遺傳學(xué)第六章

1、第六章 遺傳重組,,遺傳重組,遺傳重組：造成基因型變化的基因交流過(guò)程。發(fā)生：減數(shù)分裂性細(xì)胞內(nèi)，體細(xì)胞地點(diǎn)： 核基因間，葉綠體基因間，線粒體基因間， 重組子間；前提條件：不同基因型的遺傳物質(zhì)彼此能夠轉(zhuǎn)移。作用： 保證了遺傳多樣性,為選擇奠定了物質(zhì)基礎(chǔ),是生物得以進(jìn)化發(fā)展，與突變一起是變異的來(lái)源,遺傳重組主要類(lèi)型：(依據(jù)對(duì)DNA序列和所需蛋白質(zhì)因子的要求) 同源重組

2、 位點(diǎn)專(zhuān)一性重組 異常重組 其共同點(diǎn)是雙股DNA間的物質(zhì)交換，但發(fā)生的情況不同。,,第一節(jié) 遺傳重組的類(lèi)型,一、同源重組/普遍性重組,1.同源重組：依賴(lài)大范圍的DNA同源序列的聯(lián)會(huì)，重組過(guò)程中，兩個(gè)染色體或DNA分子交換對(duì)等的部分。 例：同源染色體非姐妹單體交換；細(xì)菌的轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導(dǎo)、結(jié)合；噬菌體的重組…,,需要重組的蛋白質(zhì)參與；（例如.大腸桿菌：RecA蛋白、RecBC蛋白

3、）蛋白質(zhì)因子對(duì)DNA堿基序列的特異性要求不高；（存在重組熱點(diǎn)和序列長(zhǎng)度的影響）真核生物染色質(zhì)的狀態(tài)影響重組的頻率。,2.條件：2個(gè)DNA分子序列同源，且同源 區(qū)域越長(zhǎng)越有利。 3.功能： A：維持種群的遺傳多樣性； B：有助于DNA的損傷修復(fù)； C：使真核生物產(chǎn)生第一次減數(shù)分裂中染色體正確分離到子細(xì)胞至關(guān)重要的瞬間物理連接。,,二、位點(diǎn)專(zhuān)一性重組/保守性重組,原核生物中最為典型 特點(diǎn)：

4、 供體與受體的特定位點(diǎn)的短同源序列之間。 DNA精確切割 連接 DNA不失去、不合成、不交換對(duì)等部分（有時(shí)是一個(gè)DNA分子整合到另一個(gè)DNA分子中，又稱(chēng)整合式重組），需要位點(diǎn)專(zhuān)一性的蛋白質(zhì)因子參與。,,例如： λ噬菌體DNA通過(guò)其attP位點(diǎn)和大腸桿菌DNA的attB位點(diǎn)之間專(zhuān)一性重組而實(shí)現(xiàn)整合過(guò)程。條件：一段15bp的同源序列和位點(diǎn)專(zhuān)一性的蛋白質(zhì)因子（不能催化其他任何兩條不論是同源的還是非同源

5、序列間的重組，從而保證了λ噬菌體整合方式的專(zhuān)一性和高度保守性，因此又稱(chēng)保守性重組。）而且這一重組不需要RecA 蛋白質(zhì)的參與。,三、異常重組,完全不依賴(lài)于序列間的同源性而使一段DNA序列插入另一段中，但在形成重組分子時(shí)往往依賴(lài)DNA復(fù)制而完成重組過(guò)程，因此又稱(chēng)復(fù)制性重組。,一、重組雙方DNA分子的斷裂與重接 1. 證據(jù)： 1961，M.Meselson and J.J.Wergle兩個(gè)雙標(biāo)記λ噬菌體感

6、染大腸桿菌。(c.mi)λ噬菌體1 13C和14N “重”鏈 (+.+) λ噬菌體2 12C和14N “輕”鏈,,同時(shí)感染,大腸桿菌,子代噬菌體,,CsCl密度梯度離心,,重鏈重鏈和輕鏈輕鏈,,第二節(jié) 同源重組的分子機(jī)制,,2、幾個(gè)概念： 重組核心：兩個(gè)DNA分子的連接 連接分子/接合分子： 重組接點(diǎn)/重組結(jié)合點(diǎn)： 雜種DNA/異源雙鏈DNA：

