第35章DNA的重组.ppt

1、Chapter35 DNA的重组,Genetic recombination,DNA重组的几种类型及其主要特点 了解Holliday模型 细菌基因转移的几种方式 转座重组及其生物学意义,DNA重组（基因重组、遗传重组 genetic recombination 基因重排 gene rearrangenment） DNA分子内或分子间遗传信息的重新组合,DNA片段在细胞内、细胞间，甚至在不同物种之间进行交换，交换后的片段仍然具有复制和表达的功能,意义：迅速增加群体遗传多样性、区分有利、不利突变、 通过优化组合积累有意义的遗传信息 参与许多重要的生物学过程 （438页）,自然界基因转移、重组：基因

2、变异、物种进化的基础 繁殖、病毒感染、基因表达、癌基因激活等过程中起重要的作用,一、DNA的重组的分类,同源重组（homologous recombination） 特异位点重组（site-specific ） 转座重组（transpositional ）,二、同源重组,两条同源区的DNA分子，通过配对、链的断裂和再连接 产生片段交换（crossing over）的过程,一般性重组（general recombination）,两个染色体或DNA分子相互交换对等部分的过程,双倍体真核生物：减数分裂，非姐妹染色单体交换相对应的区域，产生的单倍体配子包含父母本两方的遗传信息,（一）Holliday

3、模型 遗传重组的分子基础,1、Holliday 结构,4条单链形成Holliday结构,2、关键步骤,1）两个同源染色体DNA排列整齐 2）DNA的一条链切断并与另一个DNA对 应的链连接 3）通过分支移动产生异源双链DNA 4）Holliday中间体切开并修复，形成两 个双链重组体DNA,Meselson M Radding C修正,双链断裂启动重组 启动减数分裂,3、功能：,1）维持种群的遗传多样性,2）有助于DNA的损伤修复,3）真核生物减数分裂中染色体正确分离到子细胞,(二) 细菌的基因转移与重组,致育因子（F因子）通过结合作用由F+细胞向F-细胞转移，F质粒约1/3的基因与转移有关，

4、traS和traT基因编码表面排斥蛋白，阻止F+细胞之间的转移，F+细胞的性菌毛与F-细胞结合后收缩，使二者靠近，TraD蛋白构成转移的通道，在TraI在TraY的帮助下结合到转移起点oriT上，切开一条链，使其5端进入受体细胞，并合成其互补链，使F-细胞转化为F+细胞，给体细胞中的单链也可以合成互补链。,当细胞与细胞、或细菌通过菌毛相互接触时，质粒DNA从一个细胞（细菌）转移至另一细胞（细菌）的DNA转移称为,在细菌基因转移的不同时间将配对细胞分开，可以确定基因在染色体上的位置。F质粒DNA可以通过重组整合到受体的染色体中，使受体菌成为高频重组（Hrf)菌株，若F质粒的DNA未能完整地进入受

5、体菌，则受体菌不能转化为F+, F质粒的DNA可以被切割出来，有时可携带宿主菌的染色体DNA，称作F因子， F因子携带的基因可在受体菌表达。,大肠杆菌染色体的基因图,自然条件下感受态的形成需要10多种蛋白质参与,通过自动获取或人为地供给外源DNA，使细胞或培养的受体细胞获得新的遗传表型的过程转化,2、转化 transformation,实验室：高浓度的Ca2+处理使细菌形成感受态,普遍性转导：宿主菌任意部位的基因取代噬菌体DNA的一 部分转入受体菌,3、转导作用 transduction,通过噬菌体将细菌基因从供体菌转移到受体菌,限制性转导：宿主整合部位的DNA取代噬菌体的部分 DNA 进入受

6、体菌的基因与染色体重组,噬菌体的基因重组,当病毒从被感染的细胞（供体）释放出来，再次感染另一细胞（受体）时，发生在供体细胞与受体细胞之间的DNA转移及基因重组,4、细胞融合,细胞质膜融合导致基因转移、重组,实验室：溶菌酶除细菌细胞壁，人工促使原生质体融合，引 起广泛的重组。,RecA蛋白：多功能蛋白,1.NTP酶活性：存在单链DNA时， RecA具水解ATP/dATP活性，促 进联会 2.单链DNA结合活性：RecA蛋白与单链DNA形成丝状复合物，使 其免受核酸酶攻击 3.DNA解旋活性：单链切口处解开双螺旋 4. DNA分子间联会:部分单链DNA区,(三) 重组有关的酶,溶解酶（Resolv

7、ase）活性 断裂Holliday结构的交联桥，完成重组,RecBCD：,依赖RecBCD起始的重组模型: RecBCD有依赖ATP的核酸外切酶、核酸内切酶和解螺旋酶活性，当DNA断裂时，它结合在其游离端，使其解旋并降解，直至酶移动到chi位点（GCTGGTGG)，在其3侧4-6核苷酸处将链切断，产生3游离单链，随后单链与RecA结合，开始同源区重组。,RecA蛋白的丝状聚合体与DNA的相互作用,RecA蛋白的带状图解,RecA蛋白的丝状聚合体，每一圈螺旋由6个RecA蛋白单体构成，其中一个单体由红色标出。,RecA蛋白引起DNA同源重组的模型,在大肠杆菌中由RuvA,RuvB和RuvC蛋白参

