章 遗传重组遗传重组同源重组同源重组：依赖大范围的：依赖大范围的DNADNA同源序列的联会同源序列的联会，重组过，重组过程中，两个染色体或程中，两个染色体或DNADNA分子交换对等的部分。分子交换对等的部分。 例：例：同源染色体非姐妹单体交换；同源染色体非姐妹单体交换； 细菌的转化、转导、接合；细菌的转化、转导、接合； 噬菌体的重组噬菌体的重组一、概念一、概念条件：条件：2个个DNA分子序列同源；分子序列同源；不同物种同源重组所需的最小的同源序列不同；不同物种同源重组所需的最小的同

3、源序列不同；哈工大哈工大- -遗传学遗传学第八章第八章 遗传重组遗传重组 (c mi)噬菌体噬菌体1 13C和和14N 重链重链 (+ +) 噬菌体噬菌体2 12C和和14N 轻链轻链 同时感染同时感染E.coli子代噬菌体子代噬菌体CsCl密度梯度离心密度梯度离心重链重链重链重链+轻链轻链轻链轻链二、同源重组的分子机制二、同源重组的分子机制( (一一) )、异源、异源DNADNA双链断裂与重双链断裂与重( (错错) )接接 证据：证据：1961，M.Meselson and J.J.Wergle哈工大哈工大- -遗传学遗传学第八章第八章 遗传重组遗传重组 c mi 轻亲代 + + 重亲代 c

4、 + 图 23-4 轻、重标记噬菌体的重组实验 535353353535哈工大哈工大- -遗传学遗传学第八章第八章 遗传重组遗传重组交叉理论（交叉理论（chiasmatatype hypothesis） 1909年，年，Janssens提出；提出；断裂和重接模型断裂和重接模型 1937年，年，Darlington提出；提出；模板选择学说（模板选择学说（copy choice ） Belling J.首先提出，首先提出，1933年又撤回；年又撤回； 1948年，年，Hershey再次提出；再次提出；Holliday模型模型 1964年年Robin Holliday提出；提出；(二二)、同源重组的

5、、同源重组的Holliday模型模型哈工大哈工大- -遗传学遗传学第八章第八章 遗传重组遗传重组 1 2. 断裂重接模型 3. 4. 1 2. 模板选择复制 模型 3. 4. 图 23-3 断裂重接模型和模板选择复制模型的比较 哈工大哈工大- -遗传学遗传学第八章第八章 遗传重组遗传重组断裂重接模型和模板选择复制模型存在的问题断裂重接模型和模板选择复制模型存在的问题断裂重接模型：断裂重接模型：不能解释基因转变和极化子现象；不能解释基因转变和极化子现象；模板选择复制模型：模板选择复制模型： (1) 违背了半保留复制；违背了半保留复制； (2) DNA复制在复制在S期，重组在偶线期，不应同时发生；

6、期，重组在偶线期，不应同时发生； (3)不能解释不能解释3线和线和4线交换；线交换；哈工大哈工大- -遗传学遗传学第八章第八章 遗传重组遗传重组交叉理论（交叉理论（chiasmatatype hypothesis） 1909年，年，Janssens提出；提出；断裂和重接模型断裂和重接模型 1937年，年，Darlington提出；提出；模板选择学说（模板选择学说（copy choice ） Belling J.首先提出，首先提出，1933年又撤回；年又撤回； 1948年，年，Hershey再次提出；再次提出；霍利迪霍利迪(Holliday)模型模型 1964年年Robin Holliday提出

7、；提出；(二二)、同源重组的、同源重组的Holliday模型模型哈工大哈工大- -遗传学遗传学第八章第八章 遗传重组遗传重组1. 同源的非姐妹染色单体联会同源的非姐妹染色单体联会;2. DNA内切酶在非姐妹染色单内切酶在非姐妹染色单体的相同位置同时切开两个体的相同位置同时切开两个方向相同的一条单链；方向相同的一条单链；3. 切开的单链交换重接切开的单链交换重接;4. 形成交联桥结构；形成交联桥结构；5. 分支迁移：形成一大段异源分支迁移：形成一大段异源双链双链DNA( (Holliday结构结构) )6. 绕交联桥旋转绕交联桥旋转1800，形成，形成Holliday异构体；异构体；7. 切开与

