第三章基因重组

欢迎第三章可移动的遗传因子和染色体外的遗传因子第一节转座子第二节质粒第三节遗传重组基本要求1.掌握转座子的定义2.了解转座子机制3.掌握质粒相关特性4.掌握同源重组的模型，位点特异性重组5.重点掌握相关定义第一节转座子一.转座子的发现二.转座子的定义与结构特征三.转座子机制四.转座效应五.逆转录转座子DNAtransposableelement一.转座子的发现1951年，在冷泉港生物学专题讨论会上，麦克林托克递交了自己的学术论文，向科学界同行报告了她的新理论。她提出遗传基因可以转移，能从染色体的一个位置跳到另一个位置，甚至从一条染色体跳到另一条染色体上。她把这种能自发转移的遗传基因称为“转座因子”。“转座因子”除了具有跳动的特性之外，还具有控制其他其因开闭的作用，因此“转座因子”又可叫做“控制因子”。转座理论不被接受在当时，占统治地位的染色体遗传学理论认为，生物细胞内的遗传物质比较稳定，遗传基因以一定的顺序在染色体上作线性排列，彼此之间的距离也非常稳定。常规的交换和重组只发生在等位基因之间，并不扰乱这种距离。除了在显微镜下可见的、发生频率极为稀少的染色体倒位和相互易位等畸变可以改变基因的位置外，人们还从未认识到，也难以设想出基因会从一处跳跃到另一处。终被接受整个70年代，分子遗传学家找到了愈来愈多的可移动的或可转移的遗传因子，又称之为“跳跃基因”。这些因子不仅存在于细菌中，同时也存在于较高等的动物中。麦氏的理论又得到了进一步的验证。麦克林托克30年代初做出的发现、40年代提出的理论，到60年代末终于被重新提起，80年代初为科学界普遍接受。她走在时代前面四十年，同时也为此冷落奋斗了四十年。二.转座子的定义与结构特征DNA的转座，或称移位（transposition），是由可移位因子（transposableelement）介导的遗传物质重排现象。已经发现转座这一命名并不十分准确，因为在转座过程中，可移位因子的一个拷贝常常留在原来位置上，在新位点上出现的仅仅是拷贝。因此，转座有别于同源重组，它依赖于DNA的复制。转座子的定义在原核生物和真核生物基因组中,存在着可以从一个部位转移到另一个部位的一些DNA序列,这些DNA序列就称为转座子(transposon)。转座子的分类和结构特征简单转座子（insertionsequence，IS）常被称为插入序列。它们是细菌染色体或质粒DNA的正常组成部分。一个细菌细胞常带有少于10个IS序列。转座子常常被定位到特定的基因中，造成该基因突变。IS序列都是可以独立存在的单元，中间带有介导自身移动的转座酶,两端带有反向重复序列.原核生物的转座子-插入序列IS转座子的分类和结构特征复合式转座子（compositetransposon）是一类带有某些抗药性基因的转座子，其两翼往往是两个相同或高度同源的IS序列，表明IS序列插入到某个功能基因两端时就可能产生复合转座子。ISISResistanceGene(s)复合转座子Tn转座子A家族(TnA)是一类除了和它的转座作用有关的基因外,还带有其它基因的转座子.TnA长约5kb,两端具有ITR(38bp),而不是IS,中部的编码区不仅编码抗性标记,还编码转座酶和解离酶.靶点(5bp)的选择有区域倾向性,但在优先区域内选择是随机的.转座噬菌体是一种以溶菌和溶源周期性交替方式生长的噬菌体,它不象λ噬菌体那样有一定的整合位点.Mu噬菌体的整合特征将在基因表达与调控一章讲解.三.转座子机制转座时发生的插入作用有一个普遍的特征，那就是受体分子中有一段很短的（3-12bp）、被称为靶序列的DNA会被复制，使插入的转座子位于两个重复的靶序列之间。不同转座子的靶序列长度不同。三种不同类型的转座（1）复制型转座（replicativetransposition）作为自身移动的一个部分，转座子被复制，一个拷贝仍然保留在原来的位置上，而另一个则插入到一个新的部位，这样转座过程伴随着转座子拷贝数的增加。