7、 分支遷移：重組接點(diǎn)沿雙鏈移動(dòng) 交互重組：一條親本雙螺旋分子和另外 一條親本 雙螺旋分子共價(jià)連接，中間有一端異源雙鏈區(qū)，這種重組稱(chēng)為交互重組。,,染色體配對(duì)時(shí)形成的聯(lián)會(huì)復(fù)合體結(jié)構(gòu)電鏡照片,二、同源重組的Holliday模型,Robin Holliday于1964年提出了重組的雜和DNA模型，又稱(chēng)Holliday模型。該模型對(duì)重組過(guò)程的解釋如下：A、同源的非姐妹染色單體聯(lián)會(huì)；B：同源非姐妹染色單體DNA中兩個(gè)方向相同的單

8、鏈，在DNA內(nèi)切酶的作用下，在相同位置同時(shí)切開(kāi)；C：切開(kāi)的單鏈交換重接;D：形成交聯(lián)橋結(jié)構(gòu)；,,E：交聯(lián)橋沿配對(duì)DNA分子“移動(dòng)”。兩個(gè)親本DNA分子間造成一大段異源雙鏈DNA（ Holliday結(jié)構(gòu)）F：E和F相同；G：繞交聯(lián)橋旋轉(zhuǎn)1800；J：形成Holliday異構(gòu)體；I、通過(guò)兩種方式之一切斷DNA單鏈，若左右切，則形成非重組體，若上下切則形成重組體。 由上可知：無(wú)論Holliday結(jié)構(gòu)斷裂是否導(dǎo)致旁側(cè)遺

9、傳標(biāo)記的重組，他們都含有一個(gè)異源雙鏈DNA區(qū)。,HOLLIDAY模型,③ 同源重組的Holliday模型 （雜種DNA模型或異源 雙鏈模型）：,環(huán)狀DNA分子的重組 兩個(gè)環(huán)狀DNA分子配對(duì)、斷裂、重接形成“8”字型結(jié)構(gòu)中間物，根據(jù)切割的位置不同，可分別形成兩個(gè)親本環(huán)、大的單體環(huán)或者是滾環(huán)結(jié)構(gòu)。也可以形成“χ” 結(jié)構(gòu)。,大腸桿菌質(zhì)粒重組中電鏡下觀察到的Holliday結(jié)構(gòu),粗糙鏈孢霉的生活史

10、,Photomicrograph showing segregation of dark and light ascospores in Neurospora.,三、基因轉(zhuǎn)變及其分子機(jī)理,（一）異常分離與基因轉(zhuǎn)變 1938，H.Vinkle 基因轉(zhuǎn)變(gene conversion)：一個(gè)基因轉(zhuǎn)變?yōu)樗牡任换虻倪z傳學(xué)現(xiàn)象。（源于基因內(nèi)重組） pdxp：酸度敏感的VB6需要型 pdx： 酸度不

11、敏感的VB6需要型,Mitchell： + pdxp x pdx +,,,,,,,,,,,,,A,A,A,A,a,a,a,a,,,,,,,,,,,,,,糞生糞殼菌(Olive):GA × ga,GA 非重組孢子對(duì),Gaga,GAgA,ga非重組孢子對(duì),,,重組孢子對(duì)，一個(gè)孢子基因轉(zhuǎn)變,重組孢子對(duì)，一個(gè)孢子基因轉(zhuǎn)變,,,,,,（二） 基因轉(zhuǎn)變的類(lèi)型 染色單體轉(zhuǎn)變：2：6或6：2分離比

12、 減數(shù)分裂4個(gè)產(chǎn)物中，一個(gè)出現(xiàn)基因轉(zhuǎn)變 半染色單體轉(zhuǎn)變：5：3；3：1：1：3 減數(shù)分裂四個(gè)產(chǎn)物中，一個(gè)或2個(gè)的一半出現(xiàn)基因轉(zhuǎn)變 減數(shù)分裂后分離：等位基因的分離發(fā)生在減數(shù)分裂后的有絲分裂中,,,,,（三）基因轉(zhuǎn)變的分子機(jī)制,基因轉(zhuǎn)變的實(shí)質(zhì)：重組過(guò)程中留下的局部異源雙鏈區(qū)，在細(xì)胞內(nèi)的修復(fù)系統(tǒng)識(shí)別下不同的酶切/不酶切產(chǎn)生的結(jié)果。不同的切除會(huì)產(chǎn)生不同的結(jié)果。,根據(jù)切除修復(fù)原

