重组的类型、机制与转座(self)

第十二章重组与转座引言可遗传的变异是生物适应和进化的基础;遗传物质发生变异的来源包括两个方面：突变：基因结构或染色体的数目、结构改变；重组：染色体或基因序列发生重排及新的组合；基因重组是遗传的基本现象；1.无论高等真核生物，还是细菌、病毒都存在；2.不仅在减数分裂，而且在高等生物体细胞中；3.不只在核基因，而且在细胞质基因之间；重组是遗传学的灵魂；1.没有重组就没有生物的进化；2.没有重组就没有现代的分子克隆技术一、重组的概念及类型1.重组概念广义/细胞学水平上：由于独立分配或交换而在后代中出现的新基因的组合过程；狭义/分子水平上：基因的交换或重排而导致的新基因的组合过程，即2个DNA分子间或一个DNA分子的不同部位间,通过断裂和重接,交换DNA片段从而改变基因的组合和序列.2.重组类型：（1）同源重组(Homologousrecombination)（2）位点特异性重组（3）异常重组（一）同源重组(Homologousrecombination)1.同源重组的概念：指DNA同源序列间的重组.常涉及大片段同源DNA序列之间的交换。是重组中的普遍形式，又称普遍性重组（generalizedrecombination）（1）交互重组：多数真核生物减数分裂过程中，同源染色体的非姐妹染色体单体或DNA分子间相互交换对等的部分；（2）单向重组：在细菌转化、接合和普遍性转导中，仅受体发生重组，供体并未发生重组。（依赖RecA重组）2.同源重组的特点负责同源重组的蛋白质因子无碱基序列的特异性要求，只要两个DNA分子的序列的同源区足够长，就可以在序列的任何一点发生重组。如：大肠杆菌活体重组要求有20-40bp相同；枯草芽孢杆菌基因与质粒重组，要≥70bp哺乳动物的同源区应达到150bp以上；可通过同源重组将外源基因定位整合到细胞基因组。（二）位点特异性重组（site-specificrecombination）重组发生在特殊的位点上：只涉及特定位置的短同源区或特定的碱基序列之间；由特定重组蛋白因子识别专一性DNA序列：重组时发生精确的切割和连接反应；属于非同源特定片段间的重组。最典型的如：λ噬菌体的att位点整合到大肠杆菌的基因组中；（三）异常重组（Illegitimaterecombination）完全不依赖于序列间的同源性而使一段DNA序列插入到另一段中。形成重组分子时往往依赖于DNA复制而完成重组过程，因此又称复制性重组转座因子（transposableelement）：细胞中能改变自身位置的一段DNA序列二.同源重组的分子机制交叉学说与断裂重接模型Holliday模型（1）交叉学说与断裂重接模型1909年janssens提出交叉型假说：每次交叉表明父母本的一条染色单体接触、断裂和重接，形成一个新的组合，其他两条染色单体仍保持完整状态；1937年Darlington提出重组的断裂和重接模型：减数分裂中同源染色体相互分离就像将绳子的两股分开一样会产生扭曲，为消除张力，两姐妹染色体单体在对应位点发生断链，然后非姐妹染色体单体的“断头”相互重接，产生重组。根据该模型重组始终是交互的，如在一个杂合体，如果一条染色体把基因A交给同源染色体，则同源染色体必然把基因a反过来交给他；要求两染色单体在相应的位点上断裂，然后以新的组合连接起来，或者从分子水平上要求两DNA分子在同一碱基对间断裂，然后互相以新的组合连接起来，否则重组产物的长度就会改变；基因转变现象（geneconversion）真菌类减数分裂的正常分裂：重组通常是交互的，例如一个杂合体中，如果以染色体把基因A交给他的同源染色体，则同源染色体也会把a基因交回给他。则一个位点上的两等位基因分离时，子囊应该呈现4：4分离真菌类的异常分离现象：1930年德国遗传学家Winkler在链孢霉的重组产物中发现异常的5：3（约0.06%）和6：2（约0.05%）的分离比。链孢霉的生活史分生孢子（n）菌丝（n）子实体核融合合子核(2n)交配型A交配型B减数分裂I减数分裂II有丝分裂萌发(n)子囊孢子（n）脉孢霉减数分裂++++----++--++--++--MIMII非姐妹染色单体未发生交换++--++--+-+-++--+-+-n2、3非姐妹染色单体发生交换++++++--++--++--++--MIMII异常分裂比6：2+++++---++--++--++--MIMII异常分裂比5：3+++-+---++--++--++--MIMII异常分裂比3:1:1:3基因转变的显著特点子囊中所形成的4个孢子对中，同一孢子对的两个孢子基因型不同；异常分离的子囊中，约有30%与其相邻的两侧标记连锁基因之间发生交换和重组；在有基因转变的子囊中，基因转变和遗传重组都发生在同样两条染色单体的子囊比例竟高达90%。即基因转变和重组是密切相关的。见书p206-207由于重组出现了完全野生型的孢子对++，但没有重组的对应产物——双突变型的孢子对pdxpdxp,但是，尽管pdxp位点出现异常分离，其右侧紧密连锁的标记基因pdx位点显示正常分离Winkler把真菌中不规则分离的现象解释为同源染色体联会时，一个基因使其相对的位置上的基因发生相应的变化所致，称为基因转变；基因转变分为两种：染色单体转变和半染色单体转变减数后分裂：该异常分离时减数分裂后有丝分裂的产物，故又称减数后分离怎么解释这种现象呢？