8、与的同源重组。 （a） RuvA四聚体的图解。四个亚基形成的结构像四个花瓣的花。 （b） RuvA/RuvB的作用： （左）RuvA四聚体结合到Holliday位点； （中）RuvB六聚体结合到杂合双螺旋的两对面，DNA穿过其中心， RuvB六聚体的作用像马达，促进超螺旋分叉点通过复合体移动。 （右）RuvC结合到Holliday位点，由其核酸酶活性切断核酸链，切割位点由剪切体辨认。 （c） RuvA四聚体的电荷分布，蓝色表示正电荷，红色表示负电荷，注意正电荷位于四聚体的表面，有四个负电荷区域位于其中心。 （d） 假设的RuvA四聚体与Holliday位点结合的结构模型。,三、特异位点重组,原

9、核生物中，有时基因重组依赖于小范围的同源序列的联会，重组只限于该小范围内，只涉及特定位点的同源区，这类重组称作,由整合酶催化，在两个DNA序列的特异位点间发生的整合,1、噬菌体DNA的整合与切除,噬菌体的整合酶识别噬菌体DNA和宿主染色体的特异靶位点，而后发生的选择性整合,通过attP和attB间的相互重组，环状的噬菌体DNA转换为整合的原噬菌体，原噬菌体通过attL和attR间的相互重组而切除,2、细菌的特异位点重组,沙门氏菌两种鞭毛蛋白表达的调控,3、免疫球蛋白基因的重组,IgG的分子结构,（1）,（2）,（3）,（4）,（5）,重组位点有7和9nt的信号序列,中间间隔12或23bp。,免

10、疫球蛋白基因重组的模型,重组酶（RAC1/RAC2)复合体与重组信号序列结合,复合体使编码序列与重组信号序列之间的双连断裂，编码序列的末端形成发夹结构。,重组信号序列结合形成环状结构。,编码序列连接前经过加工，连接位点不十分确定，增加了免疫球蛋白的多样性。,DNA依赖性蛋白激酶(DNA-PK)和DNA连接酶参与了加工和连接过程。,9碱基序列,7碱基序列,在不同的核苷酸位点重组可以生成不同的蛋白质,四、转座重组（transposition）,McClintock的重要发现,1950，麦克林托克，玉米籽粒颜色遗传，存在着一种转座因子（transposable elements）控制籽粒颜色，这些因

11、子可在染色体上移动，控制着某些基因表达 70年代，夏皮罗（Shapiro），E. coli乳糖操纵子突变株，进行杂交分析，确认转座子的存在。 存在于染色体DNA上可自主复制和位移的基本单位称为转座子,大多数基因在基因组内的位置是固定的 有些基因可以从一个位置移动到另一位置 可移动的 DNA序列包括插入序列和转座子 由插入序列和转座子介导的基因移位或重排称为,转座子移位：导致DNA链的断裂/重接 or某些基因启动/关闭。 引起：a.插入突变； b.产生新的基因； c.染色体畸变； d.生物进化，遗传效应。 转座子：原、真核细胞 与同源染色体重组相比，转座子作用频率低得多，构建突变体有重要意义,插

12、入序列转座,插入序列（insertion sequences，IS）：7501500bp,反向重复序列：941bp，位于两侧 转座酶编码基因：产物引起转座，位于中间 正向重复序列：412bp，位于反向重复序列外侧 插入序列特有,组成：,保守性转座：从原位迁至新位 复制性转座：插入序列复制后，一个复制本迁到新 位，另一个保留在原位,方式,转座子转座,转座子（transposons）： 可从一个染色体位点转移到另一位点的分散重复序列,组成,反向重复序列 转座酶基因 特殊基因：如抗生素抗性基因等,转座子具有反向末端重复序列以及在靶部位两侧产生的同向重复序列。在该例中靶序列为5bp，转座子末端由9bp

13、反向重复序列组成，数字1-9指序列重复碱基对。,*两侧正向重复,*,*末端反向重复,*,(一) 细菌的转座因子 1.插入因子,2.组合型转座子：两个插入序列之间夹着一段序列（如抗性基因）。两个插入序列可以同向或反向排列，有时均有转座活性，有时只有一个有转座活性。,3.复合型转座子：插入序列被转座酶基因取代，图示为Tn3(TnA家族）的结构。两端为38bp的反向重复，其两侧为5bp的靶序列，tnpA编码转座酶，tnpR编码的蛋白质可以作为解离酶（使转座子与受体DNA形成的共整合体重组和解离），也可以作为阻遏蛋白调节tnpA和tnpR两个基因的表达，res为解离的控制位点，TnpR蛋白结合于其上发