8、重接：切开与重接： 左右切，形成非重组体左右切，形成非重组体 上下切，形成重组体。上下切，形成重组体。12345 67旋转旋转1800 无论无论 Holliday 结构断裂是否导致旁侧遗传标结构断裂是否导致旁侧遗传标记的重组，它们都含有一个记的重组，它们都含有一个异源双链区异源双链区。哈工大哈工大- -遗传学遗传学第八章第八章 遗传重组遗传重组 (1) 5 A B 3 (8) A 3 5 B3 55 a b 3 两臂旋转 联会 (2) 5 A B 3 b 3 5 a3 55 a b 3 (9) A 酶切 B (3) 5 A B 33 5 b 3 5 a5 a b 3 游离端移动联会 (4) 5

9、 A B 3 (10) A A 3 5 B B 3 55 a b 3 游离端交叉连接 b b(5) 5 A B 3 a a3 53 5 (11) A B A b5 a b 3 形成单链交叉 a b a B(6) 5 A B 33 5 3 5 A B A b 5 a b 3 分支点移动(7) A a b a B B a b 图 238 Holiday 重组模型。支持支持Holliday遗传重组模型的证据：遗传重组模型的证据： 1、形态学上，、形态学上，Holliday中间体中间体(Chi 结构结构)的电镜照片；的电镜照片；哈工大哈工大- -遗传学遗传学第八章第八章 遗传重组遗传重组 两个环状两个

10、环状DNA分子配对、断裂、重接形成分子配对、断裂、重接形成“8”字型结构中间物，根据切割的位置不同，可分别形成字型结构中间物，根据切割的位置不同，可分别形成两个亲本环、大的单体环或者是滚环结构，两个亲本环、大的单体环或者是滚环结构，也可以形也可以形成成“” 结构。结构。Holliday模型同样适用于环状模型同样适用于环状DNA间的重组间的重组哈工大哈工大- -遗传学遗传学第八章第八章 遗传重组遗传重组哈工大哈工大- -遗传学遗传学第八章第八章 遗传重组遗传重组支持支持Holliday遗传重组模型的证据：遗传重组模型的证据： 1、形态学上，、形态学上，Holliday中间体中间体(Chi 结构结

11、构)的电镜照片；的电镜照片； 2、异源双链形成时，产生碱基错配导致与重组相关联、异源双链形成时，产生碱基错配导致与重组相关联 的的基因转变基因转变的发生；的发生；哈工大哈工大- -遗传学遗传学第八章第八章 遗传重组遗传重组1、异常分离异常分离与基因转变与基因转变 粗糙脉孢菌：粗糙脉孢菌： pdxp：酸度敏感的酸度敏感的VB6依赖型依赖型 pdx： 酸度不敏感的酸度不敏感的VB6依赖型依赖型( (三三) )、基因转变及其分子机理、基因转变及其分子机理哈工大哈工大- -遗传学遗传学第八章第八章 遗传重组遗传重组AaAaAAaaAAaaAAAAaaaa减数分裂减数分裂I减数分裂减数分裂II有丝分裂有

12、丝分裂第一次分裂分离第一次分裂分离(MI)模式模式AAAAaaaaaaaa AAAAAaaA减数分裂减数分裂I减数分裂减数分裂II有丝分裂有丝分裂第二次分裂分离第二次分裂分离(MII)模式模式AaAaAaaAAAaAaaaAAAaaAAaaaaAAa aAAaaAAAAaa AAaaaaAAAAAAaaaaaaaa AAAAMIMII哈工大哈工大- -遗传学遗传学第八章第八章 遗传重组遗传重组哈工大哈工大- -遗传学遗传学第八章第八章 遗传重组遗传重组1、异常分离异常分离与基因转变与基因转变 粗糙脉孢菌：粗糙脉孢菌： pdxp：酸度敏感的酸度敏感的VB6依赖型依赖型 pdx： 酸度不敏感的酸度

