第八章 遗传重组

概述

第一节 同源重组

第二节 位点专一性重组

第三节 细菌中的转座成分

第四节 真核生物中的转座成分

概述：◘ 只要有 DNA ，就会发生重组

减数分裂

高等 Euk. 体细胞核基因、叶绿体和线粒体

温和噬菌体

转座子转座◘ 生存→变异→突变，重组

损伤修复、适应环境、加速进化

◘ 广义遗传重组：任何造成基因型变化的基因交流过程

◘ 重组可分为四类（ DNA 序列、蛋白质因子）

◘ 狭义遗传重组：涉及到 DNA 分子内断裂 - 复合的基因交流

◘ 遗传重组与重组 DNA 技术

异常

第一节 同源重组

1 、 同源重组（ homologous recombination ） :

发生在同源 DNA 序列之间

一、特征

2 、 特征：◘ 涉及同源序列间的联会配对，且交换的片段较大

◘ 涉及 DNA 分子在特定的交换位点发生断裂和错接的生化过程

异源双链区的生成

◘ 存在重组热点

◘ 需要重组酶

◘ 单链 DNA 分子或单链 DNA 末端是交换发生的重要信号

细线期

合线期

粗线期

双线期

终变期

◘ e.g.

Euk. 减数分裂时

的染色单体之间

的交换

细菌的转化， 转

导，接合，噬菌体

重组

双倍体染色体交换

二、同源重组的机制1 、 断裂复合及 Holliday 中间体的形成

◘ Holliday 结构 同源重组中连接两个 DNA 双链的交换中间物含有 4 股 DNA 链， 在连接处为了转换配对所形成交叉链的连接点为…

◘ Holliday 结构形成的分子机制（断裂复合起始机制）

有双链侵入模型、单链侵入模型、双链断裂修复模型等多种

◘ 同源重组都涉及到 DNA 分子内的－－断裂—复合

3‘5‘

5‘3‘

Meselson-Radding 模型单链入侵模型（链转移模型）

置换

侵入

Loop 切除

同化 异构化 分支迁移

5’

切割

5‘

5‘

（ 1 ） （ 2 ）

其中－－

所有模型和

假说都包括

切断、链置

换、连接等

过程

双链侵入模型 －－ P143

双链断裂修复模型 P145

2 、 分枝迁移和 Holliday 结构的拆分

◘ 分枝迁移（ branch migaration ） －－双螺旋形成的交叉连接以拉链式效应扩散

Holliday 的异构化

产生重组体的拆分

Holliday 结构一经生成即可不断地处于异构化－－异源双链 heteroduplex DNA

重组结果取决于拆分时配对链上的切口位置

（ 1 ）

（ 2 ）

（ 1 ）（ 2 ）

◘ Holliday 结构的拆分

产生含异源双链的亲本 DNA 分子

产生重组体

三、原核同源重组（ E.coli ） ◘ 发生在双方 DNA 的同源区域

部分复制的染色体 DNA 之间或染色体 DNA 与外源 DNA 之间 细菌的转化、结合和转导

1 、 RecBCD （外切核酸酶Ⅴ）和 Chi 位点

◘ 具有解旋酶（再旋）活性、 ATPase 活性、核酸外切酶活性、 序列特异性的单链内切酶活性

◘ 单链内切酶活性和解旋酶活性使 DNA 产生具有游离末端的单链 －－－ RecA 的作用位点

◘ RecBCD 有固定切割位点

3‘

◘ RecBCD 的识别和切割位点

a 、 RecBCD 结合在 DNA 的平 头末端（产生机制不清楚）

b 、 外切、解链、移动 （ ATP ）c 、 兔耳状 loop 结构产生（再旋酶活性低于解旋酶活性）

d 、 RecBCD 在 loop 单链区的 chi 位点 3‘方 4～ 6NT处切 断单链（单链内切酶）

☀ chi 位点： GCTGGTGG 目前发现的重组热点 E.coli 含 1000 个、 Euk.

RecA

入侵单链

被置换连

RecA引发链侵入模型

RecA引起的链交换和Holliday 结构的生成

◘ RecBCD 和 RecA 的共同作用

3、原核同源重组的其它蛋白

需要 E.coli 中三个基因 ruvA,ruvB 和 ruvC 的产物

a 、 RuvA 识别 Holliday 结构的连接点

b 、 RuvB 为分枝迁移提供动力（ ATPase 10～ 20bp/s ）

c 、 RuvC 核酸内切酶 --- 专一性识别 Holliday 结构的连接点 体外切段连接点以拆分重组体

第二节 位点专一性重组

一、位点专一性重组（ site-specific recombination ）1 、概念：发生在专一序列而顺序极少相同的 DNA 分子间

的重组噬菌体基因组整合到细菌染色体基因组中属此种重组

2 、特征： ◘ 在特定的结合序列部位，有专一的酶催化断裂重接

---- 产生精确的 DNA 重排

◘ 都具有整合作用的两个基本特征

a 、 典型的保守性重组 --- 交换是相互的和保存原先的 DNA

b 、 发生在噬菌体和细菌 DNA短同源序列的专一性核苷酸上

Euk. 中专一性抗体基因的构建

二、 λphage 的整合与切除1 、实现机制：均是通过 --- 细菌 DNA 和 λDNA 上特定位点之间的重组

2 、特定位点 -----附着位点（ attachment site att ）

◘ E.coli attB 含 BOB’三序列 23bp

◘ λphage attP 含 POP’三序列 240bp

◘ 核心序列 “ O”完全一致 （同源部分） --- 位点特异性重组发生的地方

◘ B,B’,P,P’---臂

3 、整合过程

◘ 整合后的附着位点为 attL（ BOP’） attR （ POB’）

◘ 整合位点 ---attB、 attP 切除位点 ---attL、 attR

◘ 整合过程需要 λ 整合酶 （ integrase Int ）（ λ 编码） 和寄主的整合宿主因子 IHF

（ integration host factor ） 共同作用

溶源性细菌(lysogen)

