遗传重组和转座子PPT课件

1、概述：概述： 只要有只要有DNA，就会发生重组，就会发生重组减数分裂减数分裂真核真核体细胞核基因、叶绿体和线粒体基因体细胞核基因、叶绿体和线粒体基因温和噬菌体温和噬菌体转座子转座转座子转座 广义遗传重组：任何造成基因型变化的基因交流过程广义遗传重组：任何造成基因型变化的基因交流过程 狭义遗传重组：涉及到DNA分子内断裂-复合的基因交流过程10.1 遗传重组的类型第1页/共118页 重组类型重组类型DNA序列序列蛋白因子蛋白因子/酶酶同源重组同源重组需长同源需长同源重组酶重组酶（Rec ABCD） 普遍重组普遍重组位点特异重组位点特异重组需短同源需短同源位点专一性蛋白位点专一性蛋白 整合重组整合

2、重组整合酶，切离酶整合酶，切离酶异常重组异常重组/转座转座 不需不需转座酶转座酶复制性重组复制性重组狭义遗传重组：涉及到狭义遗传重组：涉及到DNA分子内断裂分子内断裂-复合的基因交流复合的基因交流遗传重组与重组遗传重组与重组DNA技术技术 第2页/共118页同源重组的特征：同源重组的特征：涉及涉及同源同源序列间的序列间的联会联会，且交换的片段较大；，且交换的片段较大；涉及涉及DNA分子在特定的交换位点发生断裂分子在特定的交换位点发生断裂-错接的过错接的过程程 异源双链区异源双链区的生成；的生成； 存在重组热点；存在重组热点；需要重组酶；需要重组酶；单链单链DNA分子或单链分子或单链DNA末端末

3、端是交换发生的重要信号是交换发生的重要信号10.2 同源重组（homologous recombination）第3页/共118页细线期细线期合线期合线期粗线期粗线期双线期双线期终变期终变期 e.g.e.g. 真核细胞真核细胞减数分裂时减数分裂时 染色单体间交换；染色单体间交换； 细菌的转化、细菌的转化、 转导、转导、 接合；接合； 病毒病毒/噬菌体噬菌体 重组重组 （单向重组）（单向重组）第4页/共118页Mitchell： + pdxp x pdx + 脉孢霉 pdxp：酸度敏感的VB6依赖型 pdx： 酸度不敏感的VB6依赖型10.2.1基因转变第5页/共118页 1930年, .Win

4、kler把不规则分离的现象解释为 减数分裂过程中同源染色体联会时一个基因转变为其等位基因基因转变（ gene conversion) 。孢子对孢子对子囊子囊1234（1）+ pdxppdx + +pdx +（2）+ +pdx + pdxp+ pdxp（3）+ pdxp+ +pdx + +（4）pdx + pdxppdx +pdx +Mitchell： + pdxp x pdx + 第6页/共118页AAAAaaaa粪生粪壳菌粪生粪壳菌(Olive): G A g a GA 非重组孢子对非重组孢子对GagaGAgAga 非重组孢子对非重组孢子对重组重组孢子对，一孢子对，一个孢子个孢子基因转变基因

5、转变重组重组孢子对，一孢子对，一个孢子个孢子基因转变基因转变6:2/2:6， 5:3/3:5，3:1:1:3 的异常分离比，的异常分离比，10E-3 A a第7页/共118页以后又发现以后又发现一个基因发生转变时它两旁的基因（侧翼一个基因发生转变时它两旁的基因（侧翼标记）常同时发生重组，标记）常同时发生重组，由此认为由此认为基因转变是某种形基因转变是某种形式的染色体重组的结果式的染色体重组的结果。例如。例如A g+a g-的杂交（的杂交（是一对关于接合型的基因）是一对关于接合型的基因）: g+和和g-可以发生转变，可以发生转变，而且凡是而且凡是g+或或g-发生转变都伴随着和之间的重组。发生转变

6、都伴随着和之间的重组。由于由于基因转变常伴随着重组的发生基因转变常伴随着重组的发生，所以基因转变机，所以基因转变机制的研究，实质上也是染色体交换机制的研究。制的研究，实质上也是染色体交换机制的研究。第8页/共118页第9页/共118页（二） 基因转变的类型 染色单体转变：2:6或6:2分离比 减数分裂4个产物中，1个出现基因转变 半染色单体转变：5:3；3:1:1:3 减数分裂4个产物中，1个或2个的一半出现基因转变 减数分裂后分离：等位基因的分离发生在减数分裂后的有丝分裂中 （三）基因转变的分子机制第10页/共118页 A 都不校正 B 仅一链校正 C 两链同向校正 D 各自校正 3:1:1