14、挥调控作用。,4.转座的方式 转座子可用不同的方式转座，转座因子插入基因后可使基因失活，也可引起染色体的断裂、重复、缺失、倒位、易位等变化。,两个IS10组件构成一个复合转座子，它能使位于他们之间的任何DNA易位。当Tn10是一个小的圆形分子的一部分时，IS10重复序列可转座至环状分子的任一侧。,插入序列使靶序列的数量增加，在插入序列两侧各有一个。,复制转座作用产生了转座子的一个拷贝，它插入到一个接受位点。给予位点保持不变，给予者和接受者都有转座子的一个拷贝。,非复制转座作用在未被修复的情况下，可能造成致死突变。,保守的转座作用不造成核苷酸的丢失，如噬菌体的整合和切除。,转座子引起DNA的重排

15、，正向重复序列的重组引起其间序列的切除或插入。,反向重复序列的重组能引起其间序列反向排列。,转座作用可引起给体和受体的整合或分割，并可引起转座子拷贝数的增加,(二) 真核生物的转座因子 原核生物的转座酶主要作用于产生它的转座因子，表现出顺式显性。真核生物的转座酶可以作用于任何末端具有该酶所识别的反向重复顺序的DNA,使其转移到相应的靶位点。 在玉米的激活-解离系统（activator-dissociation system, Ac-Ds)中，Ac编码转座酶(自主因子)，Ds（非自主因子）是Ac不同程度的缺失中间序列形成的，无转座酶活性，但随Ac转座后可抑制邻近基因的表达。 在玉米的抑制-促进-

16、增变系统（suppressor-promotor-mutator,Smp)中,Smp和En（增强子）序列相似，均为自主因子，与其对应的非自主因子dSmp为有缺陷的Smp因子，转座后，若Smp插入靶基因附近的合适部位，可以促进靶位点基因的表达，若Smp插入外显子，可抑制基因的表达。,玉米的控制元件形成转座子的不同家族，每个家族均有自主和非自主成员。,P品系的果蝇含有40-50个P因子（一种转座子）， P因子的mRNA前体含有3个内含子，若P品系雄性与M品系雌性交配，子一代的体细胞mRNA前体加工时保留了第3个内含子，合成阻遏蛋白，不发生转座，性细胞mRNA前体加工时切除了全部3个内含子，活跃的转

17、座使性细胞失去功能。P雄性或M雄性与P雌性交配时，由于雌性的卵细胞质中存在抑制P因子转座酶活性的蛋白质，子代的生殖功能正常。,四、真核生物基因表达的转录前调控 1.染色体丢失:如四膜虫的大核为营养核，由小核发育而来，约10%的DNA在发育过程中被丢失。 2.基因扩增：如非洲爪蟾卵母细胞的rDNA可以大量扩增，形成1000个以上的核仁。 3.基因重排:重排可以使表达的基因发生切换，也可以产生新的基因。 4.组蛋白的乙酰化和去乙酰化：组蛋白的乙酰化和基因表达的状态相关。组蛋白H4的乙酰化不足(underacetylation)是雌性哺乳动物一条X染色体失活的原因之一。去乙酰化和基因活性的阻遏有关。

18、 5.染色体DNA的修饰和异染色质化：DNA的甲基化可以使其失去转录活性，高度甲基化的DNA可以形成高度压缩的异染色质，异染色质的基因无转录活性。,6.染色质结构改变模型-组蛋白置换 占先模型(pre-emptive model)：决定的因素是转录因子和组蛋白谁先占据调控位点。DNA复制时，组蛋白8聚体解离，转录因子乘机结合到调控位点上，一直持续到下一个复制周期，抑制了组蛋白和DNA的结合。 例1：当5S rRNA基因与组蛋白结合时TFA不能激活此基因。而TFA可与游离的5S rRNA基因结合，再加入组蛋白不能使此基因失活。 例2：含腺病毒启动子的质粒能被TFD结合，再被RNA pol转录，如

19、先加入组蛋白，则不起始转录，如先加入TFD则形成的染色质中，模板仍转录。 动态模型(dynamic model) ：组蛋白置换需输入能量。一些转录因子结合DNA时可裂解核小体，或建立一个可产生核小体定位结合位点的边界。如果蝇Hsp70启动子上的核小体在体外实行重建。GAGA(细胞核结合蛋白)转录因子与启动子中4个富含(CT)n位点结合，破坏了核小体，形成一高敏感区，而且导致邻接的核小体重排，这样它们就优先插入到随机位点。核小体打开的过程是需要水解ATP的耗能过程。,7.细胞周期的调控 最关键的是两个蛋白质家族：周期素（cyclin)家族和依赖周期素的蛋白激酶（cyclin-depending protein kinase, CDK)家族,目前发现的周期素有10种以上，用字母A,B,C等表示， CDK有8种以上，用CDK1，CDK2，CDK3等表示。周期素AD, CDK2,CDK4的合成受转录因子E2F的调节，共同控制G1期向S期的转化，周期素A、B与CDK2的结合对有丝分裂的启动是必要的。 新合成的促细胞分裂周期素与CDK结合，形成促M期因子(M-phase promoting factor, MPF)，活化的CDK使自身的Y15和T161先后被磷酸化，随后细胞周期基因（