10.遺傳重組和轉座生存→變異(突變+重組)→損傷修復→適應環境→加速進化10.1遺傳重組的類型10.2同源重組10.3位點專一性重組10.4異常重組——轉座10.遺傳重組和轉座一、教學基本要求1.了解基因轉變的現象；理解基因轉變的機理；了解位點特異重組的過程。2.熟悉細菌的插入序列（Is）、復合轉座元（Tn）、玉米的Ac-Ds、果蠅的P轉座子等常見轉座子的結構特征；了解復制轉座與非復制轉座作用；理解轉座的遺傳學效應。3.掌握同源重組、位點特異重組和轉座重組的定義，熟悉其特點；掌握相關的名詞概念。概述：?只要有DNA，就會發生重組減數分裂真核體細胞核基因、葉綠體和線粒體基因溫和噬菌體轉座子轉座?廣義遺傳重組：任何造成基因型變化的基因交流過程?狹義遺傳重組：涉及到DNA分子內斷裂-復合的基因交流過程10.1遺傳重組的類型同源重組的特征：涉及同源序列間的聯會，且交換的片段較大；涉及DNA分子在特定的交換位點發生斷裂-錯接的過程——異源雙鏈區的生成；存在重組熱點；需要重組酶；單鏈DNA分子或單鏈DNA末端是交換發生的重要信號10.2同源重組（homologousrecombination）細線期合線期粗線期雙線期終變期?e.g.

真核細胞減數分裂時染色單體間交換；

細菌的轉化、轉導、接合；病毒/噬菌體重組 （單向重組）Mitchell：+pdxp

x

pdx+

脈孢霉pdxp：酸度敏感的VB6依賴型

pdx：酸度不敏感的VB6依賴型10.2.1

基因轉變AAAAaaaa糞生糞殼菌(Olive):

G

A×g

a

GA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6:2/2:6，5:3/3:5，3:1:1:3

的異常分離比，＜10E-3

Aa以后又發現一個基因發生轉變時它兩旁的基因（側翼標記）常同時發生重組，由此認為基因轉變是某種形式的染色體重組的結果。例如Ag+×ag-的雜交（Ａａ是一對關于接合型的基因）:g+和g-可以發生轉變，而且凡是g+或g-發生轉變都伴隨著Ａ和ｇ之間的重組。由于基因轉變常伴隨著重組的發生，所以基因轉變機制的研究，實質上也是染色體交換機制的研究。A都不校正B僅一鏈校正C兩鏈同向校正D各自校正

3:1:1:3 5:3/3:5

6:2/2:6

4:4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10-6）。1．兩個雜種分子均未校正（圖10-6A）復制后出現異常的4＋∶4g（或3∶1∶1∶3）的分離；2．一個雜種分子校正為+，或校正為g時，則發生另一種類型的半染色單體轉變，前者修復后出現5∶3的分離，后者子囊孢子的異常分離比為3∶5（圖10-6B）；（三）基因轉變的分子機制3．兩個雜種分子都被校正到+（或g）時（圖10-6C），修復后出現6＋∶2g（或2＋∶6g）的異常分離，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結構進行修復時，則減數分裂4個產物恢復成G-C、G-C、A-T、A-T的正常配對狀態，子囊孢子分離正常，呈現4＋∶4g的結果，如圖10-6D所示。（三）基因轉變的分子機制10.2.2同源重組的分子機制一.交叉理論（chiasmatatypehypothesis） Janssens,1909二.斷裂和重接模型(Darlington,1937)三.模板選擇學說（copychoice）

BellingJ.首提、1933撤回;Hershey,1948四.Holliday模型(R.Holliday1964)減數分裂中的同源配對-片段互換-基因重組同源染色體配對的結構基礎——聯會復合體；同源重組——非姐妹單體的片段交換。PrVgPrVgPrVgPrVgPrVg+PrVg+

Pr+Vg+

Pr+VgPr+VgPr+Vg+Pr+Vg+Pr+Vg+減數分裂中”染色體交叉/換=同源重組”