7、:35:3/3:5 6:2/2:6 4:4第11页/共118页根据切除修复原理，基因转变的几种类型产生的分子机制可以归纳如下（图10-6）。 1两个杂种分子均未校正（图10-6 A）复制后出现异常的44g（或3113）的分离； 2一个杂种分子校正为+，或校正为g时，则发生另一种类型的半染色单体转变，前者修复后出现53的分离，后者子囊孢子的异常分离比为35（图10-6 B）；（三）基因转变的分子机制第12页/共118页 3两个杂种分子都被校正到+（或g）时（图10-6 C），修复后出现62g（或26g）的异常分离，这便是出现染色单体转变的起因； 4当两个杂种分子都按原来两个亲本的遗传结构进行修复

8、时，则减数分裂4个产物恢复成G-C、G-C、A-T、A-T的正常配对状态，子囊孢子分离正常，呈现44g的结果，如图10-6 D所示。（三）基因转变的分子机制第13页/共118页（三）基因转变的分子机制 基因转变的实质：重组过程中留下的局部异源双链区，在细胞内的修复系统识别下，不同的切除/修复方式产生不同的结果。第14页/共118页10.2.2 同源重组的分子机制 一一.交叉理论（交叉理论（chiasmata type hypothesis） Janssens,1909 二二.断裂和重接模型断裂和重接模型 (Darlington,1937) 三三.模板选择学说（模板选择学说（copy choic

9、e ） Belling J.首提、首提、1933撤回撤回; Hershey,1948 四四. Holliday模型 ( R. Holliday 1964) 第15页/共118页减数分裂中的同源配对-片段互换-基因重组 同源染色体配对的结构基础联会复合体； 同源重组非姐妹单体的片段交换。第16页/共118页 Pr Vg Pr Vg Pr Vg Pr Vg Pr Vg+ Pr Vg+ Pr+ Vg+ Pr+ Vg Pr+ Vg Pr+ Vg+ Pr+ Vg+ Pr+ Vg+ 减数分裂中”染色体交叉/换=同源重组” 第17页/共118页 断裂重接模型断裂重接模型不能解释不能解释基因转变基因转变和和极

10、化子极化子现象现象. 极化子（极化子（polaron）: :指指同一基因内部的各个突变位点的转变频率常从基同一基因内部的各个突变位点的转变频率常从基因的一端向另一端逐步递减，具有这种现象的一段因的一端向另一端逐步递减，具有这种现象的一段DNA称为极化子。一个极化子相当于一个基因称为极化子。一个极化子相当于一个基因.第18页/共118页模板选择复制模型模板选择复制模型 不符合半保留复制不符合半保留复制; DNA复制应在复制应在S期期,重组应在偶线期，不应同时发生。重组应在偶线期，不应同时发生。 不能解释不能解释3线和线和4线交换线交换。第19页/共118页 任何基因重组的模型都必须解释异源双链的

11、形成任何基因重组的模型都必须解释异源双链的形成以及基因转变往往伴随着两侧基因重组这一现象。以及基因转变往往伴随着两侧基因重组这一现象。1964年美国学者年美国学者Robin Holliday提出了著名的提出了著名的Holliday模型模型. 在在Holliday模型中模型中, 极化子是由于交换产生的错极化子是由于交换产生的错配只发生在异源双链部分，而此部分只发生在配只发生在异源双链部分，而此部分只发生在Holliday结构的断裂和分枝点之间，离断裂点越结构的断裂和分枝点之间，离断裂点越远的基因离分枝点可能也越远，因而不在异源双远的基因离分枝点可能也越远，因而不在异源双链的部分。链的部分。第20

12、页/共118页Holliday模型 (Robin Holliday 1964) ：同源区同源区-配对配对/联会联会-切切-换换-接接-移移-转转-切切-接接=重组重组第21页/共118页 同源重组的Holliday模型 Robin Holliday于1964年提出了重组的杂合DNA模型，又称Holliday模型，对重组过程的解释如下： A: 同源的非姐妹染色单体联会； B：同源非姐妹染色单体DNA中两条方向相同的单链在DNA内切酶的作用下，在相同位置同时切开； C：切开的单链交换重接; D：形成交联桥结构；同源区同源区-配对配对/联会联会-切切-换换-接接-移移-转转-切切-接接=重组重组第2

