遗传重组和转座子.ppt
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1、10.遗传重组和转座,生存变异(突变+重组)损伤修复适应环境加速进化,10.1 遗传重组的类型10.2 同源重组10.3 位点专一性重组10.4 异常重组转座,10.遗传重组和转座,一、教学基本要求1.了解基因转变的现象;理解基因转变的机理;了解位点特异重组的过程。2.熟悉细菌的插入序列(Is)、复合转座元(Tn)、玉米的Ac-Ds、果蝇的P转座子等常见转座子的结构特征;了解复制转座与非复制转座作用;理解转座的遗传学效应。3.掌握同源重组、位点特异重组和转座重组的定义,熟悉其特点;掌握相关的名词概念。,概述:,只要有DNA,就会发生重组,减数分裂,真核体细胞核基因、叶绿体和线粒体基因,温和噬菌
2、体,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,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,重组类型DNA序列蛋白因子/酶同源重组需长同源重组酶(Rec ABCD)普遍重组位点特异重组需短同源位点专一性蛋白 整合重组整合酶,切离酶异常重组/转座 不需转座酶复制性重组,狭义遗传重组:涉及到DNA分子内断裂-复合的基因交流,遗传重组与重组DNA技术,同源重组的特征:,涉及同源序列间的联会,且交换的片段较大;,涉及DNA分子在特定的交换位点发生断裂-错接的过程 异源双链区的生成;,存在重组热点;,需要重组酶;,单链DNA分子或单链DNA末端是交
3、换发生的重要信号,10.2 同源重组(homologous recombination),细线期,合线期,粗线期,双线期,终变期,e.g.真核细胞减数分裂时 染色单体间交换;细菌的转化、转导、接合;病毒/噬菌体 重组(单向重组),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,基因转变,1930年,.Winkler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)。,Mitchell:+pdxp x pdx+,A,A,A,A,a,a,a,a,粪生粪壳菌
4、(Olive):G A g a,GA 非重组孢子对,Gaga,GAgA,ga 非重组孢子对,重组孢子对,一个孢子基因转变,重组孢子对,一个孢子基因转变,6:2/2:6,5:3/3:5,3:1:1:3 的异常分离比,10E-3,A,a,以后又发现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,由此认为基因转变是某种形式的染色体重组的结果。例如A g+a g-的杂交(是一对关于接合型的基因):g+和g-可以发生转变,而且凡是g+或g-发生转变都伴随着和之间的重组。由于基因转变常伴随着重组的发生,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。,(二)基因转变的类型 染色单体转变:
5、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,A 都不校正 B 仅一链校正 C 两链同向校正 D 各自校正 3:1:1:35:3/3:5 6:2/2:6 4:4,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
6、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,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,(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。,同源重组的分子机制,一.交叉理论(c
7、hiasmata type hypothesis)Janssens,1909二.断裂和重接模型(Darlington,1937)三.模板选择学说(copy choice)Belling J.首提、1933撤回;Hershey,1948四.Holliday模型(R.Holliday 1964),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。,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”,断裂重接模型
8、不能解释基因转变和极化子现象.,极化子(polaron):指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DNA称为极化子。一个极化子相当于一个基因.,模板选择复制模型 不符合半保留复制;DNA复制应在S期,重组应在偶线期,不应同时发生。不能解释3线和4线交换。,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。1964年美国学者Robin Holliday提出了著名的Holliday模型.在Holliday模型中,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Holliday结构的断裂和分枝点之间,
9、离断裂点越远的基因离分枝点可能也越远,因而不在异源双链的部分。,Holliday模型(Robin Holliday 1964):,同源区-配对/联会-切-换-接-移-转-切-接=重组,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-配对/联会-切-换-接-移-转-切-接=重组,E:交联桥沿配对DNA分子“移动”。两个亲本DN
10、A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-配对/联会-切-换-接-移-转-切-接=重组,2、分枝迁移和Holliday结构的拆分,分枝迁移(branch migaration)双螺旋形成的交叉连接以拉链式效应扩散,Holliday结构的异构化,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
11、heteroduplex DNA,重组结果取决于拆分时配对链上的切口位置,Holliday模型中的杂合双链部分必须得到校正。如果在减数分裂后的有丝分裂DNA合成前得到校正,那么将产生正常的:分离或:分离(染色单体转变);如果没有及时得到校正而留到下一轮DNA复制而产生两个非杂合的双链,那么将产生:或不正常的3:1:1:3分离(半染色单体转变),我们将这种没有及时校正而下一轮复制时才被校正的现象称为减数后分离。,三、原核同源重组(E.coli),发生在双方DNA的同源区域,部分复制的染色体DNA之间或染色体DNA与外源DNA之间 细菌的转化、接合和转导,1、RecBCD(外切核酸酶)和 Chi
12、位点,具有解旋酶(再旋)活性、ATPase活性、核酸外切酶活性、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DNA产生具有游离末端的单链 RecA的作用位点,RecBCD有固定切割位点,RecBCD的识别和切割位点,a、RecBCD结合在DNA的平 头末端(产生机制不清楚),b、外切、解链、移动(ATP),c、兔耳状 loop 结构产生(再旋酶活性低于解旋酶活性),d、RecBCD 在 loop 单链区的 chi 位点3方46NT处切 断单链(单链内切酶),chi位点:GCTGGTGG 目前发现的重组热点 E.coli 含 1000 个、真核,e、RecBCD 切割产生3单链末端,
13、2、RecA 蛋白,(1)活性,a、RecA 有单、双链 DNA 结合活性,b、RecA 有 NTPase 活性(底物差异活性)与单链 DNA 结合时活性最大-依赖于 DNA,c、RecA 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 DNA(但其靶 DNA 必须有缺口结合DNA),RecA引发链侵入模型,RecA promotes the assimilation 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
14、入侵,RecA引起的链交换和Holliday结构的生成,(2)RecA 蛋白催化双链和单链 DNA 的反应阶段,a、联会前阶段(缓慢)RecA 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 Holliday(5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 DNA 反应结束时,RecA 结合到双链上,其中单链同化有固定的方向 入侵单链为53 双链 DNA 的互补链是35,RecBCD 和 RecA 的共同作用,3、原核同源重组的其它蛋白,需要 E.coli 中三个基因 ruvA,ruvB 和 ruvC 的产物,a、RuvA 识别 Holliday 结构的连接点,
15、b、RuvB 为分枝迁移提供动力(ATPase 1020bp/s),c、RuvC 核酸内切酶-专一性识别 Holliday 结构的连接点 体外切段连接点以拆分重组体,E.coli 重组的各阶段(损伤修复),损伤DNA复制产生缺口,RecA链交换,第二次链交换,DNApol通过DNA合成填满缺口,RuvA,B分枝迁移,RuvC切割Holliday连接点,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。,细菌的转化重组,细菌的接
16、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。,10.3 位点专一性重组(site-specific recombination),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
17、导 感染非溶原的gal-品系 基本 106 gal 培养基 选择 转导体,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。局限性转导一般由温和噬菌体介导。如噬菌体只转导gal基因及bio基因。,噬菌体的整合与切离,噬菌体整合溶原化(原噬菌体)准确切离回复差错切离 d gal(1E-5)其再侵染低频转导(LHT),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-),进一步发现:,(1)这些转导子是溶原的,具有“免疫力”,说明什麽?(2)gal 转导子遗传特点不稳定,
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