（2）非复制型转座转座元件作为一个物理实体直接由一个部位转移到另一个部位。IS序列、Mu及Tn5等都以这种方式进行转座。（3）保守型转座保守型转座是另一种非复制型的转座过程，该过程中转座元件从供体部位被切除并通过一系列的过程插入到靶部位，在该过程中每个核苷键皆被保留。该转座过程与λ的整合机制类似，并且转座酶与λ整合酶家族有关。转座的机制：复制型转座需要融合形成共合体A.切开：转座酶识别受体的靶序列，在两条单链上均切开，形成粘性末端；识别自身的反向重复序列，在3‘端切开。B.连接：供体和受体结合形成不完整共联体，留下缺口。C.复制：DNA聚合酶补齐缺口，再连接形成完整的共联体，具有重复序列。D.重组：在特定位点进行重组，共联体分离：留下原来的转座子；并在靶序列上插入转座子，两端有同向重复序列。Tn从3’末端复制产生共合体靶单链交错切割共合体重组转座子被切开的末端和靶被切开的末端连接交叉结构(单链转移复合图23－41转座模型。Mu转座产生交换结构，此结构通过复制产生共合体，共合体中的转座子之间发生交换产生2个重组子。转座酶结合在Tn两端转座子末端被交错剪切+另一条链也被切受体也被交错切割图23-42交换结构经剪切释放供体被释放Tn连接到靶上后导致非复制型转座子插入到靶DNA中，DR包在两侧，供体留下了一个双链缺口。图23-43Tn的两条链先后被切割，然后转座子与切开的靶位点连接。非复制型转座断裂和重接反应使靶重构。供体保持裂缺。不形成共合体。Tn10转座需要的酶及转座频率的控制四.转座效应①转座引起插入突变②转座产生新的基因③转座产生的染色体畸变④转座引起的生物进化.五.逆转录转座子关于逆转录病毒复制的内容将在复制一章讲解。逆转录病毒的转座请看视频。第二节质粒一.质粒的定义二.质粒的类型三.质粒的特性四.特殊细菌质粒一.质粒的定义1.1定义和命名质粒是染色体以外能自主复制的遗传因子，不具有胞外期，对寄主细胞来说是非必需的，符合这三条标准的染色体外DNA或RNA分子都可以称为质粒。狭义的质粒一般是指细菌染色体外的环状DNA分子。质粒的命名：一个小写字母p加2-3个大写字母和数字，如pJP4，pDTG1。1.2细菌质粒细菌细胞中染色体以外的共价闭合环状DNA分子(cccDNA)。根据质粒控制的性状，可以把细菌质粒分成抗性质粒、降解质粒、毒力质粒和共生质粒等类型。1.3真核生物的DNA质粒环状DNA质粒：酵母2mm质粒，植物线立体中的环状DNA质粒，人和动物的核DNA质粒等，它们都是不知其功能的隐蔽质粒。线状DNA质粒：乳酸克鲁维酵母的嗜杀线状DNA质粒，植物线粒体中与雄性不育有关的线状DNA质粒。1.4真核生物的RNA质粒有壳体的dsRNA质粒：由蛋白质壳体包裹，存在于某些真菌和植物细胞中，由于它们酷似病毒，所以也常被称作真菌病毒和植物隐蔽病毒，或称类病毒颗粒，典型代表是酿酒酵母的嗜杀dsRNA质粒。与RNA病毒的主要区别是它们不具有感染性．无壳体的dsRNA质粒：存在于脂质小囊中的栗疫菌减毒dsRNA质粒，玉米线粒体中与雄性不育有关的dsRNA质粒。二.质粒的分类：根据质粒能否通过细菌的接合作用进行传递1接合性质粒2非接合性质粒根据质粒在细菌内拷贝数多少1严紧型质粒2松弛型质粒根据相容性1相容性——几种质粒同时共存于同一菌体内2不相容性——不能同时共存可借此对质粒进行分组、分群●特殊细菌质粒1）F质粒（致育因子）Tra区：编码转移相关蛋白；合成性纤毛2）R质粒（抗药因子）----RTF基因（抗性转移因子）----抗性决定子（抗抗生素、抗药、抗种金属）3）Col质粒（大肠杆菌素因子）----产大肠杆菌素细菌素：由细菌质粒编码产生的只能抑制或杀灭近缘细菌或同种不同菌株的蛋白质。4）致病性质粒：----肠毒素、内毒素（E.Coli）----溶血素、肠毒素（S.aureus）5）共生固氮质粒：----结瘤基因（nod）----固氮基因（nif）6）隐蔽质粒：未有明确表型①具有自我复制的能力拷贝数低者，复制往往与染色体的复制同步，称为紧密型质粒。