13、2页/共118页E：交联桥沿配对DNA分子“移动”。两个亲本DNA分子间造成一大段异源双链DNA（ Holliday结构）F：E和F相同；G：绕交联桥旋转1800；J：形成Holliday异构体；I、通过两种方式之一切断DNA单链，若上下切，则形成非重组体，若左右切则形成重组体。 由上可知：无论Holliday结构断裂是否导致旁侧遗传标记的重组，他们都含有一个异源双链DNA区。同源区同源区-配对配对/联会联会-切切-换换-接接-移移-转转-切切-接接=重组重组第23页/共118页第24页/共118页2、 分枝迁移和分枝迁移和Holliday结构的拆分结构的拆分 分枝迁移（分枝迁移（branch

14、 migaration） 双螺旋形成的交叉连接以拉链式效应扩散双螺旋形成的交叉连接以拉链式效应扩散第25页/共118页Holliday结构结构的异构化的异构化产生重组体的拆分产生重组体的拆分Holliday结构一经生成即可不断地处于异构化异源双链 heteroduplex DNA重组结果取决于拆分时重组结果取决于拆分时配对链上的切口位置配对链上的切口位置第26页/共118页 Holliday模型中的模型中的杂合双链杂合双链部分必须得到部分必须得到校正校正。如果在减数分裂后的有丝分裂如果在减数分裂后的有丝分裂DNA合成前得到校合成前得到校正，那么将产生正常的正，那么将产生正常的:分离或分离或:分

15、离（染分离（染色单体转变）；色单体转变）；如果没有及时得到校正而留到下一轮如果没有及时得到校正而留到下一轮DNA复制而复制而产生两个非杂合的双链，那么将产生产生两个非杂合的双链，那么将产生:或不正或不正常的常的3:1:1:3分离分离（半染色单体转变）（半染色单体转变） ，我们将这，我们将这种没有及时校正而下一轮复制时才被校正种没有及时校正而下一轮复制时才被校正的现象称为的现象称为减数后分离减数后分离。第27页/共118页第28页/共118页三、原核同源重组（三、原核同源重组（E.coli） 发生在双方发生在双方DNA的同源区域的同源区域 部分复制的染色体部分复制的染色体DNA之间或染色体之间或

16、染色体DNA与外源与外源DNA之间之间 细菌的转化、接合和转导细菌的转化、接合和转导 1、RecBCD（外切核酸酶（外切核酸酶）和）和 Chi 位点位点 具有解旋酶（再旋）活性、具有解旋酶（再旋）活性、ATPase活性、核酸外切酶活性、活性、核酸外切酶活性、 序列特异性的单链内切酶活性序列特异性的单链内切酶活性 单链内切酶活性和解旋酶活性使单链内切酶活性和解旋酶活性使DNA产生具有游离末端的单链产生具有游离末端的单链 RecA的作用位点的作用位点 RecBCD有固定切割位点有固定切割位点第29页/共118页3 RecBCD的识别和切割位点的识别和切割位点a、 RecBCD结合在结合在DNA的平

17、的平 头末端（产生机制不清楚）头末端（产生机制不清楚）b、 外切、外切、解链、移动解链、移动 （ATP）c、 兔耳状兔耳状 loop 结构产生结构产生（再旋酶活性低于解旋酶活性）（再旋酶活性低于解旋酶活性）d、 RecBCD 在在 loop 单链区的单链区的 chi 位点位点3方方46NT处切处切 断单链（单链内切酶）断单链（单链内切酶） chi位点：位点：GCTGGTGG 目前发现的重组热点目前发现的重组热点 E.coli 含含 1000 个、个、真核真核 第30页/共118页e、 RecBCD 切割产生切割产生3单链末端单链末端第31页/共118页 2、RecA 蛋白 （1） 活性活性a、

18、 RecA 有单、双链有单、双链 DNA 结合活性结合活性 b、 RecA 有有 NTPase 活性（底物差异活性）活性（底物差异活性） 与单链与单链 DNA 结合时活性最大结合时活性最大-依赖于依赖于 DNAc、 RecA 有启动一个分子的单链侵入到另一双螺旋分子有启动一个分子的单链侵入到另一双螺旋分子 的能力，即联会同源的能力，即联会同源 DNA （但其靶（但其靶 DNA 必须有缺口结合必须有缺口结合DNA）第32页/共118页第33页/共118页RecA入侵单链入侵单链被置换连被置换连RecA引发链侵入模型引发链侵入模型第34页/共118页RecA promotes the assimi

19、lation of invading single strands into duplex DNA so long as one of the reacting strands has a free end. RecA启动的单链入侵启动的单链入侵第35页/共118页RecA引起的链交换和Holliday结构的生成 第36页/共118页 （2）RecA 蛋白催化双链和单链蛋白催化双链和单链 DNA 的反应阶段的反应阶段a、 联会前阶段（缓慢）联会前阶段（缓慢） RecA 与单链结合与单链结合b、 单链与双螺旋的互补链迅速配对，形成双链连接分子单链与双螺旋的互补链迅速配对，形成双链连接分子 Hol