13、不敏感的VB6依赖型依赖型( (三三) )、基因转变及其分子机理、基因转变及其分子机理哈工大哈工大- -遗传学遗传学第八章第八章 遗传重组遗传重组 + pdxp pdx +孢子对孢子对子囊子囊1 + pdxppdx + + +pdx +2 + +pdx + + pdxp + pdxp3 + pdxp + +pdx + + +4pdx + + pdxp pdx +pdx +585个子囊中个子囊中?哈工大哈工大- -遗传学遗传学第八章第八章 遗传重组遗传重组- - +- - + + - - - +- - + + - - - +- - + + - - - +- - + + - - - - - + +

14、 - - - +- - -+ + - - - +- - + - -+ - -基因转变基因转变(gene conversion)：一个基因转变为它的等位基一个基因转变为它的等位基因的遗传学现象（源于基因内重组）。因的遗传学现象（源于基因内重组）。粪生粪壳菌粪生粪壳菌(Olive): g+ g -+-+-6:2 ( (或或 2:6) )+-+-5:3 ( (或或 3:5) )+-+-3:1: :1:3+-+?-+?-半染色单体转变半染色单体转变染色单体转变染色单体转变120/200000 100/200000 16/200000(1). 染色单体转变染色单体转变:(chromatid conver

15、sion) 6:2 / 2:6 分离分离 (2). 半染色单体转变半染色单体转变: (half-chromatid conversion) 5:3 / 3:5 3:1:1:3哈工大哈工大- -遗传学遗传学第八章第八章 遗传重组遗传重组在在5：3和和6：2分离的子囊中，约有分离的子囊中，约有30%也在也在g基因两侧基因两侧 发生重组；发生重组；发生基因转变的子囊中，基因转变和遗传重组都发生发生基因转变的子囊中，基因转变和遗传重组都发生 于同样的两个染色单体上的子囊的比例高达于同样的两个染色单体上的子囊的比例高达90%；2 2、基因转变的分子机制、基因转变的分子机制基因转变的实质：基因转变的实质：

16、重组过程中留下的重组过程中留下的局部异源双局部异源双链区链区，在细胞内的修复系统识别下不同的修复产，在细胞内的修复系统识别下不同的修复产生的结果；生的结果；哈工大哈工大- -遗传学遗传学第八章第八章 遗传重组遗传重组哈工大哈工大- -遗传学遗传学第八章第八章 遗传重组遗传重组哈工大哈工大- -遗传学遗传学第八章第八章 遗传重组遗传重组 Holliday 模型中，由于重组而产生的异源双链区存在模型中，由于重组而产生的异源双链区存在不配对碱基，可被细胞内的修复系统能够识别并以一条链不配对碱基，可被细胞内的修复系统能够识别并以一条链为模板进行切除修复：为模板进行切除修复：(1). 两个杂种分子均未得

17、到校正，两个杂种分子均未得到校正，有丝分裂后分离形成有丝分裂后分离形成4:4或或 3:1:1:3的异常孢子分离比，属于半染色单体转变；的异常孢子分离比，属于半染色单体转变；(2). 一个杂种分子得到校正，另一条未校正，一个杂种分子得到校正，另一条未校正，有丝分裂后有丝分裂后分离形成分离形成 5:3 或或 3:5 的分离比，属于半染色单体转变；的分离比，属于半染色单体转变；(3). 两个杂种分子都被校正到同一种类型，两个杂种分子都被校正到同一种类型，有丝分裂后分有丝分裂后分离形成离形成 6:2或或2:6 的分离比，属于染色单体转变；的分离比，属于染色单体转变；(4). 两个杂种分子都被校正到不同

