并购重组-6DNA重组-

2024/4/312024/4/21DNA重组（recombination）是指发生在DNA分子内或DNA分子之间核苷酸序列的交换、重排和转移现象，是已有遗传物质的重新组合过程。它主要有同源重组、位点特异性重组和转座重组三种形式。作用：生物体通过重组，既可以产生新的基因或等位基因的组合，还可能创造出新的基因，使种群内遗传物质的多样性提高；此外，重组还被用于DNA损伤的修复，而某些病毒利用重组将自身的DNA整合到宿主细胞的DNA上。2024/4/32DNA重组（recombination）是指发生在DNA分子

2024/4/332024/4/23由文特尔召集、诺贝尔医学奖得主汉米尔顿.史密斯领导的二十人精英小组首次制出了合成染色体，染色体含有三百八十一个基因、五十八万个basepair的基因密码。2024/4/34由文特尔召集、诺贝尔医学奖得主汉米尔顿.史密斯领导的二十人精新生命体拥有人工DNA这组染色体的DNA序列基本上参照一种名为生殖支原体(MycoplasmaGenitalium)的细菌。研究员把它的DNA序列简化了五分之一，只剩下足以维持生命的基本部分。2024/4/35新生命体拥有人工DNA20研究小组已把这组染色体植入一个活菌细胞中，成为一个近乎全新的生命体。2024/4/36研究小组已把这组染色体植入一个活菌细胞中，成为一个近乎全新的这个新生命体的细胞自我复制和新陈代谢的能力，和接受移植的细胞相关。

文特尔强调：“我们将从读取基因序列阶段跃升到有能力编写，这将赋予我们做一些从前从未想过的事情的能力。”

2024/4/37这个新生命体的细胞自我复制和新陈代谢的能力，和接受移植的细胞制造设计基因组的技术未来可能会带来非常可观的裨益：用来制造人们目前意想不到的替代能源，像纯粹用蔗糖分解的丁烷和丙烷；或者创造出能吸收二氧化碳的细菌，以纾缓全球暖化。2024/4/38制造设计基因组的技术未来可能会带来非常可观的裨益：2024/同源重组（homologousrecombination）也称为一般性重组（generalrecombination），它是一种在两个DNA分子的同源序列之间直接进行交换的重组形式。同源重组不依赖于序列，但依赖于序列同源性。2024/4/39同源重组（homologousrecombination）同源重组的发生必须满足以下几个条件：（1）在进行重组的交叉区域含有完全相同或几乎相同的核苷酸序列；（2）两个双链DNA分子之间发生互补配对；（3）需要特定的重组酶的催化；（4）形成异源的双链；（5）发生联会（synapsis）。2024/4/310同源重组的发生必须满足以下几个条件：（1）在进行重组的交叉区图6-1同源重组的Holliday模型

一、同源重组的分子机制2024/4/311图6-1同源重组的Holliday模型一、同源重组的分图6-2电镜下的Holliday连接

2024/4/312图6-2电镜下的Holliday连接2024/4/21图6-3同源重组的双链断裂模型

2024/4/313图6-3同源重组的双链断裂模型2024/4/213以E.coli为例：（一）RecA蛋白RecA蛋白是同源重组中最重要的蛋白质，参与E.coli所有的同源重组途径。2024/4/314以E.coli为例：2024/4/214RecA的主要功能包括：（1）促进2个DNA分子之间的链交换；（2）参与SOS反应—作为共蛋白酶（co-protease）促进LexA蛋白的自水解。2024/4/315RecA的主要功能包括：2024/4/215图6-4RecA蛋白促进2个双链DNA分子链之间的交换

2024/4/316图6-4RecA蛋白促进2个双链DNA分子链之间的交换（二）RecBCD蛋白又称为RecBCD酶，由RecB、RecC和RecD三个亚基组成，具有5种酶的活性，即外切核酸酶V、解链酶、核酸内切酶、ATP酶和单链DNA外切酶。2024/4/317（二）RecBCD蛋白2024/4/217图6-5RecBCD酶的在同源重组中的作用

