1、第六章第六章 遺傳重組遺傳重組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程。遺傳重組：造成基因型變化的基因交流過程。發生：減數分裂性細胞內，體細胞發生：減數分裂性細胞內，體細胞地點：地點： 核基因間，葉綠體基因間，線粒體基因間，核基因間，葉綠體基因間，線粒體基因間， 重組子間；重組子間；前提條件：不同基因型的遺傳物質彼此能夠轉移。前提條件：不同基因型的遺傳物質彼此能夠轉移。作用：作用： 保證了遺傳多樣性保證了遺傳多樣性,為選擇奠定了物質基礎為選擇奠定了物質基礎,是是生物得以進化發展，與突變一起是變異的來源生物得以進化發展，與突變一起是變異的來源遺傳重組主要類型：遺傳重組主要類型：(依

2、據對依據對DNA序列和序列和所需蛋白質因子的要求所需蛋白質因子的要求) 同源重組同源重組 位點專一性重組位點專一性重組 異常重組異常重組 其共同點是雙股其共同點是雙股DNADNA間的物質交換，但發間的物質交換，但發生的情況不同。生的情況不同。第一節第一節 遺傳重組的類型遺傳重組的類型一、同源重組一、同源重組/ /普遍性重組普遍性重組 1.1.同源重組：同源重組：依賴大范圍的依賴大范圍的DNADNA同源序列的聯會，同源序列的聯會，重組過程中，兩個染色體或重組過程中，兩個染色體或DNADNA分子交換對等的部分。分子交換對等的部分。 例：同源染色體非姐妹單體交換；細菌的轉化、轉導、例：同源染色體非姐

3、妹單體交換；細菌的轉化、轉導、結合；噬菌體的重組結合；噬菌體的重組n需要重組的蛋白質參與；（例如需要重組的蛋白質參與；（例如. .大腸桿菌：大腸桿菌：RecARecA蛋白、蛋白、RecBCRecBC蛋白）蛋白）n蛋白質因子對蛋白質因子對DNADNA堿基序列的特異性要求不高；堿基序列的特異性要求不高；（存在重組熱點和序列長度的影響）（存在重組熱點和序列長度的影響）n真核生物染色質的狀態影響重組的頻率。真核生物染色質的狀態影響重組的頻率。 2.條件：條件：2個個DNA分子序列同源，且同源分子序列同源，且同源 區域越長越有利。區域越長越有利。 3.功能：功能： A：維持種群的遺傳多樣性；：維持種群的

4、遺傳多樣性； B：有助于：有助于DNA的損傷修復；的損傷修復； C：使真核生物產生第一次減數分裂中：使真核生物產生第一次減數分裂中染色體正確分離到子細胞至關重要的瞬間染色體正確分離到子細胞至關重要的瞬間物理連接。物理連接。 二、位點專一性重組/保守性重組 原核生物中最為典型 特點： 供體與受體的特定位點的短同源序列之間。 DNA精確切割 連接 DNA不失去、不合成、不交換對等部分（有時是一個DNA分子整合到另一個DNA分子中，又稱整合式重組），需要位點專一性的蛋白質因子參與。例如：例如： 噬菌體噬菌體DNA通過其通過其attP位點和大腸桿菌位點和大腸桿菌DNA的的attB位點之間專一性重組而實

5、現整合過位點之間專一性重組而實現整合過程。條件：一段程。條件：一段15bp的同源序列和位點專一性的同源序列和位點專一性的蛋白質因子（不能催化其他任何兩條不論是的蛋白質因子（不能催化其他任何兩條不論是同源的還是非同源序列間的重組，從而保證了同源的還是非同源序列間的重組，從而保證了噬菌體整合方式的專一性和高度保守性，因噬菌體整合方式的專一性和高度保守性，因此又稱保守性重組。）而且這一重組不需要此又稱保守性重組。）而且這一重組不需要RecA 蛋白質的參與。蛋白質的參與。三、異常重組三、異常重組 完全不依賴于序列間的同源性而使一段完全不依賴于序列間的同源性而使一段DNA序列插入另一段中，但在形成重組序