18、类型，两个杂种分子都被校正到不同类型，有丝分裂后分离有丝分裂后分离形成形成 4:4 分离比，未出现基因转变；分离比，未出现基因转变；哈工大哈工大- -遗传学遗传学第八章第八章 遗传重组遗传重组 Holliday 模型中为对称的杂合双链，而实际情况有模型中为对称的杂合双链，而实际情况有不均等分离现象，不均等分离现象，1975年年Meselson-Radding 提出模型解提出模型解释这种不对称重组现象；释这种不对称重组现象；(四四)、同源重组的、同源重组的Meselson Radding 模型模型哈工大哈工大- -遗传学遗传学第八章第八章 遗传重组遗传重组+/+/g+/g g/g+g+gg+g+

19、 gg修复校正修复校正：若一个杂种分子若一个杂种分子被校正为野生型被校正为野生型(突变型突变型)，另一个，另一个未被校正未被校正+g+ gg+g gg三型子囊三型子囊四型子囊四型子囊哈工大哈工大- -遗传学遗传学第八章第八章 遗传重组遗传重组Meselson-Radding 模型模型困难困难负干涉：负干涉：两个邻近基因，或者是同一基因不同突变点间，两个邻近基因，或者是同一基因不同突变点间，双交换的频率比预期高，并发系数双交换的频率比预期高，并发系数C1，即一个区域，即一个区域的交换引起邻近区域交换的增加；的交换引起邻近区域交换的增加；局部负干涉：局部负干涉：有些噬菌体、细菌或真菌的某些局部位点

20、有些噬菌体、细菌或真菌的某些局部位点明显的出现负干涉的现象；明显的出现负干涉的现象；(五五) 基因转变与高度负干涉基因转变与高度负干涉基因转变时的高度负基因转变时的高度负干涉：干涉：伴随重组的基因转换常常能伴随重组的基因转换常常能模仿双交换的结果，仿佛是一次交换增加了附近基因交模仿双交换的结果，仿佛是一次交换增加了附近基因交换的几率；换的几率；哈工大哈工大- -遗传学遗传学第八章第八章 遗传重组遗传重组共转变：共转变：子囊中几个相近位点同时发生转换的现象；子囊中几个相近位点同时发生转换的现象； m1 + m1 + m1 + m1 + m1 + + + m1 + + m2 + m2 + m2 m

21、1 + + m2 + m2 + m2 + m2 + m2未转变未转变单转变单转变共转变共转变共转变共转变哈工大哈工大- -遗传学遗传学第八章第八章 遗传重组遗传重组极化子：极化子：距离单链断裂点的位置距离单链断裂点的位置越近越容易发生基因越近越容易发生基因转变转变，越远越不易发生转变，由此，越远越不易发生转变，由此基因转变频率由高基因转变频率由高到低到低形成一个梯度，形成一个梯度，染色体上呈现基因转变极化现象染色体上呈现基因转变极化现象的区域称为极化子的区域称为极化子；m3m2m1m4m5转变频率转变频率单链断裂点单链断裂点哈工大哈工大- -遗传学遗传学第八章第八章 遗传重组遗传重组( (一一

22、) )、细菌同源重组的特点、细菌同源重组的特点 发生在环状双链发生在环状双链DNA分子与一个双链或单链分子与一个双链或单链DNA 分子之间；分子之间； 转化转化：单链单链 双链双链 接合：接合：双链双链 双链双链 转导：转导：双链双链 双链双链三、细菌的同源重组三、细菌的同源重组哈工大哈工大- -遗传学遗传学第八章第八章 遗传重组遗传重组存在存在8个碱基组成的重组热点个碱基组成的重组热点(Chi位点位点) E.coli 5-10Kb： chi 位点位点 5 GCTGGTGG 3 3 CGACCACC 5需要几种重要的蛋白质：需要几种重要的蛋白质： RecBCD复合体：复合体：具有具有核酸酶，解

