第九章-遗传重组-贺艳.pdf

第九章第九章 遗传重组遗传重组 遗传重组的类型遗传重组的类型 一、同源重组一、同源重组(homologous recombination)(homologous recombination)又叫普遍性重组又叫普遍性重组(generalized recombination)(generalized recombination)，大范围同源序列对，大范围同源序列对等交换。等交换。二、位点专一性重组二、位点专一性重组(site(site-specific recombination)specific recombination)又叫保守性重组又叫保守性重组(conservative recombination),(conservative recombination),重组发生在小范围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，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，如如 噬菌体整合。噬菌体整合。三、异常重组三、异常重组(illegitimate recombination)(illegitimate recombination)完全不依赖于序列间的同源性，而是依赖于完全不依赖于序列间的同源性，而是依赖于DNADNA复制和复制和修复而完成重组，又叫可动遗传因子。如转座子。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减数分裂中染色体的交换和重组 Holliday 模型模型 a)a)同源染色体联会同源染色体联会 b)b)内切酶切割非姊妹染色内切酶切割非姊妹染色单体单体DNADNA c)c)交换重接形成交联桥结交换重接形成交联桥结构构(cross(cross-bridge structure)bridge structure)d)d)分枝迁移分枝迁移(branch(branch migration),migration),形成异源双链形成异源双链区区 e)e)HollidayHolliday中间体中间体(Chi(Chi结构结构)f)f)垂直切割和重接垂直切割和重接 g)g)水平切割和重接水平切割和重接 分支迁移分支迁移 一、同源重组的分子机制 Holliday Holliday 中间体中间体-ChiChi结构及其分子模型结构及其分子模型 二、位点专一性重组 典型的位点专一性重组：噬菌体的整合和切除。1.-DNA对E.coli的整合：POP+BOB BOPPOB 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.-DNA从E.coli的切离：BOPPOB 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。通过通过attP和和attB间的相互重组，环状的噬菌体间的相互重组，环状的噬菌体DNA转换为整合的原噬转换为整合的原噬菌体，原噬菌体通过菌体，原噬菌体通过attL和和attR间的相互重组而切除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、三、异常重组的分子基础异常重组的分子基础-转座子：转座子：转座子，又叫可动遗传因子，指基因组中可以转座子，又叫可动遗传因子，指基因组中可以改变自身位置的基因改变自身位置的基因 19511951年年Barbara McClintock Barbara McClintock 发现玉米中存在可动发现玉米中存在可动遗传因子，但未引起重视遗传因子，但未引起重视 可动遗传因子扩大了基因概念的含义可动遗传因子扩大了基因概念的含义:生物体内生物体内基因的位置、结构和数目不是固定不变的，而基因的位置、结构和数目不是固定不变的，而是可以移动和改变的。是可以移动和改变的。DNADNA的转座的转座 （DNA TRANSPOSITIONDNA TRANSPOSITION）复制型转座复制型转座（replicativereplicative transpositiontransposition）非复制型转座非复制型转座（replicativereplicative transpositiontransposition）保守型转座保守型转座（replicativereplicative transpositiontransposition）1 1、转座类型、转座类型 1 1）复制型转座模式（）复制型转座模式（replicativereplicative transpositiontransposition）转座子被复制，一个拷转座子被复制，一个拷贝保留在供体原来的部位贝保留在供体原来的部位不变；另一个拷贝则插入不变；另一个拷贝则插入到受体的位点上。到受体的位点上。需两种酶：需两种酶：转座酶转座酶(transposasetransposase)和解离和解离酶酶(resolvaseresolvase)靶位点的靶位点的DR形成形成 复制型转座因子的特点复制型转座因子的特点 完全不依赖于序列间的同源性，而是依赖于完全不依赖于序列间的同源性，而是依赖于DNADNA复制和修复而完成重组。复制和修复而完成重组。