13、理，基因轉(zhuǎn)變的幾種類(lèi)型產(chǎn)生的分子機(jī)制可以歸納如下（圖8-8）。1．兩個(gè)雜種分子均未校正（圖8-8A）復(fù)制后出現(xiàn)異常的4＋∶4g（或3∶1∶1∶3）的分離。2．一個(gè)雜種分子校正為+，或校正為g時(shí)，則發(fā)生另一種類(lèi)型的半染色單體轉(zhuǎn)變，前者修復(fù)后出現(xiàn)5∶3的分離，后者子囊孢子的異常分離比為3∶5（圖8-8B）。,3．兩個(gè)雜種分子都被校正到+（或g）時(shí)（圖8-8C），修復(fù)后出現(xiàn)6＋∶2g（或2＋∶6g）的異常分離。這便是出現(xiàn)染色單體轉(zhuǎn)變的起因

14、。4．當(dāng)兩個(gè)雜種分子都按原來(lái)兩個(gè)親本的遺傳結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)時(shí)，則減數(shù)分裂4個(gè)產(chǎn)物恢復(fù)成G-C、G-C、A-T、A-T的正常配對(duì)狀態(tài)，子囊孢子分離正常，呈現(xiàn)4＋∶4g的結(jié)果，如圖8-8D所示。,,四、Meselson-Radding模型,Holliday模型中為對(duì)稱(chēng)的雜合雙鏈，而實(shí)際情況有不均等分離現(xiàn)象，1975年Meselson-Radding 提出模型解釋這種不對(duì)稱(chēng)重組現(xiàn)象： 1.單鏈切斷 2.鏈置換

15、 3.單鏈入侵 4.泡切除 5.鏈同化（碎鏈吸收） 6.異構(gòu)化——Holliday 7.分支遷移,第三節(jié) 細(xì)菌的同源重組,一 、細(xì)菌同源重組的特點(diǎn) 細(xì)菌的接合、轉(zhuǎn)化以及轉(zhuǎn)導(dǎo)重組都是同源重組，而且這種重組是發(fā)生在一個(gè)完整的環(huán)狀雙螺旋DNA分子與一個(gè)雙鏈或單鏈DNA分子片段之間的。且重組需要3種基因所編碼的RecA和RecBC蛋白質(zhì)。,RecA蛋白：多功能蛋白 1.NTP酶活性

16、：存在單鏈DNA時(shí)， RecA具水解ATP/dATP活性，促進(jìn)聯(lián)會(huì)。 2. 單鏈DNA結(jié)合活性：RecA蛋白與單鏈DNA形成絲狀復(fù)合物，使其免受核酸酶攻擊。 3.DNA解旋活性：DNA為單鏈或寡聚核苷酸。RecA蛋白在雙鏈DNA的單鏈切口處解開(kāi)雙螺旋 4.部分單鏈DNA區(qū)，RecA蛋白促進(jìn)DNA分子間聯(lián)會(huì)。,,,,,,,,,,,,,RecA蛋白,,,,,異源雙鏈區(qū),,RecBC：溶解酶(Resolvase)活性,

17、斷裂Holliday 結(jié)構(gòu)的交聯(lián)橋完成重組。,二、細(xì)菌轉(zhuǎn)化重組機(jī)制,實(shí)質(zhì)：?jiǎn)捂淒NA片段與完整DNA之間的重組，如下情況： ①切除外源DNA——無(wú)重組 ②切除受體DNA——發(fā)生重組 ③無(wú)修復(fù)作用 ——子代細(xì)胞出現(xiàn)兩種基因型（受體基因型和重組體基因型）*通常采用有利于重組體基因型生長(zhǎng)的選擇條件,高效率標(biāo)記（high-efficiency maker)：在轉(zhuǎn)化中，有些遺傳標(biāo)記或是很少發(fā)生校正作用，或是校正切除幾乎總

18、是在受體DNA上，因此轉(zhuǎn)化頻率較高，這類(lèi)遺傳標(biāo)記稱(chēng)為~。低效率標(biāo)記（ low-efficiency maker ）：轉(zhuǎn)化中一些標(biāo)記的校正切除總是傾向于發(fā)生在供體單鏈上，因而出現(xiàn)很低的轉(zhuǎn)化頻率，這類(lèi)標(biāo)記稱(chēng)為~。,三、細(xì)菌的接合與轉(zhuǎn)導(dǎo)中的重組機(jī)制,接合重組（Hfr與F-之間進(jìn)行）部分DNA進(jìn)入細(xì)胞，且只有其中的部分參與重組，需要RecA和RecBC參與，機(jī)制與轉(zhuǎn)化重組相似轉(zhuǎn)導(dǎo)重組 （phage-DNA與細(xì)菌之間）雙鏈DNA與完整雙鏈DN