拷贝数高者，与染色体的复制不相关，称松弛型质粒。②编码的基因产物能赋予细菌某些特性（非细菌生命活动不可缺少的）三.质粒DNA的特征③质粒可自行丢失与消除④质粒的转移性⑤质粒的相容性与不相容性两种结构相似密切相关的质粒不能稳定共存于一个宿主菌的现象称为质粒的不相容性。几种不同的质粒同时共存于一个菌细胞内则称相容性。第三节遗传重组一.同源重组二.位点特异性重组三.等位基因间重组遗传重组引言DNA分子内或分子间发生遗传信息的重新组合，称为遗传重组(geneticrecombination),或者基因重排(generearrangement)。重组产物为重组体DNA(recombinantDNA)。DNA的重组广泛存在于各类生物。真核生物基因间重组多发生在减数分裂(meiosis)时同源染色体之间的交换(crossover)。细菌及噬菌体的基因组为单倍体，来自不同亲代两组DNA之间可通过多种方式进行遗传重组。遗传重组总结遗传重组：造成基因型变化的基因交流过程。发生：减数分裂性细胞内，体细胞地点：核基因间，叶绿体基因间，线粒体基因间；前提条件：不同基因型的遗传物质彼此能够转移。作用：保证了遗传多样性,为选择奠定了物质基础,使生物得以进化发展，与突变一起是变异的来源DNA重组对生物进化起着关键的作用。生物进化是生物随时间发生变化和多样化的过程。生物进化以不断产生可遗传的变异为基础。首先有突变和重组，由此产生遗传的变异，然后才有遗传漂变(geneticdrift)和自然选择(naturalselection)，才有进化。可遗传变异的根本原因是突变。然而，突变的机率很低，而且多数突变是有害的。如果生物只有突变没有重组，在积累具有选择优势的突变同时不可避免积累许多难以摆脱的不利突变，有利突变将随不利突变一起被淘汰，新的优良基因就不可能出现。重组的意义在于，它能迅速增加群体的遗传多样性(diversity)；使有利突变与不利突变分开(separation)；通过优化组合(optimization)积累有意义的遗传信息。遗传重组的生物学意义遗传重组主要类型：(依据对DNA序列和所需蛋白质因子的要求)同源重组位点专一性重组转座重组异常重组其共同点是双股DNA间的物质交换，但发生的情况不同。发生在同源序列间的重组称为同源重组(homologousrecombination)，又称基本重组。是最基本的DNA重组方式，通过链的断裂和再连接，在两个DNA分子同源序列间进行单链或双链片段的交换。真核生物非姊妹染色单体的交换，姊妹染色单体的交换，细菌及某些低等真核生物的转化，细菌的转导、接合等都属于这—类型。一、同源重组同源重组的Holliday模型RobinHolliday于1964年提出了重组的杂和DNA模型，又称Holliday模型。该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中两个方向相同的单链，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；E：交联桥沿配对DNA分子“移动”。两个亲本DNA分子间造成一大段异源双链DNA（Holliday结构）F：绕交联桥旋转1800；G：形成Holliday异构体；H、通过两种方式之一切断DNA单链，若左右切，则形成非重组体，若上下切则形成重组体。HOLLIDAY模型Holliday模型能够较好解释同源重组现象，但也存在问题。该模型认为进行重组的两个DNA分子在开始时需要在对应链相同位置上发生断裂。DNA分子单链断裂是经常发生的事，但很难设想两个分子何以能在同一位置发生断裂。MeselsonM和RaddingC对此提出了修正意见，他们认为同源DNA分子中只有一个分子发生单链断裂，随后单链入侵另一DNA分子的同源区，造成链的置换，被置换的链再切断并与