6、列插入另一段中，但在形成重組分子時往往依賴分子時往往依賴DNA復制而完成重組過復制而完成重組過程，因此又稱復制性重組。程，因此又稱復制性重組。一、重組雙方一、重組雙方DNA分子的斷裂與重接分子的斷裂與重接 1. 證據：證據： 1961，M.Meselson and J.J.Wergle兩個雙標記兩個雙標記噬噬菌體感染大腸桿菌。菌體感染大腸桿菌。(c.mi) )噬菌體噬菌體1 13C和和14N “重重”鏈鏈 (+.+) ) 噬菌體噬菌體2 12C和和14N “輕輕”鏈鏈同時感染同時感染大腸桿菌大腸桿菌子代噬菌體子代噬菌體CsCl密度梯度離心密度梯度離心重鏈重鏈重鏈和輕鏈重鏈和輕鏈輕鏈輕鏈第二節第

7、二節 同源重組的分子機制同源重組的分子機制2、幾個概念、幾個概念： 重組核心：兩個重組核心：兩個DNA分子的連接分子的連接 連接分子連接分子/接合分子：接合分子： 重組接點重組接點/重組結合點：重組結合點： 雜種雜種DNA/異源雙鏈異源雙鏈DNA： 分支遷移：重組接點沿雙鏈移動分支遷移：重組接點沿雙鏈移動 交互重組：一條親本雙螺旋分子和另外交互重組：一條親本雙螺旋分子和另外 一條親本一條親本 雙螺旋分子共價連接，中間有一端異源雙鏈區，這種雙螺旋分子共價連接，中間有一端異源雙鏈區，這種重組稱為交互重組。重組稱為交互重組。染色體配對時形成的聯會復合體結構電鏡照片染色體配對時形成的聯會復合體結構電鏡

8、照片二、同源重組的二、同源重組的Holliday模型模型Robin Holliday于于1964年提出了重組的雜和年提出了重組的雜和DNA模型，模型，又稱又稱Holliday模型。該模型對重組過程的解釋如下：模型。該模型對重組過程的解釋如下：A、同源的非姐妹染色單體聯會；、同源的非姐妹染色單體聯會；B：同源非姐妹染色單體：同源非姐妹染色單體DNA中兩個方向相同的單鏈，中兩個方向相同的單鏈，在在DNA內切酶的作用下，在相同位置同時切開；內切酶的作用下，在相同位置同時切開；C：切開的單鏈交換重接：切開的單鏈交換重接;D：形成交聯橋結構；：形成交聯橋結構；E：交聯橋沿配對：交聯橋沿配對DNA分子分子

9、“移動移動”。兩個親本。兩個親本DNA分子間造成一大段異源雙鏈分子間造成一大段異源雙鏈DNA（ Holliday結構）結構）F：E和和F相同；相同；G：繞交聯橋旋轉：繞交聯橋旋轉1800；J：形成：形成Holliday異構體；異構體；I、通過兩種方式之一切斷、通過兩種方式之一切斷DNA單鏈，若左右切，單鏈，若左右切，則形成非重組體，若上下切則形成重組體。則形成非重組體，若上下切則形成重組體。 由上可知：無論由上可知：無論Holliday結構斷裂是否導致結構斷裂是否導致旁側遺傳標記的重組，他們都含有一個異源雙旁側遺傳標記的重組，他們都含有一個異源雙鏈鏈DNA區。區。HOLLIDAY模型 同源重組

10、的同源重組的Holliday模型模型 （雜種DNA模型或異源 雙鏈模型）：環狀環狀DNA分子的重組分子的重組 兩個環狀DNA分子配對、斷裂、重接形成“8”字型結構中間物，根據切割的位置不同，可分別形成兩個親本環、大的單體環或者是滾環結構。也可以形成“” 結構。粗糙鏈孢霉的生活史Photomicrograph showing segregation of dark and light ascospores in Neurospora.三、基因轉變及其分子機理三、基因轉變及其分子機理（一）異常分離與基因轉變（一）異常分離與基因轉變 1938，H.Vinkle 基因轉變基因轉變(gene conve