20、liday（5侵入）侵入）c、 从双螺旋结构中缓慢置换一条链产生一段长的异源双链从双螺旋结构中缓慢置换一条链产生一段长的异源双链 DNA 反应结束时，反应结束时，RecA 结合到双链上结合到双链上 其中其中单链同化有固定的方向单链同化有固定的方向 入侵单链为入侵单链为53 双链双链 DNA 的互补链是的互补链是35第37页/共118页第38页/共118页 RecBCD 和和 RecA 的共同作用的共同作用第39页/共118页 3、原核同源重组的其它蛋白、原核同源重组的其它蛋白 需要需要 E.coli 中三个基因中三个基因 ruvA,ruvB 和和 ruvC 的产物的产物 a、 RuvA 识别识

21、别 Holliday 结构的连接点结构的连接点b、 RuvB 为分枝迁移提供动力（为分枝迁移提供动力（ATPase 1020bp/s） c、 RuvC 核酸内切酶核酸内切酶-专一性识别专一性识别 Holliday 结构的连接点结构的连接点 体外切段连接点以拆分重组体体外切段连接点以拆分重组体第40页/共118页 E.coli 重组的各阶段重组的各阶段 （损伤修复）（损伤修复）损伤损伤DNADNA复复制产生缺口制产生缺口RecARecA链交换链交换第二次链交换第二次链交换DNApolDNApol通过通过DNADNA合成填满缺口合成填满缺口RuvA,BRuvA,B分枝迁移分枝迁移RuvCRuvC切

22、割切割HollidayHolliday连接点连接点第41页/共118页细菌的同源重组 一 、细菌同源重组的特点 细菌的接合、转化以及转导重组都是同源重组，而且这种重组是发生在一个完整的环状双螺旋DNA分子与一个双链或单链DNA分子片段之间的。且重组需要Rec A和Rec BCD蛋白质的参与。 第42页/共118页 细菌的转化重组第43页/共118页细菌的接合与转导中的重组机制 接合重组（Hfr与F-之间进行）部分DNA进入细胞，且只有其中的部分参与重组，需要Rec A和Rec BCD参与，机制与转化重组相似; 转导重组 （phage-DNA与细菌之间）双链DNA与完整双链DNA之间的重组，供体

23、DNA以双链进入受体细胞，并且以双链形式整合进入染色体，需要Rec A和Rec BCD参与。第44页/共118页10.3 10.3 位点专一性重组（ site-specific recombination）第45页/共118页 复习： 特异性转导又称局限性转导（restricted transduction） J. Lederberg & N. Zinder发现 野生型E.coli UV 细胞裂解 K12 () gal 诱导 感染非溶原的gal -品系 基本 106 gal 培养基 选择 转导体第46页/共118页2、局限性/特异性转导指转导噬菌体几乎只转导特定的少数几个基因的现象。局限性转导

24、一般由温和噬菌体介导。如噬菌体只转导gal基因及bio基因。第47页/共118页噬菌体的整合与切离噬菌体噬菌体整合整合溶原化溶原化（原噬菌体）（原噬菌体）准确切离准确切离回复回复差错切离差错切离 d gal(1E-5)其再侵染其再侵染低频转导低频转导（LHT）第48页/共118页 d gal+对gal-细菌的整合： gal+gal-局部双交换形成稳定的gal+重组子（1E-6）； 单交换/整合形成不稳定的部分二倍体（切离可恢复为gal- ）第49页/共118页进一步发现:（1）这些转导子是溶原的，具有）这些转导子是溶原的，具有 “免疫力免疫力” ， 说明什麽？说明什麽？（2）gal 转导子遗传

25、特点不稳定，转导子遗传特点不稳定， 有有1-10又变成又变成gal。表明什麽？表明什麽？ （3）gal转导子在细菌裂解时不能产生转导子在细菌裂解时不能产生 成熟的噬菌体。成熟的噬菌体。作何推论？作何推论？第50页/共118页辅助噬菌体 d gal+ E. coli gal-( () )双重溶源与高频转导第51页/共118页 用紫外线诱导双重溶源菌，会产生约一半的正常噬菌体用紫外线诱导双重溶源菌，会产生约一半的正常噬菌体 和一半的和一半的 dgaldgal转导噬菌体，转导噬菌体，所以它的转导效率很高（所以它的转导效率很高（高频转导 HFT） 。 而单纯的而单纯的 转导噬菌体转导频率只有转导噬菌体

