第八章遗传重组

《遗传学》教案——第八章遗传重组1第八章遗传重组（4h）教学目的：掌握重组的类型；明确位点专一性重组、异常重组的过程，了解重组的分子机理。教学重点：位点专一性重组、异常重组的过程。教学难点：重组的分子机理。第一节遗传重组的类型一、普遍性重组/同源重组二、位点专一性重组三、异常重组第二节细菌的同源重组一、细菌同源重组的特点二、细菌转化重组机制三、细菌的接合与转导中的重组机制第三节位点专一性重组一、噬菌体的溶菌周期和溶源周期二、噬菌体的整合和切除三、位点专一性重组的核苷酸序列第四节同源重组的分子机制一、异源DNA双链的断裂与重接二、同源重组的Holliday模型三、基因转变及其分子机制第五节异常重组一、原核生物中的转座因子（transposableelements）《遗传学》教案——第八章遗传重组2二、真核生物的转座子第六节转座的机制和遗传学效应一、转座机制二、转座子的遗传学效应《遗传学》教案——第八章遗传重组3第八章遗传重组（4h）第一节遗传重组的类型一、普遍性重组/同源重组其发生是依赖于大范围的DNA同源序列的联会，重组过程中，两个染色体或DNA分子相互交换对等的部分（如真核生物的非姊妹染色单体的交换）。重组的普遍性和意义：生物适应和进化的基础是遗传的变异，而变异的来源是突变和重组。但突变的频率很低，且基因的突变有的有利，有的有害。故变异的主要来源是基因间重组，结果产生各种不同类型的基因型个体。早在1905年由W.Bateson和R.C.Punnett研究香豌豆两对性状遗传实验中就发现连锁基因之间重组。1911年Morgan在果蝇有关性状遗传中对此做出科学的解释。后来发现基因重组是所有生物遗传的基本现象，无论是高等生物还是细菌、病毒中都存在基因重组；不只是在减数分裂中发生基因重组，在高等植物的体细胞中也发生重组；重组不只是在核基因之间发生，叶绿体基因、线粒体基因间也发生基因重组，可以说只要有DNA就会发生重组。二、位点专一性重组这种重组是依赖小范围同源序列的联会，重组也只是限于小范围内，而且两个DNA分子并不交换对等的部分，有时是一个DNA分子整合到另一个DNA分子中，因此将这种形式的重组又称为整合式重组（如噬菌体DNA通过其attP位点和大肠杆菌DNA的attB位点之间的专一性重组而实现整合过程。又称为保守性重组。三、异常重组这种重组是发生在顺序不相同的DNA分子间，但在形成重组分子时往往是依赖于DNA复制而完成重组过程，因此又称为复制性重组（如转座因子从染色体的一个区段转移到另一个区段或从一条染色体转移到另一条染色体，这种转座作用既不依赖于转座因子DNA序列与插入区段DNA序列之间的同源性，又不《遗传学》教案——第八章遗传重组4需要RecA蛋白参与作用，只依赖于转座区域DNA复制和转座有关的酶而完成重组）。第二节细菌的同源重组一、细菌同源重组的特点1.形成部分二倍体Hfr×F－由于供体的染色体一段一段转移到F－。且它们间的接合随时会断裂。所以F－得到的位置是Hfr的部分基因形成部分合子。又因为致育基因位于大肠杆菌基因的最后，所以只有当Hfr的基因全部转移进去，致育基因才转进入。部分二倍体：这种含有一个亲体F－全部基因组和另一亲体部分基因组的合子叫部分合子/部分二倍体。2.偶数次交换，形成有活性的重组体部分二倍体中，假如发生一次交换，只产生二倍性线状体，在分裂过程中被淘汰，只有发生偶数次交换，才产生有活性的重组体。单交换二倍体线状体，双交换重组体＋线性片断。偶次交换结果：只产生一种重组体，而无相应的重组体。二、细菌转化重组机制用体外DNA片段的模式反应表示RecA蛋白的活性三、细菌的接合与转导中的重组机制1、细菌接合中的重组机制其机制与转化类似，但更复杂。其单链更长。2、细菌转导中的重组机制其重组发生在双链DNA片段与完整DNA分子之间，发生2次交换，需要RecA、RecBC蛋白的参与。