模板選擇復制模型

①不符合半保留復制;②DNA復制應在S期,重組應在偶線期，不應同時發生。③不能解釋3線和4線交換。任何基因重組的模型都必須解釋異源雙鏈的形成以及基因轉變往往伴隨著兩側基因重組這一現象。1964年美國學者RobinHolliday提出了著名的Holliday模型.在Holliday模型中,極化子是由于交換產生的錯配只發生在異源雙鏈部分，而此部分只發生在Holliday結構的斷裂和分枝點之間，離斷裂點越遠的基因離分枝點可能也越遠，因而不在異源雙鏈的部分。Holliday模型(RobinHolliday1964)：同源區-配對/聯會-切-換-接-移-轉-切-接=重組E：交聯橋沿配對DNA分子“移動”。兩個親本DNA分子間造成一大段異源雙鏈DNA（Holliday結構）F：E和F相同；G：繞交聯橋旋轉1800；J：形成Holliday異構體；I、通過兩種方式之一切斷DNA單鏈，若上下切，則形成非重組體，若左右切則形成重組體。由上可知：無論Holliday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鏈DNA區。同源區-配對/聯會-切-換-接-移-轉-切-接=重組Holliday模型中的雜合雙鏈部分必須得到校正。如果在減數分裂后的有絲分裂DNA合成前得到校正，那么將產生正常的４:４分離或６:２分離（染色單體轉變）；如果沒有及時得到校正而留到下一輪DNA復制而產生兩個非雜合的雙鏈，那么將產生５:３或不正常的3:1:1:3分離（半染色單體轉變），我們將這種沒有及時校正而下一輪ＤＮＡ復制時才被校正的現象稱為減數后分離。三、原核同源重組（E.coli）?發生在雙方DNA的同源區域

部分復制的染色體DNA之間或染色體DNA與外源DNA之間細菌的轉化、接合和轉導

1、RecBCD（外切核酸酶Ⅴ）和Chi位點?具有解旋酶（再旋）活性、ATPase活性、核酸外切酶活性、

序列特異性的單鏈內切酶活性?單鏈內切酶活性和解旋酶活性使DNA產生具有游離末端的單鏈－－－RecA的作用位點?RecBCD有固定切割位點3‘?RecBCD的識別和切割位點a、RecBCD結合在DNA的平頭末端（產生機制不清楚）b、外切、解鏈、移動（ATP）c、兔耳狀loop結構產生（再旋酶活性低于解旋酶活性）d、RecBCD在loop單鏈區的

chi位點3‘方4～6NT處切斷單鏈（單鏈內切酶）?

chi位點：GCTGGTGG

目前發現的重組熱點

E.coli

含1000個、真核e、RecBCD切割產生3’單鏈末端

2、RecA蛋白

（1）

活性a、RecA有單、雙鏈DNA結合活性b、RecA有NTPase活性（底物差異活性）與單鏈DNA結合時活性最大---依賴于DNAc、RecA有啟動一個分子的單鏈侵入到另一雙螺旋分子的能力，即聯會同源DNA

（但其靶DNA必須有缺口－－結合DNA）RecA入侵單鏈被置換連RecA引發鏈侵入模型RecApromotestheassimilationofinvadingsinglestrandsintoduplexDNAsolongasoneofthereactingstrandshasafreeend.

RecA啟動的單鏈入侵RecA引起的鏈交換和Holliday結構的生成

（2）RecA蛋白催化雙鏈和單鏈DNA

的反應階段a、聯會前階段（緩慢）

RecA與單鏈結合b、單鏈與雙螺旋的互補鏈迅速配對，形成雙鏈連接分子

Holliday（5‘侵入）c、從雙螺旋結構中緩慢置換一條鏈產生一段長的異源雙鏈DNA

反應結束時，RecA結合到雙鏈上?其中—單鏈同化有固定的方向入侵單鏈為5’－3‘

雙鏈DNA的互補鏈是3’－5‘?RecBCD和

RecA的共同作用

3、原核同源重組的其它蛋白

需要E.coli中三個基因ruvA,ruvB和ruvC的產物a、RuvA識別Holliday結構的連接點b、RuvB為分枝遷移提供動力（ATPase10～20bp/s）c、RuvC核酸內切酶---專一性識別Holliday結構的連接點體外切段連接點以拆分重組體?E.coli重組的各階段（損傷修復）損傷DNA復制產生缺口RecA鏈交換第二次鏈交換DNApol通過DNA合成填滿缺口RuvA,B分枝遷移RuvC切割Holliday連接點細菌的同源重組一、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組，而且這種重組是發生在一個完整的環狀雙螺旋DNA分子與一個雙鏈或單鏈DNA分子片段之間的。且重組需要RecA和RecBCD蛋白質的參與。

