遗传学遗传重组

第九章遗传重组遗传重组的类型一、同源重组(homologousrecombination)又叫普遍性重组(generalizedrecombination)，大范围同源序列对等交换。二、位点专一性重组(site-specificrecombination)又叫保守性重组(conservativerecombination),重组发生在小范围内的精确的切割和连接反应，往往不是对等交换而是整合式重组，如λ噬菌体整合。三、异常重组(illegitimaterecombination)完全不依赖于序列间的同源性，而是依赖于DNA复制和修复而完成重组，又叫可动遗传因子。如转座子。减数分裂中染色体的交换和重组Holliday模型a)同源染色体联会b)内切酶切割非姊妹染色单体DNAc)交换重接形成交联桥结构(cross-bridgestructure)d)分枝迁移(branchmigration),形成异源双链区e)Holliday中间体(Chi结构)f)垂直切割和重接g)水平切割和重接分支迁移一、同源重组的分子机制Holliday中间体----Chi结构及其分子模型二、位点专一性重组典型的位点专一性重组：λ噬菌体的整合和切除。1.λ-DNA对E.coli的整合：POP’+BOB’→BOP’—POB’需要整合酶(Int—拓扑异构酶活性)和整合宿主因子(IHF)参与,非可逆反应。2.λ-DNA从E.coli的切离：BOP’—POB’→POP’+BOB’需要整合酶(Int)、整合宿主因子(IHF)和切除酶(Xis)参与,非可逆反应。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整合的过程:A.具有对特异性DNA强烈亲和力的Int与attP和attB位点结合；B.Int的拓扑异构酶活性，使两条双链各自断开一条单链，瞬间旋转然后交换连接，形成Holliday中间体；C.在另两条单链之间发生同样的断裂重接，从而完成双链间的重组。三、异常重组的分子基础--转座子：转座子，又叫可动遗传因子，指基因组中可以改变自身位置的基因1951年BarbaraMcClintock发现玉米中存在可动遗传因子，但未引起重视可动遗传因子扩大了基因概念的含义:生物体内基因的位置、结构和数目不是固定不变的，而是可以移动和改变的。DNA的转座（DNATRANSPOSITION）复制型转座（replicativetransposition）非复制型转座（replicativetransposition）保守型转座（replicativetransposition）1、转座类型1）复制型转座模式（replicativetransposition）转座子被复制，一个拷贝保留在供体原来的部位不变；另一个拷贝则插入到受体的位点上。需两种酶：转座酶(transposase)和解离酶(resolvase)靶位点的DR形成复制型转座因子的特点①完全不依赖于序列间的同源性，而是依赖于DNA复制和修复而完成重组。②转座因子转座以后，原来位置上的转座因子保持不变，而将它的一个复制品转移到另一个位置③在新的位置上，转座因子两侧出现5~12bp正向重复序列④转座过程中出现共联体（cointegrate)，即两个复制子通过共价键连接形成的一个复制子2）非复制型转座（nonreplicativetransposition)转座子从供体一个位点转移到受体新位点处，供体位点留下缺口，受到损伤（严重时致死）或宿主修复系统识别修复。只需转座酶3）保守转座（conservativetransposition)另一种非复制型。与λ整合机制相似，其转座酶与λ整合酶家族有关。2、原核生物中的转座因子种类与特点根据分子结构和遗传性质可分为3种类型：A插入序列:insertionsequenceISB转座子：其中包括简单转座子（simpletransposon）复合转座子（compositetransposon）C转座噬菌体（Mutantorphage,Mu）A插入序列♣最简单，是细菌染色体、质粒和某些噬菌体的正常组分，是一个自主的单位，每种IS均编码自身转座所需的蛋白质。♣命名：IS＋编号（鉴定类型）长度700～2000bp每种IS元件具有不同序列，但有共同的组织形式插入序列IS1的结构IS6B复合转座子（compositetransposon）♣表示法：通常以Tn和后面加上数码表示，如Tn903。