突变是不可能的，因为他们的频率比这些基因的正常突变频率高很多；同源染色体联会（图中只显示四条染色单体中的二条非姐妹染色体单体）两条方向相同的单链被切断；游离端的氢键断裂，离开互补单链游离端交叉地和断裂单链连接（2）Holliday模型连接成半交叉，称为holliday结构分支点移动呈“十字型”“十字型”的两臂旋转形成中空的十字结构不同解离方式•经修补后连接形成重组和非重组的异源DNA链Holliday模型对基因转变机制的解释Holliday模型中无论哪种解离方式，都会产生两个异源的DNA双链异源双链有关的核苷酸链分别来自不同的亲本，如g+Xg-，两者有一对碱基之差g+为：ACAGTg-为ACATTTGTCATGTAA异源双链DNA区应为：ACAGTTGTAA异源的DNA是不稳定的不同异常分离比的形成，见书p213。GAGCAGTA丢失野生型g+突变型g-玉米的转座因子——控制因子（controllingelements）玉米转座因子除具有转座的特性外，还具有调节其他基因的作用称为控制因子玉米的胚乳的花斑：紫色、白色、白色背景下的紫色斑点。解释：玉米带有野生型C基因时，则成紫色C基因突变阻止紫色素的合成，则成白色（c）在胚乳发育过程中若发生回复突变则成花斑认为C基因突变的是由一个“可移动的控制因子”插入失活引起的，即解离因子(Dissociator,Ds)和激活因子（Activator,Ac）Ac为自主型转座子，全长4.6kb，有5个外显子，产物是转座酶，支配受体因子因子移动（转座）.两端是11bp的反向重复序列（IR），即5‘CAGGGATGAAA………TTTCATCCCTG3’非自主型转座子Ds：两端序列与Ac相同，但确失了中间序列，丢失了转座所需要的有关酶，只有在Ac的转座酶活性被激活后，才能发生的转座作用。Ac和Ds可以在基因组内移动，Ds的存在可使染色体在近旁断裂的机会大大增加，并因此改变临近基因的表型。Ac-Ds系统调节色素基因C的机制C基因位于玉米的九号染色体短臂上，Ac-Ds位于C基因附近；当C基因附近有Ac而无Ds时，C基因有活性，玉米籽粒有色素形成；当Ac不存在，而Ds因子插入、固定在C基因处，C基因失活，玉米籽粒无色素形成；当Ac存在时，虽有Ds因子插入、固定在C基因处，但胚胎发育过程中，有些细胞中的Ds因子会因Ac的活化而发生切离转座，C基因恢复活性，这些细胞仍能合成色素；1.原核生物的转座因子（1）插入序列（insertionsequence，IS）最简单的转座元件，最初是在乳糖操纵子中发现的一段自发的插入序列，阻止了被插入基因的转录，而常被称为插入序列IS序列都是可以独立存在的单元，两个末端有反向重复序列，中间带有介导自身移动的蛋白（转座酶）,不带有任何宿主基因。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。（2）转座子（transposon，Tn）转座子（transposon，Tn）是一类较大的转座因子，除了含有与它的转座作用有关的基因外，还带有某些抗药性基因（或其他宿主基因）。因此又称复合式转座因子，转座往往使宿主菌获得有关基因的特性；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。一旦形成复合转座子，IS序列就不能再单独移动，因为它们的功能被修饰了，只能作为复合体移动。转座作用的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，但对于一个特定的转座子来说，它所复制的靶序列长度都是一样的，如IS1两翼总有9个碱基对的靶序列，而Tn3两端总有5bp的靶序列。DuplicationoftheDNAsequenceatatargetsite，whenatransposonisinserted.Theduplicatedsequencesareshowninred.Thesesequencesaregenerallyonlyafewbasepairslong,sotheirsize(comparedwiththatofatypicaltransposon)isgreatlyexaggeratedinthisdrawing.转座可被分为复制性和非复制性两大类。在复制性转座中，所移动和转位的是原转座子的拷贝。转座酶（transposase）和解离酶（resolvase）分别作用于原始转座子和复制转座子。TnA类转座主要是这种形式。在非复制性转座中，原始转座子作为一个可移动的实体直接被移位，IS序列、Mu及Tn5等都以这种方式进行转座。转座作用的遗传学效应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.ATTGCTAACGATTGCTAACGATTGCTAACGATTGCTAACGATTGCTAACGATTGCTAACG