細菌的轉化重組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RecBCD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RecBCD參與。10.3位點專一性重組（

site-specificrecombination）

復習：特異性轉導又稱局限性轉導（restrictedtransduction）

J.Lederberg&N.Zinder發現

野生型E.coliUV細胞裂解

K12(λ)gal＋

誘導

感染非溶原的gal-品系基本10－6

gal＋培養基選擇轉導體2、局限性/特異性轉導指轉導噬菌體幾乎只轉導特定的少數幾個基因的現象。局限性轉導一般由溫和噬菌體介導。如λ噬菌體只轉導gal基因及bio基因。λ噬菌體的整合與切離λ噬菌體↓整合溶原化

（原噬菌體）↓準確切離回復↓差錯切離λ

dgal

(1E-5)其再侵染低頻轉導（LHT）λdgal+對gal-細菌的整合：gal++gal-局部雙交換形成穩定的gal+重組子（1E-6）；單交換/整合形成不穩定的部分二倍體（切離可恢復為gal-

）進一步發現:（1）這些轉導子是溶原的，具有“免疫力”，

說明什麼？（2）gal＋

轉導子遺傳特點不穩定，有1-10％又變成gal－。表明什麼？

（3）gal＋轉導子在細菌裂解時不能產生成熟的噬菌體。作何推論？輔助噬菌體λdgal+→E.coligal-(λ)雙重溶源與高頻轉導用紫外線誘導雙重溶源菌，會產生約一半的正常噬菌體和一半的dgal轉導噬菌體，所以它的轉導效率很高（高頻轉導HFT）。而單純的轉導噬菌體轉導頻率只有10-6下面是中山大學2008級的一位學生的提問：問題：教材（《現代遺傳學教程》中山大學出版社，2002）163頁第一行，說溶源性細菌對同種噬菌體的感染有免疫性，我查資料說免疫的原因是整合位點被占據了，但是167頁，“當帶有gal+的λdgal感染E.coli

gal-（λ）時，λdgal和已整合的正常的λ之間通過單交換進行同源重組可形成雙重溶源細菌”。那么說，同種噬菌體是不是也可以通過這種機制感染溶源性細菌呢？如果是的話，那么免疫性豈不是就不存在了？【討論】：我不知道你說的“免疫的原因是整合位點被占據了”對不對，根據盛祖嘉的《微生物遺傳學》（第二版，科學出版社，P229-230）：“免疫性細菌能夠吸附同一種噬菌體，但是噬菌體進入細胞后它的復制被已有的原噬菌體所抑制，它成為原噬菌體狀態的可能性也被排除。因此，當被感染的細菌分裂成為兩個時這一個噬菌體只能進入一個細胞，而當分裂成無數個細胞時，它也只存在于一個細胞中，所以實際上等于消失了，而且也可能在這過程中早已被寄主細胞的酶所分解。”這么說來，溶源性細菌對同種噬菌體的感染有免疫性并不是指同種噬菌體不能感染已帶有噬菌體的溶源性細菌，只是不能復制，但它還是有可能整合進染色體上而成為HFT（高頻轉導）的。一、位點特異重組（

site-specificrecombination）1、概念：發生在專一序列的DNA分子間的重組（整合重組）噬菌體基因組整合到細菌染色體基因組中屬此種重組2、特征：在特定的結合序列部位，有專一的酶催化斷裂重接

----產生精確的DNA重排都具有整合作用的兩個基本特征a、典型的保守性重組---交換是相互的且保存原先的DNAb、發生在噬菌體和細菌DNA的短而同源的專一序列上真核

中專一性抗體基因的構建二、λphage的整合與切除1、實現機制：均是通過

細菌DNA和λDNA上特定位點之間的重組2、特定位點-----附著位點（attachmentsiteatt）E.coliattB

含BOB’三序列23bp，位于bio和gal基因之間B,B’,P,P’---臂核心序列“O”完全一致（同源部分）

--位點特異性重組發生的地方λphage

attP

含POP’三序列

240bp

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間的相互重組而切離3、整合過程

λ噬菌體：attP

POP’