26、转导频率只有1010-6-6第52页/共118页第53页/共118页 下面是中山大学2008级的一位学生的提问： 问题：教材（现代遗传学教程中山大学出版社，2002）163页第一行，说溶源性细菌对同种噬菌体的感染有免疫性，我查资料说免疫的原因是整合位点被占据了，但是167页，“当带有gal+的d gal感染E. coli gal-（）时，d gal和已整合的正常的之间通过单交换进行同源重组可形成双重溶源细菌”。那么说，同种噬菌体是不是也可以通过这种机制感染溶源性细菌呢？如果是的话，那么免疫性岂不是就不存在了？ 【讨论】：我不知道你说的“免疫的原因是整合位点被占据了”对不对，根据盛祖嘉的微生物遗

27、传学（第二版，科学出版社，P229-230）：“免疫性细菌能够吸附同一种噬菌体，但是噬菌体进入细胞后它的复制被已有的原噬菌体所抑制，它成为原噬菌体状态的可能性也被排除。因此，当被感染的细菌分裂成为两个时这一个噬菌体只能进入一个细胞，而当分裂成无数个细胞时，它也只存在于一个细胞中，所以实际上等于消失了，而且也可能在这过程中早已被寄主细胞的酶所分解。”这么说来，溶源性细菌对同种噬菌体的感染有免疫性并不是指同种噬菌体不能感染已带有噬菌体的溶源性细菌，只是不能复制，但它还是有可能整合进染色体上而成为HFT（高频转导）的。第54页/共118页一、位点特异重组（一、位点特异重组（ site-specifi

28、c recombination）1、概念：发生在专一序列的、概念：发生在专一序列的DNA分子间的重组（整合重组）分子间的重组（整合重组）噬菌体基因组整合到细菌染色体基因组中属此种重组噬菌体基因组整合到细菌染色体基因组中属此种重组2、特征：、特征：在在特定的结合序列特定的结合序列部位，有部位，有专一的酶专一的酶催化断裂重接催化断裂重接 -产生精确的产生精确的DNA重排重排都具有整合作用的两个基本特征都具有整合作用的两个基本特征a、典型的保守性重组典型的保守性重组-交换是相互的且保存原先的交换是相互的且保存原先的DNAb、发生在噬菌体和细菌发生在噬菌体和细菌DNA的短而同源的专一序列上的短而同源的

29、专一序列上真核真核 中专一性抗体基因的构建中专一性抗体基因的构建第55页/共118页二、二、phagephage的整合与切除的整合与切除1、实现机制：、实现机制：均是通过均是通过 细菌细菌DNADNA和和DNADNA上特定位点之间的重组上特定位点之间的重组2、特定位点、特定位点-附着位点附着位点（attachment site att）E.coli attB 含含BOB三序列三序列 23bp，位于，位于bio 和和gal基因之间基因之间 B,B,P,P-臂臂核心序列核心序列 “ “O”完全一致完全一致（同源部分）（同源部分） -位点特异性重组发生的地方位点特异性重组发生的地方phage att

30、P 含含 POP三序列三序列 240bp第56页/共118页 通过通过attP和和attB间的相互重组，环状的噬菌体间的相互重组，环状的噬菌体DNA转换为整转换为整合的原噬菌体，原噬菌体通过合的原噬菌体，原噬菌体通过attL和和attR间的相互重组而切离间的相互重组而切离3、整合过程、整合过程第57页/共118页 噬菌体： attP POP 大肠杆菌： attB/ att BOB 1.整合： BOB+ POP BOP + POB 2.切离： BOP+ POB BOB+ POPIntIHFInt,Xis IHF3、整合过程第58页/共118页4、整合分子机制、整合分子机制 核心序列核心序列O全长

31、全长15bp，富含，富含A-T 发生在发生在O内的重组交换位点相距内的重组交换位点相距 7bp 整合酶的结合位点：整合酶的结合位点：attP 240bp、attB 23bp(两者的作用不同两者的作用不同) attP位点的负超螺旋为重组所必须位点的负超螺旋为重组所必须-加强了加强了Int和和IHF的亲和力的亲和力 -高剂量的蛋白维持单链重组所必需的结构高剂量的蛋白维持单链重组所必需的结构 Int结合结合 -核心序列的反向位点（切割位置）核心序列的反向位点（切割位置） -结合在结合在att臂上（臂与核心区靠近）臂上（臂与核心区靠近）第59页/共118页Int蛋白能切断蛋白能切断DNA，并使它重新连