11、rsion)：一個基因轉變為：一個基因轉變為它的等位基因的遺傳學現象。（它的等位基因的遺傳學現象。（源于基因內重組） pdxp：酸度敏感的VB6需要型 pdx： 酸度不敏感的VB6需要型 Mitchell： + pdxp x pdx + 孢子對子囊12341+ pdxppdx +pdx +2+pdx + pdxp+ pdxp3+ pdxp+pdx +4pdx + pdxppdx +pdx +AAAAaaaa糞生糞殼菌糞生糞殼菌(Olive):GA gaGA 非重組孢子對GagaGAgAga非重組孢子對重組孢子對，一個孢子基因轉變重組孢子對，一個孢子基因轉變（二）（二） 基因轉變的類型基因轉變的

12、類型 染色單體轉變：染色單體轉變：2：6或或6：2分離比分離比 減數分裂減數分裂4個產物中，一個出現基因轉變個產物中，一個出現基因轉變 半染色單體轉變：半染色單體轉變：5：3；3：1：1：3 減數分裂四個產物中，一個或減數分裂四個產物中，一個或2個的一半出現基因轉變個的一半出現基因轉變 減數分裂后分離：等位基因的分離發生在減數分減數分裂后分離：等位基因的分離發生在減數分裂后的有絲分裂中裂后的有絲分裂中 （三）基因轉變的分子機制 基因轉變的實質：重組過程中留下的局部異源雙鏈區，在細胞內的修復系統識別下不同的酶切/不酶切產生的結果。不同的切除會產生不同的結果。根據切除修復原理，基因轉變的幾種類型產

13、生的根據切除修復原理，基因轉變的幾種類型產生的分子機制可以歸納如下（圖分子機制可以歸納如下（圖8-8）。）。 1兩個雜種分子均未校正（圖兩個雜種分子均未校正（圖8-8A）復制后）復制后出現異常的出現異常的44g（或（或3113）的分離。）的分離。 2一個雜種分子校正為一個雜種分子校正為+，或校正為，或校正為g時，則時，則發生另一種類型的半染色單體轉變，前者修復發生另一種類型的半染色單體轉變，前者修復后出現后出現53的分離，后者子囊孢子的異常分離的分離，后者子囊孢子的異常分離比為比為35（圖（圖8-8B）。）。 3兩個雜種分子都被校正到兩個雜種分子都被校正到+（或（或g）時（圖）時（圖8-8C）

14、，修復后出現），修復后出現62g（或（或26g）的）的異常分離。這便是出現染色單體轉變的起因。異常分離。這便是出現染色單體轉變的起因。 4當兩個雜種分子都按原來兩個親本的遺傳當兩個雜種分子都按原來兩個親本的遺傳結構進行修復時，則減數分裂結構進行修復時，則減數分裂4個產物恢復成個產物恢復成G-C、G-C、A-T、A-T的正常配對狀態，子囊的正常配對狀態，子囊孢子分離正常，呈現孢子分離正常，呈現44g的結果，如圖的結果，如圖8-8D所示。所示。四、四、Meselson-Radding模型模型 Holliday模型中為對稱的雜合雙鏈，而實際情況有模型中為對稱的雜合雙鏈，而實際情況有不均等分離現象，不

15、均等分離現象，1975年年Meselson-Radding 提出模型提出模型解釋這種不對稱重組現象：解釋這種不對稱重組現象： 1.單鏈切斷單鏈切斷 2.鏈置換鏈置換 3.單鏈入侵單鏈入侵 4.泡切除泡切除 5.鏈同化（碎鏈吸收）鏈同化（碎鏈吸收） 6.異構化異構化Holliday 7.分支遷移分支遷移第三節第三節 細菌的同源重組細菌的同源重組 一一 、細菌同源重組的特點、細菌同源重組的特點 細菌的接合、轉化以及轉導重組都是同源重細菌的接合、轉化以及轉導重組都是同源重組，而且這種重組是發生在一個完整的環狀組，而且這種重組是發生在一個完整的環狀雙螺旋雙螺旋DNA分子與一個雙鏈或單鏈分子與一個雙鏈或

16、單鏈DNA分子分子片段之間的。且重組需要片段之間的。且重組需要3種基因所編碼的種基因所編碼的RecA和和RecBC蛋白質。蛋白質。 RecA蛋白：多功能蛋白蛋白：多功能蛋白 1.NTP酶活性：存在單鏈酶活性：存在單鏈DNA時，時， RecA具水解具水解ATP/dATP活性，促進聯會。活性，促進聯會。 2. 單鏈單鏈DNA結合活性：結合活性：RecA蛋白與單鏈蛋白與單鏈DNA形成絲狀形成絲狀復合物，使其免受核酸酶攻擊。復合物，使其免受核酸酶攻擊。 3.DNA解旋活性：解旋活性：DNA為單鏈或寡聚核苷酸。為單鏈或寡聚核苷酸。RecA蛋蛋白在雙鏈白在雙鏈DNA的單鏈切口處解開雙螺旋的單鏈切口處解開雙