普遍性转导的重组机制特异性转导的重组机制《遗传学》教案——第八章遗传重组5第三节位点专一性重组一、噬菌体的溶菌周期和溶源周期感染周期：是指噬菌体从吸附细菌到子代噬菌体从宿主细菌细胞中放出来的过程。（一）烈性噬菌体的感染周期：eg烈性噬菌体T4，其宿主是大肠杆菌，故称之为大肠杆菌T4－噬菌体。T4－噬菌体对大肠杆菌的侵染过程，就是我们在前面讲过的噬菌体感染周期。T4－噬菌体由头、尾两部分组成，外为蛋白质外壳＋内部DNA分子。侵染时T4噬菌体的尾部吸附在大肠杆菌的细胞壁上，放出溶菌酶将细胞壁溶成一小孔，借助于尾鞘的收缩，将自己的DNA（T4－DNA）通过小孔注入大肠杆菌细胞内，T4－噬菌体的基因e立即有顺序地进行表达：①首先早前期基因表达，这些多为调节基因，其作用是启动自身基因表达。而抑制宿主大肠杆菌细胞的DNA合成。②晚前期基因表达，这些是与DNA复制有关的基因。其产物是：核酸酶：降解大肠杆菌的DNA，为自己DNA合成提供游离的核苷酸；DNA复制有关的酶：大量合成新T4－DNA。③晚期基因表达-是控制形态发生过程的基因；编码噬菌体结构蛋白的基因。其产物是大部分直接参与外壳的建成和少数具有酶的作用。T4－噬菌体DNA上约有160个基因，已定位的有70多个基因，装配成完整的噬菌体的全部信息也都在此DNA上。④包装完成后，由噬菌体裂解基因表达，产生裂解酶。消化宿主细胞壁。大肠杆菌细胞裂解，放出大量的子代T4－噬菌体。（二）温和噬菌体的感染周期eg：－噬菌体，其宿主是大肠杆菌。感染宿主。噬菌体基因有顺序地表达。①先是早期基因和部分晚期基因的表达。产物--阻遏蛋白。作用--调节或抑制自身其它基因的表达。②噬菌体的整个基因组整合到宿主染色体的特定区域，噬菌体的大部分基因处于失活状态，随宿主染色体一起复制。原噬菌体：整合到宿主染色体中的噬菌体基因组，称为原－噬菌体。溶源性细菌：带有原－phage的细菌叫溶源性细菌。以上过程称为溶源周期。《遗传学》教案——第八章遗传重组6溶源性细菌具有2个重要特性：①免疫性：由于大肠杆菌含原噬菌体而产生一种阻遏蛋白（I）。这种阻遏蛋白不但可抑制原噬菌体DNA复制。也可抑制再度感染的同类噬菌体DNA的复制。故能抵抗同类噬菌体的超感染。②可诱导性：原－phage的自发诱导，每一代可能有1/10000溶源性细菌被裂解，释放出大量－phage，这一过程为裂解周期。失去原－phage的细菌称为非溶源性细菌。假如用紫外线或化学物质（丝裂霉素C）诱导，90％溶源细菌进入裂解周期。－phage的基因有顺序地表达，－phage的DNA独立复制，形成蛋白质外壳，从而组装成完整的噬菌体释放出来。象这种在感染周期中具有裂解和溶源两种途经的噬菌体称为温和噬菌体。二、噬菌体的整合和切除如进入溶源状态，则DNA将整合到宿主基因组中；由溶源状态转为裂解生长状态，则DNA从宿主DNA上切除下来。附着位点（attachmentsite简写为att）大肠杆菌上的att位点：att或attB，其长度大约为25bp，位于bio和gal两基因之间，包含B、O、B`三个序列组分。DNA上的att位点：attP，其长度为240bp。由P、O、P`三个序列组分组成，整合反应：BOB`+POP`（噬菌体）IHF↓IntBOP`—POB`（原噬菌体）噬菌体的位点专一性重组切除反应：BOP`—POB`（原噬菌体）IHF↓Int，Xis《遗传学》教案——第八章遗传重组7BOB`+POP`（噬菌体）噬菌体的位点专一性重组三、位点专一性重组的核苷酸序列核心序列：“O”，含15bp，富含A-T对，序列内无碱基回文对称性。attP：4个Int结合位点、3个IHF结合位点。attB：1个Int结合位点（15bp）。