32、接，进而使，并使它重新连接，进而使holliday结构拆分结构拆分重组时重组时attP和和attB部位交叉断裂，互补单链末端进行交叉杂交部位交叉断裂，互补单链末端进行交叉杂交第60页/共118页intIHFXis第61页/共118页整合体及其作用整合体及其作用 整合体（整合体（intasome）- Int和和IHF结合到结合到attP时的复合物时的复合物整合体捕获整合体捕获attB 说明说明- a、attB和和attP的的最初识别靠最初识别靠Int 识别两序列的能力识别两序列的能力 b、两序列的同源性两序列的同源性在链交换时为在链交换时为 重要因素重要因素第62页/共118页5、整合与切除的控

33、制、整合与切除的控制（1） 整合整合C-促使阻遏蛋白促使阻遏蛋白C的产生的产生 -与与int gene 的的PI结合，转录产生结合，转录产生Int蛋白蛋白 -且且PI位于位于xis基因内，基因内，C与与PI结合导致结合导致xis gene失活失活（2） 切除切除寄主寄主SOS反应时反应时-RecA大量产生，促使阻遏蛋白大量产生，促使阻遏蛋白C的水解的水解 -把把OL和和OR从阻遏状态释放出来从阻遏状态释放出来 -从从PL转录使转录使int和和xis表达表达第63页/共118页10.4 异常重组转座转座成分概述 1、转座子(元)或转座元件(transposon or transposable e

34、lement): 基因组中不必借助于同源序列就可自主复制和移位的基本单位 转座（transposition）：由可转座/移位因子介导的DNA重排现象，分复制转座与非复制转座两类。第64页/共118页2、发现和发展、发现和发展1914 A. Emerson 1936 Marcus . M. Rhoabes 玉米果皮、糊粉层花斑突变玉米果皮、糊粉层花斑突变 玉米籽粒糊粉层色素不稳定遗传机理玉米籽粒糊粉层色素不稳定遗传机理 跳跃基因（跳跃基因（jumping gene）1947 冷泉港实验室（美）冷泉港实验室（美） Barbara McClintock第65页/共118页DNA transposab

35、le element10.4.1 Ac-Ds系统（玉米的转座子）第66页/共118页玉米中的控制因子玉米中的控制因子 1938年年Marcus Rhoades首次发现不稳定突变等位基因（首次发现不稳定突变等位基因（unstable mutant allele），），即一种回复突变率很高的等位基因。即一种回复突变率很高的等位基因。不稳定是取决于不连锁的不稳定是取决于不连锁的Dt基因的存在。基因的存在。McClintock, 19401950描述了大量的控制因子描述了大量的控制因子第67页/共118页A1: 控制色素形成Dt: 控制产生斑点第68页/共118页 Marcus Rhoades分析了一

36、种墨西哥玉米的穗，此穗来自于一种籽粒有颜色的纯分析了一种墨西哥玉米的穗，此穗来自于一种籽粒有颜色的纯种自花受粉的玉米，但它在后代中表现出一种意外的双因子杂种修饰性孟德尔分离比种自花受粉的玉米，但它在后代中表现出一种意外的双因子杂种修饰性孟德尔分离比 原来的品系可能为原来的品系可能为A1A1dtdt，突变后产生，突变后产生A1a1Dtdt的植物，自交产生了上述比例。的植物，自交产生了上述比例。 产生斑点的一种可能是在体细胞中产生了回复突变产生斑点的一种可能是在体细胞中产生了回复突变a1A1,但大量的斑点需要很高频但大量的斑点需要很高频率的回复突变。率的回复突变。Rhoades在在a1a1Dt_（

37、花斑）特殊无性种植物的花中找到相应的花药，（花斑）特殊无性种植物的花中找到相应的花药，其花粉应携带回复突变产生色素的基因型，而他用这些花粉与其花粉应携带回复突变产生色素的基因型，而他用这些花粉与a1a1的植株测交，结果有的植株测交，结果有的后代完全是有颜色的。表明在亲本中每个斑点实际上是回复突变的。的后代完全是有颜色的。表明在亲本中每个斑点实际上是回复突变的。 第69页/共118页 这样这样a1成为首次发现的成为首次发现的不稳定突变不稳定突变等位基因（等位基因（unstable mutant allele）的）的例子。即一种例子。即一种回复突变率很高回复突变率很高的等位基因。然而这种等位基因的