19、A之間的重組，供體DNA以雙鏈進(jìn)入受體細(xì)胞，并且以雙鏈形式整合進(jìn)入染色體，需要RecA和RceBC參與。,第四節(jié) 位點(diǎn)專(zhuān)一性重組,一、λ噬菌體的整合和切除 λ噬菌體： attP POP、 大腸桿菌： attB/ attλ BOB、 1.整和： BOB、+ POP、 BOP、+ POB、

20、 2.切除： BOP、+ POB、 BOB+ POP,IntIHF,,Int,Xis IHF,,通過(guò)attP和attB間的相互重組，環(huán)狀的噬菌體DNA轉(zhuǎn)換為整合的原噬菌體，原噬菌體通過(guò)attL和attR間的相互重組而切除,二、位點(diǎn)專(zhuān)一性重組的核苷酸序列,1. POP’:O為15bp(核心)富含A-T的非對(duì)稱(chēng)序列； P為-160 ~ 0的160bp序列

21、 P’為0 ~ 80的80bp序列 共240bp2. BOB’:B為-11 ~0序列 B’為0 ~11序列 共23bp,位點(diǎn)專(zhuān)一性重組：條件性基因敲除,重組的應(yīng)用實(shí)例-基因敲除,,,第五節(jié) 異常重組—原核生物轉(zhuǎn)座子,轉(zhuǎn)座子(transposon,Tn):基因組內(nèi)不必借助于同源序列就能 改變自身位置的一端DN

22、A序列. 異常: 轉(zhuǎn)座、重組發(fā)生在非同源序列間，不 需RecA蛋白一、原核生物中的轉(zhuǎn)座子 1.插入序列（inserted sequence,IS)：長(zhǎng)度在768-5700bp, 兩端具幾~幾十bp的反向重復(fù)序列,含有Is的質(zhì)粒經(jīng)變性后形成柄環(huán)結(jié)構(gòu),當(dāng)一個(gè)IS插入“靶”DNA后，其兩端會(huì)出現(xiàn)一小段正向重復(fù)序列（約5-11個(gè)核苷酸對(duì)。,插入位點(diǎn)形成正向重復(fù)序列的機(jī)制,二、轉(zhuǎn)座子： 大(200

23、0-25000bp)，轉(zhuǎn)座有關(guān)的基因,抗藥性及其他基因，兩端具相同或同源序列。如IR序列。三、轉(zhuǎn)座噬菌體：Mu噬菌體 與其他溫和性噬菌體的差別：其基因組不論在進(jìn)入裂解周期或處于溶源狀態(tài)都可隨機(jī)整合到宿主染色體的任何位置，且游離的和已整合的基因次序是相同的.,使宿主菌獲得一定特性,Tn3的結(jié)構(gòu)模式圖,9.2.2 轉(zhuǎn)座子（transposon，Tn）轉(zhuǎn)座子是一類(lèi)復(fù)合性轉(zhuǎn)座因子，它帶有同轉(zhuǎn)座無(wú)關(guān)的基因（如抗藥性基因），轉(zhuǎn)座子

24、兩端有反向或正向重復(fù)的IS。,Tn的轉(zhuǎn)座過(guò)程：,第六節(jié) 異常重組——真核生物中的轉(zhuǎn)座子,一、酵母菌的轉(zhuǎn)座子： Ty系列，長(zhǎng)度約6300bp，兩端含有兩個(gè)δ 正向重復(fù)序列，其插入酵母菌染色體后，受體出現(xiàn)5bp的正向重復(fù)序列。二、果蠅的轉(zhuǎn)座子 P因子：雜種不育 ORF0 ORF1 ORF2 ORF3，內(nèi)含子1，2，3 P（母）x P（父）， M（母）x M（父）