溶菌周期（ lysis ）

原噬菌体

4 、整合分子机制 ◘ 核心序列 O全长 15bp ，富含 A-T

◘ 发生在 O内的重组交换位点相距 7bp

◘ 整合酶的结合位点： attP 240bp 、 attB 23bp(两者的作用不同 )

◘ attP位点的负超螺旋为重组所必须 --- 加强了 Int 和 IHF的亲和力 ----- 高剂量的蛋白维持单链重组所必需的结构

◘ Int 结合 ---- 核心序列的反向位点（切割位置） ---- 结合在 att臂上（臂与核心区靠近）

int

IHF

Xis

◘ 整合体及其作用

整合体（ intasome ） ---

Int 和 IHF结合到 attP时的复合物

◘ 整合体捕获 attB

说明 -----

a 、 attB和 attP的最初识别靠 Int

识别两序列的能力

b、两序列的同源性在链交换时为

重要因素

第三节 细菌中的转座成分

一、转座成分概述

1 、转座子 (元 ) 或转座元件 (transposon or transposable eleme

nt):

基因组上不必借助于同源序列就可以移动的 DNA 片段，它们可以直 接从基因组的一个位点移到另一个位点（供体和受体）

转座（ transposition ）：转座元的转移过程（不十分确切）

2 、发现和发展◘ 1914 A. Emerson 1936 Marcus . M. Rhoabes

玉米果皮、糊粉层花斑突变

玉米籽粒糊粉层色素不稳定遗传机理

跳跃基因（ jumping gene ）

◘ 1947 冷泉港实验室（美） Barbara McClintock

a) 不依赖供体序列与靶位点间序列的同源性

b) 转座不是简单的转移，涉及转座子的复制

Hotspots ( 热点 )

Regional preference ( 在 3kb 区域内的随机插入 )

d) 某些转座因子（ Tn3 ）对同类转座因子的插入具有排他性

（免疫性）

e) 靶序列在转座因子两侧会形成正向重复

f) 转座因子的切除与转座将产生复杂的遗传学效应

3 、转座重组的特点

c) 转座插入的靶位点并非完全随机（插入专一型）

二、 Prok. 转座子种类

◘ 两种类型： 简单转座子（ simple transposon ） （插入序列 insertion sequence IS ） 复合转座子（ composite transposon ）

◘ 共同特征： a ）两端有 20～ 40bp 的 IR b）具有编码转座酶（ transposase ）的基因

1 、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

◘ 命名： IS ＋编号（鉴定类型） 长度 700～ 2000bp

◘ 特点： a ）两端 IR 为转座酶的识别位点（突变）

b）插入靶位点后会出现靶位点的正向重复（ 3～ 9bp ）

◘ IS 可以正反方向插入到 DNA （宿主、质粒或某些噬菌体），

常对插入位点后面的基因表达功能产生极性效应

a) Tn / TnA family 具有 IR 、转座酶基因、 调节基因（解离酶）、抗抗生素基因

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

2.5 kb 20 kb

Tn3 IR TnpA Res TnpR AmpR IR

38bp 38bp 转座酶 regulator β- 内酰胺酶

2 、复合转座子 ◘ 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

IS

IS IS

IS L IS R

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）

3 转座噬菌体 Mu phage （巨型转座子 ）

C repressor for A, BB 33 kd 与转座有关A 70 kd 转座酶U, S 毒性蛋白attL, attR 与寄主同源，反向重复，转座必需 Gin G 区倒位酶

att L C A B S U att R

150bp 1.5kb

G 倒位区 38kb

P gin

◘ 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主 DNA （两侧各 5bp 的靶位点序列重复）

b ） 进入裂解生长后，复制产生后代Mu DNA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

三、转座子的转作机制及模式 ◘ 三种类型：复制型、非复制型和保守型

1 、复制型转座模式

◘ 实质：转座子元件被复制并被移动到受体位点，最终转座过程 扩增了转座子的拷贝（供、受点）

◘ 需两种酶： 转作酶（作用于原拷贝两末端） 解离酶（作用于复制后的拷贝）

◘ 模式：

2 、非复制型转座模式

◘ 供体上最终产生双链断裂

◘ 供体位点如不能被修复则有致 死效应

3 、保守型转座模式

◘ 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

四、转座子转座频率的调控 ◘ 每个转座子控制自身转座的核心 ----控制转座酶的水平

不到一个转座酶分子／世代／细胞 ◘ 自发转座频率 ---10 － 7

第四节 真核生物的转座成分

真核生物的转座成分根据转座机制目前分为两类：

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

本章结束！！！