38、的等位基因。然而这种等位基因的不稳定是取决于不不稳定是取决于不连锁的连锁的Dt基因的存在基因的存在。一旦回复突变发生，它们就变得稳定了；即。一旦回复突变发生，它们就变得稳定了；即Dt基因能离开基因能离开A1基因基因，这时，这时A1表型不再改变。这样表型不再改变。这样a1表型是由一个缺陷型的转座因子的插入而产生表型是由一个缺陷型的转座因子的插入而产生也就顺理成章了（缺陷的转座因子自己并不能移动）。也就顺理成章了（缺陷的转座因子自己并不能移动）。Dt的缺乏使得表型保持稳定。的缺乏使得表型保持稳定。第70页/共118页叶片的花斑表型Phoades将基因将基因型型a1/a1;Dt/-的的玉米发芽，检测

39、玉米发芽，检测它们是否带有在它们是否带有在各组织中产生色各组织中产生色素斑的基因素斑的基因第71页/共118页玉米籽粒的花斑第72页/共118页Ac-Ds系统第73页/共118页10.4.2.1 基因转座现象的再次发现与证实基因转座现象的再次发现与证实 在一个在一个操纵子操纵子/元元中，中， 与与操作子操作子毗邻的结构基因发生毗邻的结构基因发生终止突变后，它除了影响该基因本身产物的翻译外，终止突变后，它除了影响该基因本身产物的翻译外，还影响其后结构基因多肽的翻译，并且具有极性梯还影响其后结构基因多肽的翻译，并且具有极性梯度的特征。度的特征。 插入型极性突变的发现与机理插入型极性突变的发现与机理

40、 （1967 Shapiro）Operon & Polarity Mutation 极性突变的基本概念极性突变的基本概念10.4.2 原核生物中的转座子原核生物中的转座子第74页/共118页证实转座因子的实验证实转座因子的实验 (1) 密度梯度离心实验密度梯度离心实验: dgl m插入型极性突变体密度大 可能存在小的插入片段第75页/共118页 dgl+/ dgl m杂合双链DNA的电镜照片。出现了棒糖状结构证实存在插入序列/转座子(2) 分子杂分子杂 交实验交实验第76页/共118页第77页/共118页 dgal+/ dgal m杂合双链DNA中的茎环结构第78页/共118页原核生物的转座子

41、种类原核生物的转座子种类两种类型：两种类型： 简单转座子（简单转座子（simple transposon） （插入序列插入序列 insertion sequence IS ） 复合转座子（复合转座子（composite transposon Tn）共同特征：共同特征： a）两端有）两端有2040bp的的IR b）具有编码）具有编码转座酶转座酶（transposase）的基因）的基因10.4.2.2 插入序列插入序列最简单，是细菌染色体、质粒和某些噬菌体的正常组分最简单，是细菌染色体、质粒和某些噬菌体的正常组分命名：命名： IS编号（鉴定类型）编号（鉴定类型） 长度长度 7002000bp第79

42、页/共118页第80页/共118页1 1）插入序列(IS)(IS)ISIS是最简单的转座子，不含有任何宿主基因，它们是细菌染色体或质粒DNADNA的正常组成部分。：IS1 IS1 第81页/共118页特点：特点： a）两端）两端IR为转座酶的识别位点（突变）为转座酶的识别位点（突变） b）插入靶位点后会出现靶位点的正向重复（）插入靶位点后会出现靶位点的正向重复（39bp）第82页/共118页第83页/共118页表 23-4 IS 的结构和功能DR(bp)IR(bp)中心区域(bp)靶的选择拷贝数IS 1923768随机58IS25411327热点5 (在 F因子上为1)IS4111318142

43、8AAN20TTT1 或 2IS54161195热点？IS10R9221329NGCTNAGCNIS50R991531热点IS9039181057随机第84页/共118页 F 因子 (F-factor) 转 重 移 IS3 组 IS3 区 区 O IS2 P OriT OriV 复 区 制 F因子的结构因子的结构 (1)重组区；重组区； (2)复制区复制区: 2个复制起点个复制起点 (3)接合转移区接合转移区第85页/共118页F 因子/质粒与R质粒的结构第86页/共118页F因子整合进入染色体,形成Hfr株第87页/共118页含有含有Is的质粒经变性后形成柄环结构的质粒经变性后形成柄环结构第

44、88页/共118页IS 可以正反方向插入到可以正反方向插入到DNA（宿主、质粒或某些噬菌体）（宿主、质粒或某些噬菌体）中，常对插入位点后面的基因表达功能产生极性效应。中，常对插入位点后面的基因表达功能产生极性效应。第89页/共118页2) 复合转座子, Tn复合转座子是一类带有某些抗药性基因（或其他宿主基因）的转座子，其两翼往往是两个相同或高度同源的ISIS序列。第90页/共118页复合转座子的转座能力由复合转座子的转座能力由IS 决定决定第91页/共118页 表 23-5 复合转座子的结构和功能转 座因子长 度(bp)遗 传标记末 端 组件方向二组件的关系组件的功能Tn9033100KanR