25、， P（母）x M（父）：F1正常； P（父）x M（母）： F1不正常,9.3 異常重組-真核生物的轉(zhuǎn)座子9.3.1 果蠅的P因子 全長(zhǎng)P 因子： 2907bp，兩端 33bp的IR，4個(gè)外顯子， 在生殖細(xì)胞中編碼有活性的轉(zhuǎn)座酶，在體細(xì)胞中編碼無(wú)活性的轉(zhuǎn)座酶。缺失型P因子：P因子中段缺失衍生物，長(zhǎng)度為0.5~1.4kb ,依賴(lài) 全長(zhǎng)P因子的轉(zhuǎn)座酶才能轉(zhuǎn)座。果蠅P品系的基因組有30~50

26、份 P因子拷貝，1/3為全長(zhǎng)P因子。,由于P因子的轉(zhuǎn)座而引起的果蠅的雜種發(fā)育障礙：,P(♂) ×M(♀) →P因子轉(zhuǎn)座，引起插入突變，染色體畸變,M(♂) ×M(♀)或M(♂) ×P(♀) →無(wú)生育障礙(卵細(xì)胞質(zhì)中含有大量的無(wú)活性的轉(zhuǎn)座酶，轉(zhuǎn)座抑制元件)。,雜種發(fā)育障礙有效地將相互雜交的群體逐漸隔離開(kāi)來(lái)，并在生殖細(xì)胞中引入新的突變，對(duì)物種形成有重要影響,無(wú)轉(zhuǎn)座，后代可育,轉(zhuǎn)座，后代劣育,無(wú)轉(zhuǎn)座，后代可育,P

27、因子與雜種劣育,三、玉米的轉(zhuǎn)座子 1932年，美國(guó)玉米遺傳學(xué)家B.McClintock發(fā)現(xiàn)玉米籽粒色斑不穩(wěn)定遺傳現(xiàn)象，于1951年，第一次提出轉(zhuǎn)座因子的概念。糊粉層顏色： A C R Pr I/Ds 花色素 顏色 紅 紫 抑制因子

28、 解離因子 I/Ds：解離因子 Ac：激活因子,,Ac和Ds位于玉米第9染色體短臂上的色素基因C附近;有Ac而沒(méi)有Ds時(shí)，C基因正常表達(dá)，籽粒有色；當(dāng)Ac和Ds都存在時(shí)，部分細(xì)胞中Ds會(huì)引起染色體斷裂而去除色素基因C的作用，同時(shí)由于Ac因子轉(zhuǎn)座酶的作用在另一些細(xì)胞中Ds會(huì)切離轉(zhuǎn)座，因而色素基因C仍能正常表達(dá)，籽粒表現(xiàn)為無(wú)色斑點(diǎn)（色底白斑）；當(dāng)Ac和Ds都存在，Ds

29、插入到色素基因C時(shí)，由于Ac的影響Ds很不穩(wěn)定，經(jīng)常切離轉(zhuǎn)座，從而籽粒表現(xiàn)為色素斑點(diǎn)（白底色班）；只有Ds時(shí)，由于沒(méi)有了Ac，也就沒(méi)有了轉(zhuǎn)座酶，Ds不能移動(dòng)，根據(jù)其插入的位點(diǎn)不同表現(xiàn)為均色。,Ac和Ds的序列具有很高的同源性,表明Ds是Ac缺失后形成：,Ac-Ds 作 用 機(jī) 理 ：,雜交實(shí)驗(yàn)：,第七節(jié) 轉(zhuǎn)座機(jī)制與遺傳學(xué)效應(yīng),1. 轉(zhuǎn)座的機(jī)制： 以細(xì)菌中轉(zhuǎn)座子Tn3為例,說(shuō)明轉(zhuǎn)座的一般過(guò)程 (1979年Sharpi

30、ro提出) :A. 切開(kāi)： 轉(zhuǎn)座酶識(shí)別受體的靶序列，在兩條單鏈上均切開(kāi)，形成粘性末端；識(shí)別自身的反向重復(fù)序列，在3‘端切開(kāi)。B. 連接：供體和受體結(jié)合形成不完整共聯(lián)體，留下缺口。C. 復(fù)制：DNA聚合酶補(bǔ)齊缺口，再連接形成完整的共聯(lián)體，具有重復(fù)序列。D. 重組：在特定位點(diǎn)進(jìn)行重組，共聯(lián)體分離：留下原來(lái)的轉(zhuǎn)座子；并在靶序列上插入轉(zhuǎn)座子，兩端有同向重復(fù)序列。,2. 轉(zhuǎn)座子的遺傳學(xué)效應(yīng),可引起基因突變——插入或切離；改變?nèi)旧|(zhì)的結(jié)構(gòu)