第四节同源重组的分子机制一、异源DNA双链的断裂与重接用图片说明二、同源重组的Holliday模型RobinHolliday于1964年提出了重组的杂合DNA模型（hybridDNAmodel）异源双链：在重组位点上，每个双链都有一个由两个亲本DNA分子中的一股单链共同组成的双链区，称为hybridDNA/heteroduplex分支迁移：两个双螺旋形成的交叉连接是两个原来的分子等量碱基交换的所在，交叉连接很容易以拉链式效应扩散，即链交换可沿着双链滑动，这个过程称为branchmigration。连接分子的拆分：切口发生在形成连接分子中原先没有切割过的配对链上切口发生在重组过程中曾并切开过的一对同源单链上三、基因转变及其分子机制1、异常分离与基因转变Mitchell设计实验：pdxp：不能合成维生素B6，对pH敏感。《遗传学》教案——第八章遗传重组8pdx：不能合成维生素B6，对pH不敏感2、基因转变的类型染色单体转变半染色单体转变3、基因转变的分子机制第五节异常重组一、原核生物中的转座因子（transposableelements）1、插入序列（insertonsequenceIS）•20世纪60年代末Starlinger在大肠杆菌中发现半乳糖基因的突变体，称为gal-。•gal-：由于DNA片段插入而形成产生的（插入序列）•插入序列：是发现的最小的一种转座因子，称为IS1。•其全部序列已在1978年由H.Ohtsubo和E.Ohtsubo测定。其全长为768bp，两端有18/23bp的反向重复序列。某些插入序列的参数元件长度（bp）末端反向重复（bp）靶位点反向重复（bp）靶位点选择IS1768239随意IS21327415热点IS414281811/12AAAN20TTTIS51195164热点2、转座子（transposon，Tn）（复合转座子）是由两个重复序列夹着携带抗药性物标记的中央区段（含一个/多个结构基《遗传学》教案——第八章遗传重组9因），常以Tn和后面加数码来命名。Tn的特征转座子抗性标记长度/bp末端IS序列的长度/bp末端IS序列的方向Tn5卡那霉素5400IS50（1500）反向Tn9氯霉素2638IS1（768）正向Tn10四环素9300IS10（1400）反向Tn204氯霉素、梭链孢酸2457IS1（768）正向Tn903卡那霉素3100IS903（1050）反向Tn1681潮霉素2088IS1（768）反向3、转座噬菌体（Mu，mutatorphage）由Taylor于1963年发现的一种特殊的噬菌体，它是大肠杆菌的温和噬菌体。Mu的特点：几乎可以插入宿主染色体任何一个位置上。而且游离Mu和已经插入的Mu基因次序是相同的。另外它的两端没有粘性末端，同时插入某基因中就引起该基因突变。二、真核生物的转座子1、酵母菌的转座子目前在酵母中研究得较清楚的转座子是Ty系列（transponsonyeast，Ty）。为6300bp，两端含有两个称为δ的正向重复序列，正向重复序列的长度约250bp。Ty插入酵母菌染色体后，受体上就会出现5bp的正向重复序列，这和细菌中转座子作用相似。啤酒酵母中有控制a与α两种接合型的两个基因a与α。这两个基因都能转《遗传学》教案——第八章遗传重组10座，当a基因从它的座位HMR转座到MAT座位后就能表达，细胞成为a接合型。当α基因从它的HML转座到MAT座位后，原来在MAT座位上的a基因消失，α基因得以表达，细胞就转换成α接合型。表明这两个转座子具有明显的生理功能，它们与其它转座子不同之处是只能转座到MAT上，而其它转座子几乎可以转座到该基因组中任何座位上。2、果蝇的转座子从20世纪70年代以来，在黑腹果蝇的一些品系间杂交子代出现某些异常现象，如卵巢发育不全、分离比异常、雄性个体的减数分裂中出现重组、高突变率、染色体畸变等。这种现象称为杂种劣育（hybriddysgenesis）。直到1977年M.G.Kidwell等第一次证实杂种劣育只出现在某杂交组合中，如黑腹果蝇有M品系（maternalstrains）与P品系（paternalstrains），只有M雌P雄杂交F1出现杂种劣育。研究证明这是因为在P品系的细胞中有导致杂种劣育的遗传因子，称为P