遗传重组机制ppt课件

1、第四章 遗传重组genetic recombination重要性：它是产生变异和进化的主要力量之一，其机制研讨有助于了解变异产生的缘由，是学业考试的重点之一。关键掌握：1、概念、类型以及分子机制；2、基因转变的概念与机制; 3、转座子的种类、特点、机制、遗传学效应及运用。参考：Daniel L. Hartl Chapter 6 Molecular biology of DNA replication and recombination广义上，任何呵斥基因型变化的基因交流过程。非同源染色体的自在组合：不涉及DNA分子内的断裂-复合。狭义上，指涉及DNA分子内断裂-复合的基因交流过程，有时也叫交换

2、crossing over。第一节、遗传重组的类型根据对DNA序列和蛋白质因子的要求分为: 同源重组 位点专注性重组 转座作用 异常重组1. 同源重组homologous recombination需求：1较大范围的DNA同源序列；2非碱基序列特异的重组蛋白质因子RecA例：非姐妹染色单体间的交换、细菌的转化、转导、结合等。2. 位点专注性重组site-specific recombination需求：1小范围的特异同源序列；2位点专注性蛋白质因子。例： 噬菌体DNA经过其attP位点与大肠杆菌DNA的attB位点之间的重组。3. 转座transposition转座因子从染色体的一个区段转移到

3、另一个区段或者从一个染色体转移到另一个染色体上。不需求同源序列和RecA， 需求转座酶，常伴随着复制，也叫复制重组replicative recombination。4. 异常重组illegitimate recombination不需求DNA序列同源性、RecA和转座酶。了解不多特殊重组目前虽然无法对遗传重组直接进展分子程度分析，但根据： 对DNA生物化学特性的分析； 对减数分裂过程中染色体行为和重组发生的性状察看； 对离体重组系统的研讨；出现了旨在解释DNA同源重组的模型。1、 同源重组的模型第二节、同源重组的机制A、Holliday 模型：美国人R. Holliday 在1964年提出。

4、a减数分裂前期I，同源的非姐妹染色单体DNA配对；b非姐妹染色单体方向一样的两条单链，在核酸内切酶作用下，在一样位置上同时切开，出现断裂；c,d 切开的单链交换重接，构成一个交联桥；e, f交联桥挪动，在两个DNA分子上各构成一段异源双链区；g 染色体构型发生一定变化；(g, h, i ) 交联桥旋转，构成十字构形Holliday中间体；( j ) 十字构形中2条单链坚持完好，另2条单链出现断裂；( k,l ) DNA修补合成.两个单体DNA能否出现重组与交联桥的断裂方式有关。但无论重组与否，都新出现有一段异源双链DNA，这是发生基因转变的遗传根底。故该模型也叫异源或杂合DNA模型。how t

5、o think about this problem.BRANCH MIGRATIONROTATE PERSPECTIVEBREAKSconversion“horizontal breakageBRANCH MIGRATIONROTATE PERSPECTIVEBREAKShow to think about this problem.recombination“vertical breakage这一模型涉及到两次断裂和重接： 前一次断裂、重接和分支迁移呵斥了异源双链； 后一次断裂和重接那么决议能否出现重组。假设两次发生在一样的两条链上，只呵斥异源双链，在这段异源双链区两侧的遗传学位点将不会发

6、生重组；假设两次断裂重接涉及四条单链，那么除了有异源双链区之外，在这段异源双链区两侧的遗传学位点还将发生重组。B、Meselson-Radding 模型该模型由M. Meselson 和C. Radding在Holliday模型的根底上修正的，与后者的主要区别：1开场只在单个染色体上呵斥切割。Holliday模型是在两个染色体上都呵斥切割。2按照 Meselson-Radding 模型，异源双链区可以只发生在两个染色体的其中之一上，也可以发生在两个染色体上，取决于交联桥能否迁移。a切割b链置换c链侵入d噜噗切除e衔接f分支迁移C Double-strand break DSB) model 两

7、个交联桥以同样方式切割只构成断口两侧的异源双链区，没有重组；两个交联桥以相反的方式切割，那么除了有异源双链区外，也发生重组。1非姐妹染色单体的一条双链断裂；2从5降解，产生3游离单链；3一3游离单链 侵入取代同向完好链43 单链延伸5被取代的完好链与另一游离链配对；6底链进展DNA的合成7缺口结合构成两个Holliday 中间体DSB更接近现实的缘由：1Homologous recombination is often initiated by double-strand break (DSB) in DNA, not by aligned nicks of Holiday model.同源重