♣结构:a.除有转座酶基因外还有其它表型基因，如：抗药基因，使宿主具表型效应。b.两侧有重复序列。c.有的转座子的重复顺序就是IS。Tn1681大肠杆菌热稳定毒素I基因552bpIRIRIRIR复合转座子结构示意图IS1IS1a)Tn/TnAfamilyl具有IR、转座酶基因、调节基因（解离酶）、抗抗生素基因2.5kb20kbTn3IRTnpATnpRAmpRIR38bp38bp转座酶regulatorβ-内酰胺酶♣两种类型b）两端重复序列为IS的复合转座子e.g.IS插入到功能基因两端，可能形成复合转座因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。ISISISISLISR臂中心区臂transposition♣当两个IS组件相同时，其中任一个都可行使转座功能♣不同时，主要依靠一个♣两侧的IS既可以是IR，又可以是DR状态（IR多）C、转座噬菌体mutatorphage,Mu（巨型转座子）CrepressorforA,BB33kd与转座有关A70kd转座酶U,S毒性蛋白attL,attR与寄主同源，反向重复，转座必需GinG区倒位酶G倒位区38kbattLCABSUattR150bp1.5kbPgin以E.coli为寄主的温和型噬菌体（溶源、裂解）Mu的插入途径a）侵入的Mu在溶源化过程中任意插入寄DNAb）进入裂解生长后，复制产生后代MuDNA几乎全部插入寄主DNA中，并可继续转座（形成寄主DNA和Mu的共合体），噬菌体成熟时，切段共合体包装4、真核生物的转座成分a)转座机制与细菌的转座子类似遗传信息：DNA→DNA♥玉米的Ac-Ds元件、果蝇的P元件和FB元件等b)转作机制类似逆转录病毒遗传信息：RNA→DNA→RNA♥如：逆转录病毒、果蝇的Copia元件、酵母的Ty元件根据转座机制目前分为两类：Ac和Ds这两个因子都位于玉米的第九号染色体短臂，在色素基因C的附近。Ac因子全长4.5kb，有5个外显子，其产物是转座酶。Ac因子两端是长11bp的反向重复序列(IR)；Ds因子长0.4-4kb，它的中间(在转座酶基因中)有许多种长度不等的缺失,如Ds9缺失194bp，而Ds6则缺失2.5kb，Ds的两端也都有11bp的反向重复序列。Ac和Ds的末端反向重复几乎是一样的，只有一个不同之处：Ac两端最外边的核苷酸是彼此不互补的T:G，而Ds是互补的T:A(图)。1）玉米基因组中的转座子Ac-Ds转座元件结构示意图。右边示Ac及Ds元件的单链DNA末端反向重复配对所形成的茎环结构，这种结构可能对转座有意义由于缺失转座酶，Ds因子不能自主移动，因此Ds因子是非自主移动的受体因子(dissociator)，而Ac则为自主移动的调节因子(activator)，Ds的转座依赖于Ac元件的存在。玉米转座因子对胚乳颜色的影响Ac、Ds的转座属于非复制机制果蝇的P因子有两种类型：一类是全长P因子，长2907bp，两端有33bp的反向重复序列(IR)，有4个外显子(4个ORF)，编码转座酶；另一类为缺失型P因子，它不能编码转座酶，它的转座依赖于全长P因子。缺失型P因子都是由活性P因子的中段缺失衍生而来的，长度从500bp到1400bp不等。不带有P因子的品系称为M品系，带有P因子的品系称为P品系。P因子的转座也属于非复制型。2）果蝇基因组中的转座子果蝇P因子的结构果蝇杂种不育仅发生在P♂XM♀中果蝇杂种不育取决于基因组中P因子和不同细胞型中阻遏蛋白的相互作用6、转座子的遗传学效应1）引起染色体结构变异通过转座子介导的姐妹染色单体间的染色体内异位交换2）诱发基因突变与启动外显子混编转座子切离所造成的序列变异当二个转座子被同一转座酶识别而整合到染色体的邻近位置时，则位于它们之间的序列有可能被转座酶作用而转座，如果这DNA序列中含有外显子，则被切离并可能插入另一基因中，这种效应称为外显子改组(exonshuffling。外显子改组将导致基因组中新基因的产生。双转座子插入所引起的外显子改组示意图3）调节基因表达很多转座子带有启动子，如Tn10右侧的ISI0R以某一方向插入到缺失启动子而不能表达的argE基因的5’端而启动其表达。插入而引起转录水平降低、基因失活等。4）产生新的变异复合转座子带有抗性基因（如抗药性基因ampc)，可产生两方面效应：一个基因的插入突变；出现抗药基因。