产生单链DNA，为RecA发挥作用创造条件，由此最终起动了链交换和重组反应2024/4/318图6-5RecBCD酶的在同源重组中的作用产生单链DNχ序列是一段特殊的碱基序列，其一致序列是5′-GCTGGTGG-3′，它的存在能显著提高重组的频率。在重组中的作用是调节RecBCD的酶活性，刺激RecBCD重组途径。据估计，E.coli整个基因组含有1000个以上的χ序列。2024/4/319χ序列是一段特殊的碱基序列，其一致序列是5′-GCTGGT（三）RuvA、RuvB和RuvC蛋白2024/4/320RuvA、RuvB和RuvC在同源重组中的作用

（三）RuvA、RuvB和RuvC蛋白2024/4/220R图6-6RuvC的作用模型

2024/4/321图6-6RuvC的作用模型2024/4/2214.其它同源重组蛋白在E.coli中大概有30种蛋白质与同源重组有关，除了上面详细介绍的几种以外，还有：RecE，RecJ，RecQ，RecF，RecR，RecT，RecG，Rus，RecN，SbcA，SbcB，SbcC，SbcD，DNA拓扑异构酶I；DNA旋转酶；连接酶；聚合酶I；DNA解链酶II；DNA解链酶IV；SSB。2024/4/3224.其它同源重组蛋白2024/4/222E.coli主要有三条同源重组途径，其中的许多成分是SOS-诱导的，这意味着它们在细胞中正常的功能可能是重组介导的DNA修复。用于基因工程的某些菌株其参与重组的基因几乎都无活性，这有利于防止大的质粒之间和质粒与染色体之间发生不必要的重组。2024/4/323E.coli主要有三条同源重组途径，其中的许多成分是SOS三、E.coli几种重要的同源重组途径

（一）RecBCD途径这是E.coli最主要的重组途径。除了RecBCD蛋白以外，还需要RecA、SSB、RuvA、RuvB、RuvC、DNA聚合酶I、连接酶和旋转酶。此外，还需要χ序列.2024/4/324三、E.coli几种重要的同源重组途径

（一）RecBCD图6-8RecBCD同源重组途径

2024/4/325图6-8RecBCD同源重组途径2024/4/225（二）RecF途径和RecE途径RecF途径主要是质粒之间进行重组的途径。2024/4/326（二）RecF途径和RecE途径2024/4/226四、真核生物的同源重组主要发生在细胞减数分裂前期I的两个配对的同源染色体之间（非姊妹染色单体），先在细线期和合线期形成联会复合体，再在粗线期进行交换。也会发生在DNA损伤修复之中，主要用以修复DNA双链断裂、单链断裂和链间交联等损伤。2024/4/327四、真核生物的同源重组2024/4/2272024/4/328如果不发生交换，则减数分裂受阻，以确保在交换发生之前细胞不能分裂。2024/4/228如果不发生交换，则减数分裂受阻，以确保在图6-9真核细胞DNA双链断裂的重组修复

2024/4/329图6-9真核细胞DNA双链断裂的重组修复2024/4/是指发生在DNA特异性位点上的重组。参与重组的特异性位点需要专门的蛋白质识别和结合。2024/4/330是指发生在DNA特异性位点上的重组。2024/4/230位点特异性重组的功能包括：（1）调节噬菌体DNA与宿主菌染色体DNA的整合；（2）调节特定的基因表达；（3）调节胚胎发育期间程序性的DNA重排。2024/4/331位点特异性重组的功能包括：2024/4/231第一例位点特异性重组发现在E.coli染色体DNA和λ噬菌体DNA之间。λ噬菌体感染E.coli以后，其DNA通过两端的粘性位点（cos位点）自我环化，并在DNA连接酶的催化下实现共价闭环。随后，噬菌体必须在裂解途径和溶源途径做出选择。2024/4/332第一例位点特异性重组发现在E.coli染色体DNA和λ噬菌如果选择裂解途径，噬菌体会在较短的时间内通过滚环复制大量增值，并导致宿主菌裂解；如果是溶源途径，噬菌体DNA就以位点特异性的重组整合到宿主染色体DNA上，进入到原噬菌体状态。在这期间，噬菌体几乎所有的基因都不表达。如果选择裂解途径，噬菌体会在较短的时间内通过滚环复制大量增值图6-11λ噬菌体的位点特异性整合