17、螺旋 4.部分單鏈部分單鏈DNA區，區，RecA蛋白促進蛋白促進DNA分子間聯會。分子間聯會。RecA蛋白蛋白異源雙鏈區異源雙鏈區 RecBC：溶解酶：溶解酶(Resolvase)活性活性,斷裂斷裂Holliday 結構的交聯橋完成重組。結構的交聯橋完成重組。二、細菌轉化重組機制二、細菌轉化重組機制 實質：單鏈實質：單鏈DNA片段與完整片段與完整DNA之間的重之間的重組，如下情況：組，如下情況： 切除外源切除外源DNA無重組無重組 切除受體切除受體DNA發生重組發生重組 無修復作用無修復作用 子代細胞出現兩種基因子代細胞出現兩種基因型（受體基因型和重組體基因型）型（受體基因型和重組體基因型）*

18、通常采用有利于重組體基因型生長的選擇條通常采用有利于重組體基因型生長的選擇條件件 高效率標記（高效率標記（high-efficiency maker)：在轉化：在轉化中，有些遺傳標記或是很少發生校正作用，或中，有些遺傳標記或是很少發生校正作用，或是校正切除幾乎總是在受體是校正切除幾乎總是在受體DNA上，因此轉化上，因此轉化頻率較高，這類遺傳標記稱為頻率較高，這類遺傳標記稱為。 低效率標記（低效率標記（ low-efficiency maker ）：轉化）：轉化中一些標記的校正切除總是傾向于發生在供體中一些標記的校正切除總是傾向于發生在供體單鏈上，因而出現很低的轉化頻率，這類標記單鏈上，因而出現

19、很低的轉化頻率，這類標記稱為稱為。三、細菌的接合與轉導中的重組機制三、細菌的接合與轉導中的重組機制 接合重組（Hfr與F-之間進行）部分DNA進入細胞，且只有其中的部分參與重組，需要RecA和RecBC參與，機制與轉化重組相似 轉導重組 （phage-DNA與細菌之間）雙鏈DNA與完整雙鏈DNA之間的重組，供體DNA以雙鏈進入受體細胞，并且以雙鏈形式整合進入染色體，需要RecA和RceBC參與。第四節第四節 位點專一性重組位點專一性重組 一、一、噬菌體的整合和切除噬菌體的整合和切除 噬菌體：噬菌體： attP POP、 大腸桿菌：大腸桿菌： attB/ att BOB、 1.整和：整和： BO

20、B、+ POP、 BOP、+ POB、 2.切除：切除： BOP、+ POB、 BOB+ POPIntIHFInt,Xis IHF 通過attP和attB間的相互重組，環狀的噬菌體DNA轉換為整合的原噬菌體，原噬菌體通過attL和attR間的相互重組而切除二、位點專一性重組的核苷酸序列二、位點專一性重組的核苷酸序列 1. POP:O為15bp(核心)富含A-T的非對稱序列； P為-160 0的160bp序列 P為0 80的80bp序列 共240bp 2. BOB:B為-11 0序列 B為0 11序列 共23bp位點專一性重組：條件性基因敲除重組的應用實例-基因敲除第五節第五節 異常重組異常重組

21、原核生物轉座子原核生物轉座子轉座子轉座子(transposon,Tn):基因組內不必借助于同源基因組內不必借助于同源序列就能序列就能 改變自身位置的一端改變自身位置的一端DNA序列序列. 異常異常: 轉座、重組發生在非同源序列間，不轉座、重組發生在非同源序列間，不 需需RecA蛋白蛋白一、原核生物中的轉座子一、原核生物中的轉座子 1.插入序列（插入序列（inserted sequence,IS)：長度在：長度在768-5700bp, 兩端具幾兩端具幾幾十幾十bp的反向重復序列的反向重復序列含有含有Is的質粒經變性后形成柄環結構的質粒經變性后形成柄環結構當一個當一個IS插入插入“靶靶”DNA后，