大腸桿菌：attB/attλBOB’

1.整合：BOB’+POP’

BOP’+POB’

2.切離：BOP’+POB’

BOB+POPIntIHFInt,XisIHF3、整合過程4、整合分子機制?核心序列O全長15bp，富含A-T?發生在O內的重組交換位點相距

7bp?整合酶的結合位點：attP240bp、attB23bp(兩者的作用不同)?attP位點的負超螺旋為重組所必須---加強了Int和IHF的親和力

-----高劑量的蛋白維持單鏈重組所必需的結構?Int結合

----核心序列的反向位點（切割位置）

----結合在att臂上（臂與核心區靠近）Int蛋白能切斷DNA，并使它重新連接，進而使holliday結構拆分重組時attP和attB部位交叉斷裂，互補單鏈末端進行交叉雜交intIHFXis整合體及其作用整合體（intasome）---Int和IHF結合到attP時的復合物整合體捕獲attB

說明-----

a、attB和attP的最初識別靠Int

識別兩序列的能力

b、兩序列的同源性在鏈交換時為重要因素5、整合與切除的控制（1）整合CⅡ---促使阻遏蛋白CⅠ的產生

---與intgene

的PI結合，轉錄產生Int蛋白

---且PI位于xis基因內，CⅡ與PI結合導致xisgene失活（2）切除寄主SOS反應時---RecA大量產生，促使阻遏蛋白CⅠ的水解

---把OL和OR從阻遏狀態釋放出來

---從PL轉錄使int和xis表達10.4異常重組—轉座轉座成分概述1、轉座子(元)或轉座元件(transposonortransposableelement):基因組中不必借助于同源序列就可自主復制和移位的基本單位轉座（transposition）：由可轉座/移位因子介導的DNA重排現象，分復制轉座與非復制轉座兩類。2、發現和發展1914A.Emerson1936Marcus.M.Rhoabes

玉米果皮、糊粉層花斑突變

玉米籽粒糊粉層色素不穩定遺傳機理

跳躍基因（jumpinggene）1947冷泉港實驗室（美）BarbaraMcClintockDNAtransposableelement10.4.1

Ac-Ds系統（玉米的轉座子）玉米中的控制因子

1938年MarcusRhoades首次發現不穩定突變等位基因（unstablemutantallele），即一種回復突變率很高的等位基因。不穩定是取決于不連鎖的Dt基因的存在。McClintock,1940～1950描述了大量的控制因子A1:控制色素形成Dt:控制產生斑點

MarcusRhoades分析了一種墨西哥玉米的穗，此穗來自于一種籽粒有顏色的純種自花受粉的玉米，但它在后代中表現出一種意外的雙因子雜種修飾性孟德爾分離比原來的品系可能為A1A1dtdt，突變后產生A1a1Dtdt的植物，自交產生了上述比例。產生斑點的一種可能是在體細胞中產生了回復突變a1→A1,但大量的斑點需要很高頻率的回復突變。Rhoades在a1a1Dt_（花斑）特殊無性種植物的花中找到相應的花藥，其花粉應攜帶回復突變產生色素的基因型，而他用這些花粉與a1a1的植株測交，結果有的后代完全是有顏色的。表明在親本中每個斑點實際上是回復突變的。

這樣a1成為首次發現的不穩定突變等位基因（unstablemutantallele）的例子。即一種回復突變率很高的等位基因。然而這種等位基因的不穩定是取決于不連鎖的Dt基因的存在。一旦回復突變發生，它們就變得穩定了；即Dt基因能離開A1基因，這時A1表型不再改變。這樣a1表型是由一個缺陷型的轉座因子的插入而產生也就順理成章了（缺陷的轉座因子自己并不能移動）。Dt的缺乏使得表型保持穩定。葉片的花斑表型Phoades將基因型a1/a1;Dt/-的玉米發芽，檢測它們是否帶有在各組織中產生色素斑的基因玉米籽粒的花斑Ac-Ds系統10.4.2.1基因轉座現象的再次發現與證實