2024/4/334图6-11λ噬菌体的位点特异性整合2024/4/234图6-12λ噬菌体重组整合或切除时切点的序列

2024/4/335图6-12λ噬菌体重组整合或切除时切点的序列2024/转座重组（transpositionrecombination）是指DNA上的核苷酸序列从一个位置转移到另外一个位置的现象。发生转位的DNA片段被称为转座子（transposons）或可移位的遗传元件，有时还被称为跳跃基因（jumpgene）。2024/4/336转座重组（transpositionrecombinati与前两种重组不同的是，转座子的靶点与转座子之间不需要序列的同源性。接受转座子的靶位点绝大多数是随机的，但也可能具有一定的倾向性（如存在一致序列或热点），具体是哪一种与转座子本身的性质有关。2024/4/337与前两种重组不同的是，转座子的靶点与转座子之间不需要序列的同转座重组可以导致突变，如果插入到一个基因的内部，很可能导致基因的失活；如果插入到一个基因的上游，又可能导致基因的激活。2024/4/338转座重组可以导致突变，如果插入到一个基因的内部，很可能导致基图6-14转座子对基因X的可能影响

2024/4/339图6-14转座子对基因X的可能影响2024/4/239一、原核生物的转座子人们最早在E.coli内发现转座现象，首先被发现的转座子是插入序列（insertionsequences，IS）。迄今为止，在细菌内已发现四类转座子。2024/4/340一、原核生物的转座子2024/4/240（一）第一类转座子

即IS，它们是最简单的转座元件，具有以下特征：（1）长度较小，通常在700bp~1800bp之间；（2）两端通常含有10bp~40bp长的IR(invertedrepeats)序列；（3）内部一般只有一个基因，其表达产物只与插入事件有关，是专门催化转位反应的转座酶（tnpA），缺乏抗生素或其它毒性抗性基因；2024/4/341（一）第一类转座子2024/4/241图6-15第一类转座子的结构

2024/4/342图6-15第一类转座子的结构2024/4/242（4）通过“剪切”和“粘贴”的方式进行转座，转座结束后可导致靶位点序列重复（参看图6-16）。（5）有少数（如IS91）没有明显的IR序列，通过滚环复制和粘贴的方式进行转座。

2024/4/343（4）通过“剪切”和“粘贴”的方式进行转座，转座结束后可导致图6-16第一类转座子的转座机制

2024/4/344图6-16第一类转座子的转座机制2024/4/244（二）第二类转座子又称为复杂型转座子，具有以下特征：（1）较长，长度在2.5Kb~20Kb之间；（2）两侧含有35bp~40bp长的IR序列；（3）内部通常含有不止一个结构基因。常见的结构基因包括：tnpA—编码转座酶，tnpR—编码解离酶，一个或几个特定的抗生素抗性基因；（4）转座以后导致约5bp长的靶位点序列发生重复，结果导致在转座子两侧产生直接重复序列。2024/4/345（二）第二类转座子2024/4/245图6-17第二类转座子的结构

2024/4/346图6-17第二类转座子的结构2024/4/246表6-2几种第二类转座子的特征2024/4/347表6-2几种第二类转座子的特征2024/4/247（三）第三类转座子又名复合型转座子（compositetransposon）2024/4/348图6-18第三类转座子的结构