8、组通常由DSB引发2DSB occurs relatively frequently, but the aligned nicks not.DSB景象常见2、Holliday中间体存在的证据人们在研讨大肠杆菌的环形DNA质粒时发现了一种8字形重组构造两个环形质粒重组中间体。“8构造经酶切后有4条臂，犹如希腊字母，因此称作Chi构造。在酵母菌等多种生物中也发现了类似的构造。Chi构造的发现直接验证了重组中Holliday中间体的存在。3. 基因转变及机理无性繁衍：分生孢子萌生，菌丝生长构成菌丝体n；有性繁衍：不同交配型A和a产生分生孢子散落在不同交配型子实体的受精丝上，进入子实体后交融成2n核A

9、a。2n核行减数分裂，获得一个细胞内含有4个单倍体的产物，产物按照一次减数分裂的结果呈直线顺序陈列，称为顺序四分子。再经一次有丝分裂，在子囊中产生8个单倍体的子囊孢子，子囊孢子成熟后萌生长成新的菌丝体。粗糙链孢霉Neurospora crassa的繁衍方式：Production of ordered tetrads of Neurospora.AaAaSegregation patterns in Neurospora.Photomicrograph showing segregation of dark and light ascospores in Neurospora.5:36:24:4

10、基因转变gene conversion)正常情况下构成子囊孢子的分别应该是 4:4 ，但有的时候会发现异常的分别比。这与基因转变有关：在重组过程中，一个基因变为它的等位基因的景象叫做基因转变。基因转变机理异源双链DNA模型Holliday模型可以很好地解释基因转换发生的机理。景象：基因转变景象经常和临近基因的重组相伴发生。解释：能够发生基因转变的基因正好位于异源双连区。例如 g+ x g杂交中 ，假设两基因有一对碱基之差以下图：A C A G TT G T C AA C A T TT G T A Ag+g -A C A G TT G T A AT G T C AA C A T T或者异源双连区

11、是：能够的校正方式：GAGCTA(+)(g)有丝分裂+-GA+-校正到+校正到-不校正修正发生在减数分裂之后，有丝分裂之前CTCGAT(+)(g)校正到+校正到-不校正CT有丝分裂+-+- G/C= +A/T= g两个杂种分子都未校正一个杂种分子校正为+ 或 g/+两个杂种分子都校正为+ 或 g异常的44 两个杂种分子分别校正为+ 和 g异源源双链区基因转变的本质：重组过程中留下的部分异源双链区，在细胞内的修复系统错配修复识别下，不同的修复/不修复产生的结果。不同的修复会产生不同的结果。识别错配识别对错： GATC有甲基化的为对错配酶与未甲基化的GATC和新链错配处结合错配修复酶切除包括错配碱

12、基的部分新链聚合修补并衔接关键点：对模板认定正确：完全修复；错误，产生突变第三节、位点专注性重组噬菌体侵入大肠杆菌细胞后，面临着裂解生长还是溶源生长的选择;进入溶源形状需求DNA整合进寄主DNA,由溶源形状进入裂解生长需求DNA从寄主DNA切除下来;这里的整合和切除都是经过细菌DNA和DNA上位点专注性重组实现的。这些专注性位点叫做附着点attachment site，简写为att。 噬菌体侵染周期位点专注性重组过程attBattP整合酶Int切除酶Xis整合宿主因子(IHF)attB和attP位点处的序列，O序列叫做中心序列，全长15bp，富含AT碱基对，在attB和attP中完全一致。第四

13、节、转座因子转座因子实际推翻了经典遗传学关于基因座位是固定的观念，是一种革命性的实际人们把麦氏的成就比之为一百年前另一位伟大的遗传学家孟德尔的成就。1983年,美国遗传学家BMcClintock因在发现转座因子方面的艰苦奉献，被授予诺贝尔医学奖。1951年，在冷泉港生物学专题讨论会上， McClintock报告了遗传基因可以改动本身位置，她称之为“转座子 。转座实际遇寒冬当时占统治位置的实际以为基因以一定的顺序在染色体上作线性陈列，彼此之间的间隔非常稳定；常规的交换和重组只发生在等位基因之间，并不扰乱这种间隔； 除了发生频率低的染色体倒位和相互易位等畸变可以改动基因的位置外，人们无法想象基因会

14、从一处腾跃到另一处。转座实际被接受上世纪70年代后在生物中发现了更多可挪动的遗传因子；从而麦氏的实际被人们重新提起并得到了验证，80年代初麦氏实际为科学界普遍接受。她走在时代前面四十年，同时也为此冷落斗争了四十年。 转座因子是可以在染色体内或染色体间(以及细菌染色体与质粒间改动位置的一段脱氧核糖核酸序列。目前以为“转座的命名并不准确。在转座过程中，转座因子的一个拷贝常留在原位置上，在新位点上出现的仅是新拷贝。因此，转座过程实践上是依赖于DNA复制的重组过程。1940初，McClintock发现这一突变与染色体重组断裂、解离有关。一、麦氏的任务染色体的断裂、解离(dissociation)有一个