22、其兩端會出現一后，其兩端會出現一小段正向重復序列（約小段正向重復序列（約5-11個核苷酸對。個核苷酸對。插入位點形成正向重復序列的機制插入位點形成正向重復序列的機制二、轉座子：二、轉座子： 大大(2000-25000bp)，轉座有關的基因，轉座有關的基因,抗藥性及其他基抗藥性及其他基因，兩端具相同或同源序列。如因，兩端具相同或同源序列。如IR序列。序列。三、轉座噬菌體：三、轉座噬菌體：Mu噬菌體噬菌體 與其他溫和性噬菌體的差別：其基因組不論在進入裂與其他溫和性噬菌體的差別：其基因組不論在進入裂解周期或處于溶源狀態都可隨機整合到宿主染色體的解周期或處于溶源狀態都可隨機整合到宿主染色體的任何位置，

23、且游離的和已整合的基因次序是相同的任何位置，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的結構模式圖的結構模式圖 9.2.2 轉座子（轉座子（transposon，Tn） 轉座子是一類復合性轉座因子，它帶有同轉座無關的基因（如抗藥性基因），轉座子兩端有反向或正向重復的IS。 Tn的轉座過程：的轉座過程： 第六節第六節 異常重組異常重組真核生物中的轉座子真核生物中的轉座子 一、酵母菌的轉座子：一、酵母菌的轉座子： Ty系列，長度約系列，長度約6300bp，兩端含有兩個，兩端含有兩個 正向重復正向重復序列，其插入酵母菌染色體后，受體出現序列，其插入酵母菌染色體后，受體出現5bp的

24、正向重的正向重復序列。復序列。 二、果蠅的轉座子二、果蠅的轉座子 P因子：雜種不育因子：雜種不育 ORF0 ORF1 ORF2 ORF3，內含子內含子1，2，3 P（母）（母）x P（父），（父）， M（母）（母）x M（父），（父）， P（母）（母）x M（父）：（父）：F1正常；正常； P（父）（父）x M（母）：（母）： F1不正常不正常9.3 異常重組-真核生物的轉座子9.3.1 果蠅的P因子 全長全長P 因子：因子： 2907bp，兩端 33bp的IR，4個外顯子， 在生殖細胞中編碼有活性的轉座酶，在體細胞中編碼無活性的轉座酶。缺失型缺失型P因子因子：P因子中段缺失衍生物，長度為0.

25、51.4kb ,依賴 全長P因子的轉座酶才能轉座。果蠅果蠅P品系品系的基因組有3050份 P因子拷貝，1/3為全長P因子。由于P因子的轉座而引起的果蠅的雜種發育障礙：P() M() P因子轉座，引起插入突變，染色體畸變M() M()或或M() P() 無生育障礙(卵細胞質中含有大量的無活性的轉座酶，轉座抑制元件)。雜種發育障礙有效地將相互雜交的群體逐漸隔離開來，并在生殖細胞中引入新的突變，對物種形成有重要影響無轉座，后代可育轉座，后代劣育無轉座，后代可育P因子與雜種劣育 三、玉米的轉座子三、玉米的轉座子 1932年，美國玉米遺傳學家年，美國玉米遺傳學家B.McClintock發現玉發現玉米籽粒

26、色斑不穩定遺傳現象，于米籽粒色斑不穩定遺傳現象，于1951年，第一年，第一次提出轉座因子的概念。次提出轉座因子的概念。糊粉層顏色：糊粉層顏色： A C R Pr I/Ds 花色素花色素 顏色顏色 紅紅 紫紫 抑制因子抑制因子 解離因子解離因子 I/Ds：解離因子：解離因子 Ac：激活因子：激活因子DNA transposable element Ac和和Ds位于玉米第位于玉米第9染色體短臂上的色素基因染色體短臂上的色素基因C附附近近;有Ac而沒有Ds時，C基因正常表達，籽粒有色； 當Ac和Ds都存在時，部分細胞中Ds會引起染色體斷裂而去除色素基因C的作用，同時由于Ac因子轉座酶的作用在另一些細胞中Ds會切離轉座，因而色素基因C仍能正常表達，籽粒表現為無色斑點