45、IS903反向相同二者皆有功能Tn92500CamRIS 1正向推测相同预计有功能Tn109300TetRIS 10R有功能IS 10L反向有 2.5%的差异无功能Tn55700KanRIS 50R有功能IS 50L反向1 bp 的改变无功能第92页/共118页a) Tn / TnA family a) Tn / TnA family l 具有具有IR、转座酶基因、转座酶基因、 调节基因（解离酶）、抗抗生素基因调节基因（解离酶）、抗抗生素基因 l Tn1 (AmpR) Tn2 (AmpR) Tn3 (AmpR) Tn4 (AmpR StrR) Tn5 (KanR) Tn6 (kanR) Tn7

46、 (StrR TmpR) Tn9 (CamR) Tn10 (TetR) 2.5 kb 20 kb Tn3 IR TnpA Res TnpR AmpR IR 38bp 38bp 转座酶转座酶 regulator - 内酰胺酶内酰胺酶 2、复合转座子、复合转座子两种类型两种类型第93页/共118页 b）两端重复序列为）两端重复序列为IS的复合转座子的复合转座子 e.g. IS插入到功能基因两端，可能形成复合转座因子插入到功能基因两端，可能形成复合转座因子IS ISIS IS L IS R臂臂 中心区中心区 臂臂transposition第94页/共118页两侧的两侧的IS既可以既可以是是IR，又可

47、以是，又可以是DR状态（状态（IR多）多）当两个当两个IS组件相组件相同时，其中任一同时，其中任一个都可行使转座个都可行使转座功能；功能；不同时，主要依不同时，主要依靠一个。靠一个。第95页/共118页3 转座噬菌体转座噬菌体 Mu phageMu phage （巨型转座子（巨型转座子 ） C repressor for A, Brepressor for A, BB 33 kd 与转座有关与转座有关A 70 kd 转座酶转座酶U, S 毒性蛋白毒性蛋白attL, attR 与寄主同源，反向重复，转座必需与寄主同源，反向重复，转座必需 Gin G区倒位酶区倒位酶 att L C A B S U

48、 att R 150bp 1.5kb G 倒位区倒位区 38kbPgin以以E.coli 为寄主的温和型噬菌体（溶源、裂解）为寄主的温和型噬菌体（溶源、裂解）第96页/共118页Mu的插入途径的插入途径a） 侵入的侵入的Mu在溶源化过程中任意插入寄主在溶源化过程中任意插入寄主DNA （两侧各（两侧各5bp的靶位点序列重复）的靶位点序列重复）b） 进入进入裂解生长后，复制产生后代裂解生长后，复制产生后代Mu DNA几乎几乎全部插入寄主全部插入寄主DNA中，并可继续转座（形成寄主中，并可继续转座（形成寄主DNA和和Mu的共合体），噬菌体成熟时，切断共合体的共合体），噬菌体成熟时，切断共合体包装。包

49、装。第97页/共118页a) 不依赖不依赖供体序列供体序列与靶点间序列的同源性与靶点间序列的同源性b) 转座不是简单的转移，涉及转座子的复制转座不是简单的转移，涉及转座子的复制HotHot spotsspots (热点热点)Regional preferenceRegional preference ( 在在3kb区域内的随机插入区域内的随机插入) d) 某些转座因子（某些转座因子（Tn3）对同类转座因子的插入具有排）对同类转座因子的插入具有排他性（免疫性）他性（免疫性）e) 靶序列在转座因子两侧会形成正向重复靶序列在转座因子两侧会形成正向重复 f) 转座因子的切除与转座将产生复杂的遗传学效应转座因子的切除与转座将产生复杂的遗传学效应3、转座重组的特点、转座重组的特点c) 转座插入的靶点并非完全随机（插入专一型）转座插入的靶点并非完全随机（插入专一型）第98页/共118页三、转座子的转作机制及模式三、转座子的转作机制及模式三种类型：复制型和非复制型三种类型：复制型和非复制型1、复制型转座模式、复制型转座模式实质：转座子元件被复制并被移动到受体位点，最终转座过程实质：转座子元件被复制并被移动到受体位点，最终转座过程 扩增了转座子的拷贝（供点、受点）扩增了转座子的拷贝（供点、受点）需两种酶：需两种酶： 转作酶（作用于原拷贝两末端）转作酶（作用于原拷贝两末端） 解离酶（作