在一個操縱子/元中，與操作子毗鄰的結構基因發生終止突變后，它除了影響該基因本身產物的翻譯外，還影響其后結構基因多肽的翻譯，并且具有極性梯度的特征。

插入型極性突變的發現與機理（1967

Shapiro）Operon&PolarityMutation

極性突變的基本概念10.4.2原核生物中的轉座子證實轉座因子的實驗(1)密度梯度離心實驗:dgl

m插入型極性突變體密度大— 可能存在小的插入片段dgl+/dgl

m

雜合雙鏈DNA的電鏡照片。出現了棒糖狀結構—證實存在插入序列/轉座子(2)分子雜

交實驗dgal+/dgal

m雜合雙鏈DNA中的

莖環結構原核生物的轉座子種類兩種類型：簡單轉座子（simpletransposon）（插入序列insertionsequenceIS）復合轉座子（compositetransposon

Tn）共同特征：a）兩端有20～40bp的IRb）具有編碼轉座酶（transposase）的基因10.4.2.2

插入序列最簡單，是細菌染色體、質粒和某些噬菌體的正常組分命名：IS＋編號（鑒定類型）長度700～2000bp1）插入序列(IS)IS是最簡單的轉座子，不含有任何宿主基因，它們是細菌染色體或質粒DNA的正常組成部分。λ：：IS1

特點：a）兩端IR為轉座酶的識別位點（突變）

b）插入靶位點后會出現靶位點的正向重復（3～9bp）F因子(F-factor)

轉重

移IS3δ

組

IS3

區區

OIS2

POriTOriV

復

區制

F因子的結構

(1)重組區；

(2)復制區:

2個復制起點

(3)接合轉移區F因子/質粒與R質粒的結構F因子整合進入染色體,形成Hfr株含有Is的質粒經變性后形成柄環結構IS可以正反方向插入到DNA（宿主、質粒或某些噬菌體）中，常對插入位點后面的基因表達功能產生極性效應。2)復合轉座子,Tn復合轉座子是一類帶有某些抗藥性基因（或其他宿主基因）的轉座子，其兩翼往往是兩個相同或高度同源的IS序列。復合轉座子的轉座能力由IS決定a)Tn/TnAfamily

l具有IR、轉座酶基因、調節基因（解離酶）、抗抗生素基因

l

Tn1(AmpR)Tn2(AmpR)Tn3(AmpR)Tn4(AmpRStrR)Tn5(KanR)Tn6(kanR)Tn7(StrRTmpR)Tn9(CamR)Tn10(TetR)

2.5kb20kb

Tn3IRTnpAResTnpRAmpRIR38bp38bp轉座酶

regulatorβ-內酰胺酶

2、復合轉座子兩種類型b）兩端重復序列為IS的復合轉座子

e.g.

IS插入到功能基因兩端，可能形成復合轉座因子ISISISISLISR臂中心區臂transposition兩側的IS既可以是IR，又可以是DR狀態（IR多）當兩個IS組件相同時，其中任一個都可行使轉座功能；不同時，主要依靠一個。3轉座噬菌體Muphage

（巨型轉座子）

CrepressorforA,BB33kd與轉座有關A70kd轉座酶U,S毒性蛋白attL,attR與寄主同源，反向重復，轉座必需GinG區倒位酶attLCABSUattR150bp1.5kb

G倒位區38kbPgin以E.coli

為寄主的溫和型噬菌體（溶源、裂解）Mu的插入途徑a）侵入的Mu在溶源化過程中任意插入寄主DNA

（兩側各5bp的靶位點序列重復）b）進入裂解生長后，復制產生后代MuDNA幾乎全部插入寄主DNA中，并可繼續轉座（形成寄主DNA和Mu的共合體），噬菌體成熟時，切斷共合體包裝。a)不依賴供體序列與靶點間序列的同源性b)轉座不是簡單的轉移，涉及轉座子的復制Hot

spots(熱點)Regionalpreference(在3kb區域內的隨機插入)d)某些轉座因子（Tn3）對同類轉座因子的插入具有排他性（免疫性）e)靶序列在轉座因子兩側會形成正向重復f)轉座因子的切除與轉座將產生復雜的遺傳學效應3、轉座重組的特點c)轉座插入的靶點并非完全隨機（插入專一型）三、轉座子的轉作機制及模式三種類型：復制型和非復制型1、復制型轉座模式實質：轉座子元件被復制并被移動到受體位點，最終轉座過程擴增了