23、旋酶核酸酶，解旋酶和和ATPase活性，在活性，在 Chi位点位点产生单链产生单链 3游离未端；游离未端； RecA：促进促进DNA单链的同化，即单链的同化，即促进单链与同源双链分子促进单链与同源双链分子发生链的交换发生链的交换； RuvAB复合体：复合体：促进促进分支迁移分支迁移； RuvC：核酸内切酶，核酸内切酶，切开重组中间体切开重组中间体(Holliday连接体连接体)；哈工大哈工大- -遗传学遗传学第八章第八章 遗传重组遗传重组 RecBCD 结合在双链断裂处 chi B C D 5 3 RecBCD 解链并作为外切酶降解 DNA chi RecBCD 停留在 chi 处，内切酶切开

24、单链 RecD 在 chi 顺序解离 RecBC 继续作为解链酶 图 23-15 RecBCD 核酸酶从一侧接近 chi 顺序，当它前进 时降解 DNA。在 chi 位点它作为内切酶剪切单链，释放 RecD,仅保留了解链酶活性。(二二)、细菌同源重组的机制、细菌同源重组的机制-接合和转导接合和转导(双链和双链双链和双链)1) ). RecA蛋白与单链蛋白与单链DNA结结 合，形成合，形成螺旋状纤丝螺旋状纤丝；2) ). 螺旋状纤丝螺旋状纤丝与同源双链与同源双链DNA结合；结合；3) ). 螺旋状纤丝螺旋状纤丝中的单链中的单链( (入入侵单链侵单链) )与双链中的互补链配与双链中的互补链配对，同

25、源链被置换出来；对，同源链被置换出来；RecA蛋白介导的蛋白介导的DNA链交换模型链交换模型哈工大哈工大- -遗传学遗传学第八章第八章 遗传重组遗传重组游离的游离的3单链末端单链末端单链侵入并置换单链侵入并置换形成形成Holliday连接体连接体哈工大哈工大- -遗传学遗传学第八章第八章 遗传重组遗传重组Ruv AB复合物结合于复合物结合于Holliday连接体连接体哈工大哈工大- -遗传学遗传学第八章第八章 遗传重组遗传重组哈工大哈工大- -遗传学遗传学第八章第八章 遗传重组遗传重组Ruv C 蛋白切开蛋白切开Holliday连接体连接体哈工大哈工大- -遗传学遗传学第八章第八章 遗传重组遗

26、传重组置换延伸置换延伸 (recA) 内切酶内切酶 (recBCD)DNA侵扰侵扰(recA) 内切酶内切酶(recBCD) DNA 连接酶连接酶5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 3 5 5 3 3 5 3 5 5 3 3 3 5 3 5 3 3 5 5 3 5 3 5 3 Holiday中间体中间体5 3 5 3 5 3 5 3 分支迁移分支迁移(Ruv AB)5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 5 5 3 3 3 5 5 5 5 3 3 3 3 5 5 5 5 3 3 3 3 5 5 5 5 3 3 3 3 5 5 5 5 3 3 3 3 内切

27、酶内切酶(RuvC)内切酶内切酶(RuvC) DNA连接酶连接酶 DNA连接酶连接酶上下切上下切左右切左右切实质：单链实质：单链DNA片段与双链环状片段与双链环状DNA之间的重组之间的重组( (三三) )、细菌的重组机制、细菌的重组机制-转化转化( (单链和双链单链和双链) )哈工大哈工大- -遗传学遗传学第八章第八章 遗传重组遗传重组 切除外源切除外源DNA无重组无重组 切除受体切除受体DNA发生重组发生重组 无修复作用无修复作用 子代细胞出现两种基因型（受体基因型子代细胞出现两种基因型（受体基因型 和重组体基因型）和重组体基因型） 通常采用有利于重组体基因型生长的选择条件通常采用有利于重组体基因型生长的选择条件(四四)、细菌修复系统对异源双链区的校正：、细菌修复系统对异源双链区的校正：哈工大哈工大- -遗传学遗传学第八章第八章 遗传重组遗传重组 高效率标记高效率标记(high-efficiency maker)：在转化中，有些遗传在转化中，有些遗传标记或是很少发生校正作用，或是校正切除几乎总是在受标记或是很少发生校正作用，或是校正切除几乎总是在受体体DNA上，因此转化频率较高，这类遗传标记称为