（三）第三类转座子2024/4/248图6-18第三类转（四）第四类转座子这一类转座子最为典型的是Mu噬菌体，它是E.coli的一种温和性噬菌体，具有裂解和溶源循环生长周期。在其复制的时候，它通过复制型转位随机插入到宿主DNA的其它区域，很容易诱发宿主细胞的各种突变，因此它有时被称为诱变子（mutator）。2024/4/349（四）第四类转座子2024/4/249二、真核生物的转座子一般可以根据转座的机理将真核转座子分为二类：第一类是需要RNA中间体的反转座子（retrotransposons）或逆转座子，其转座过程是DNA→RNA→DNA，中间有一环节是反转录反应；第二类是无RNA中间体的DNA转座子，其转座过程是DNA→DNA。2024/4/350二、真核生物的转座子2024/4/250DNA转座子还可以进一步分为复制型DNA转座子保留型DNA转座子2024/4/351DNA转座子还可以进一步分为2024/4/251例：玉米的Ac-Ds系统2024/4/352例：2024/4/252图6-23逆转座子的转座机制

2024/4/353图6-23逆转座子的转座机制2024/4/253三、转座的分子机制2024/4/354图6-26由DDE转座酶介导的转座子三种剪切方式三、转座的分子机制2024/4/254图6-26由DDEDNA重组是指发生在DNA分子内或DNA分子之间核苷酸序列的交换、重排和转移现象，主要包括同源重组、位点特异性重组和转座重组。同源重组是两个DNA分子的同源序列直接进行交换。细菌的接合、转导、转化和真核细胞的同源染色体之间的交换等都属于同源重组。解释同源重组的模型有Holliday模型、Aviemore模型（单链断裂模型）和双链断裂模型。三种模型在重组过程中形成χ状的Holliday连接是一致的。同源重组的基本步骤包括：链断裂与切除、链侵入、退火与合成、形成Holliday结构、Holliday连接的分离和交换。2024/4/355DNA重组是指发生在DNA分子内或DNA分子之间核苷酸序列的参与E.coli同源重组有关的蛋白质包括：RecA蛋白、RecBCD蛋白、RuvA、RuvB和RuvC蛋白等。RecA蛋白参与E.coli所有的同源重组途径。RecA的主要功能有促进2个DNA分子之间链的交换，以及作为共蛋白酶促进LexA阻遏蛋白的自我水解。RecBCD蛋白由RecB、RecC和RecD三个亚基组成，具有外切核酸酶V、解链酶、核酸内切酶、ATP酶和单链DNA外切酶共五个酶活性。RuvA蛋白能识别Holliday连接，协助RuvB蛋白催化分叉的迁移。RuvB蛋白是一个解链酶，其功能是催化Holliday连接中分叉的迁移。RuvC蛋白是一种特殊的核酸内切酶，催化Holliday连接的分离，因此被称为解离酶。2024/4/356参与E.coli同源重组有关的蛋白质包括：RecA蛋白、R发生在E.coli的同源重组途径有RecBCD途径、RecF途径和RecE途径。真核生物的同源重组主要发生在细胞的减数分裂的前期I的两个配对的同源染色体之间。同源重组也会发生在DNA修复之中，用以修复DNA双链断裂、单链断裂和链间交联。适合真核生物同源重组的模型应该是双链断裂模型，参与同源重组的主要蛋白质有Rad50、Mre11、Nbs1、Spo11、MSH4、Dmc1、PCNA、RPA和DNA聚合酶δ/ε等。2024/4/357发生在E.coli的同源重组途径有RecBCD途径、Rec位点特异性重组是指在DNA特定位点上发生的重组，需要专门的蛋白质识别发生重组的特异性位点并催化重组反应。位点特异性重组也发生链交换、形成Holliday连接、分叉迁移和Holliday连接解离。位点特异性重组可以发生在2个DNA分子之间，导致2个DNA分子之间发生整合。位点特异性重组也可以发生在1个DNA分子内部，可能导致缺失或倒位。位点特异性重组的功能包括：调节噬菌体的整合、