15、特定位点(Ds)；但Ds并不能自行断裂、解离，受一个激活因子Ac(activator)控制，而Ac即可以正常传送，也可以转移座位。Ds只需在Ac存在时才干挪动，McClintock把Ac和Ds称为控制因子或转座因子。Emerson1914发现一种玉米果皮色素遗传特殊突变体-花斑条纹果皮，这种突变可以发生多次突变和回复，缘由不清。在单个胚乳细胞中跳来跳去，构成花斑胚乳转座因子假设在质粒上，将质粒加热变性，两条链各自复性，会构成茎环构造。 二、转座因子存在的直接证据三、转座因子的分类和构造它是一类最小的转座因子，除有转座酶基因外，普通不含其它基因，大小在7681530 bp；它们是细菌基因组或质粒

16、DNA的正常组成部分；一个细菌细胞常带有少于10个IS序列。一、原核生物的转座因子根据分子构造与遗传特性可以分为三类：1插入序列insertion sequence，IS虽然IS大小不同，但有共同特征：在IS两末端都有一段短的反向反复序列IR，长度不一。反向反复序列举例：TGAAAACTTT:TTTCAAAAGT所以，含有IS的质粒经变性后，分别以单链复性，在电镜下出现茎环构造：茎的部分是 ，大环是 ，小环是 。当IS插入靶DNA后，导致在插入片段两侧出现靶片段的反复。2. 转座子transposon含有转座酶基因外，还带抗药或其它基因。转座子又可以分为两类：.复合转座子：IS因子抗菌素抗性片

17、段IS因子 。IS因子可以是反向反复构型或同向反复构型。一样复合式转座子Tn9的构造复合转座子中的IS序列既能单独转座，又能带动整个复合体转座。与以下两个要素有关：A、在非选择压力下，两个IS间隔越大，IS本身转座的能够性越大，复合转座子转座的频率越小。B、在选择压力下，复合转座子整体转座的频率会明显添加。.有些转座子末端并不是IS，而是反向反复序列，这类叫复杂转座子Complex transposon，称TnA族。如Tn3系转座子：长约5 kb，末端有一对38 bp IR序列，不含IS因子序列。有3个基因：一个是编码对氨苄青霉素抗性的内酰胺酶(-lactamase)基因，TnpA担任转座,

18、TnpR编码TnpA的阻遏蛋白。 3.转座噬菌体Mu噬菌体是E.coli的温暖噬菌体，溶源化后能起转座子作用。Mu噬菌体也含有与转座有关的基因和反向反复序列。Mu可以整合进寄主染色体任何部位不同于 ，催化一系列染色体的重新陈列。转座的机制主要是复制型转座，有时也切离转座。二、真核生物的转座因子： 1、分类与构造玉米籽粒色斑的产生、果蝇复眼颜色的变异、啤酒酵母接合的转换等景象都与转座因子在染色体上的转座有关。玉米除Ac-Ds系统外，Spm控制因子也有自主控制因子+非自主控制因子。Ac由4563个核苷酸组成：一个由11个核苷酸组成的末端反向反复区+两个与转座有关的酶基因一个大基因和一个小基因。Ds

19、因子的大小差别很大。Ds9很象Ac，只是缺失了194个核苷酸。而一个最小的Ds因子只需Ac长度的1/10，仅仅包括了Ac因子的未端反向反复区以下图果蝇的转座因子有Copia、412与297等；转座子未端序列是转座酶识别位点保守性很强。3、酵母的Ty Transposon yeast两端是340 bp的同向反复，称为元件。TyA编码DNA结合蛋白，TyB编码反转录酶、整合酶等。Ty元件是典型的反转录转座子，需求经过RNA 中间体进展转座。Solo可判别Ty插入事件：四、转座的机理一反转录转座进展此种转位的是反转录转座子，如酵母的Ty1。1、该因子先转录为RNA中间体；2、该转录本指点一种反转录酶

20、的合成，后反转录出双链DNA；3、在整合酶的作用下整合到染色体的随机位点。整个过程同反转录病毒早期感染类似。广泛存在于酵母、果蝇和哺乳动物中二切离转座在切离转座中，原始转座子作为一个可挪动的实体直接从染色体的一个位点转移到另一个位点。如IS序列、玉米的Ds等。特异的转位酶附着于两端的反向反复序列，使转位子切离下来，整合到另一个位置；原来切口被封锁，但往往在该处发生突变。三复制转座细菌转座子的转座机制研讨最为清楚。复制性转座是一个非同源重组的过程，经过这一重组，转座子出如今一个新的位置上，可是原来位置上的转座子并不消逝，所挪动和转位的是原转座子的拷贝。Tn类转座主要是这种方式。J.A Shapiro的复制转座模型1切开2衔接3复制4重组TnTn位点专注性重组五、转座的遗传效应1、转座引起插入基因突变或失活；2、转座产生新的基因；例如：外显子改组3、转座导致染色体畸变，添加新的变异 如切离效应：4、转座呵斥同源序列