转座因子转座以后，原来位置上的转座因子保转座因子转座以后，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持不变，而将它的一个复制品转移到另一个位置置 在新的位置上，转座因子两侧出现在新的位置上，转座因子两侧出现512bp 512bp 正向正向重复序列重复序列 转座过程中出现共联体（转座过程中出现共联体（cointegratecointegrate)，即两个，即两个复制子通过共价键连接形成的一个复制子复制子通过共价键连接形成的一个复制子 2 2）非复制型转座（）非复制型转座（nonreplicativenonreplicative transposition)transposition)转座子从供体一个位点转移到受体新位点处，供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。修复系统识别修复。只需只需转座酶转座酶 3 3）保守转座（保守转座（conservative transposition)conservative transposition)另一种非复制型。另一种非复制型。与与 整合机制相似，其整合机制相似，其转座酶与转座酶与 整合酶家族整合酶家族有关。有关。2 2、原核生物中的转座因子种类与特点、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根据分子结构和遗传性质可分为3 3种类型：种类型：A A 插入序列插入序列 :insertion sequence IS:insertion sequence IS B B 转座子：其中包括转座子：其中包括 简单转座子（简单转座子（simple simple transposontransposon）复合转座子（复合转座子（composite composite transposontransposon）C C 转座噬菌体（转座噬菌体（M M utantorutantor phage,Muphage,Mu）A A 插入序列插入序列 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，每种一个自主的单位，每种ISIS均编码自身转座所需的蛋白质。均编码自身转座所需的蛋白质。命名：命名：ISIS编号（鉴定类型）编号（鉴定类型）长度长度 7007002000bp2000bp 每种每种ISIS元件具有不同序列，但有共同的组织形式元件具有不同序列，但有共同的组织形式 插入序列插入序列IS1IS1的结构的结构 IS6IS6 B B 复合转座子（复合转座子（composite composite transposontransposon）表示法：通常以表示法：通常以TnTn和后面加上数码表示，如和后面加上数码表示，如Tn903Tn903。结构结构:a.a.除有转座酶基因外还有其它表型基因，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。如：抗药基因，使宿主具表型效应。b.b.两侧有重复序列。两侧有重复序列。c.c.有的转座子的重复顺序就是有的转座子的重复顺序就是ISIS。Tn1681 大肠杆菌热稳大肠杆菌热稳定毒素定毒素I 基因基因 552 bp IR IR IR IR 复合转座子结构示意图复合转座子结构示意图 IS1 IS1 a)a)TnTn /TnATnA family family l 具有具有IRIR、转座酶基因、转座酶基因、调节基因（解离酶）、调节基因（解离酶）、抗抗生素抗抗生素基因基因 2.5 kb 20 kb Tn3 IR TnpA TnpR AmpR IR 38bp 38bp 转座酶转座酶 regulator -内酰胺酶内酰胺酶 两种类型两种类型 b b）两端重复序列为）两端重复序列为ISIS的复合转座子的复合转座子 e.g.ISe.g.IS插入到功能基因两端，可能形成复合转插入到功能基因两端，可能形成复合转座因子座因子 一旦形成复合转座子，一旦形成复合转座子，ISIS序列就不能再单独序列就不能再单独移动，因为它们的功能被修饰了，只能作为移动，因为它们的功能被修饰了，只能作为复合体移动。复合体移动。IS IS IS IS L IS R 臂臂 中心区中心区 臂臂 transposition 当两个当两个ISIS组件相同组件相同时，其中任一个都可时，其中任一个都可行使转座功能行使转座功能 不同时，主不同时，主要依靠一个要依靠一个 两侧的两侧的ISIS既可既可以是以是IRIR，又可以，又可以是是DRDR状态状态 （IRIR多）多）C C、转座噬菌体、转座噬菌体 mutatormutator phagephage,Mu Mu（巨型转座子（巨型转座子 ）C C repressor for A,Brepressor for A,B B 33 B 33 kdkd 与转座有关与转座有关 A A 70 70 kdkd 转座酶转座酶 U,S U,S 毒性蛋白毒性蛋白 attLattL,attRattR 与寄主同源，反向重复，转座必需与寄主同源，反向重复，转座必需 GinGin G G区倒位酶区倒位酶 G 倒位区倒位区 38kb att L C A B S U att R 150bp 1.5kb P gin 以以E.coliE.coli为寄主的温和型噬菌体（溶源、裂解）为寄主的温和型噬菌体（溶源、裂解）MuMu的插入途径的插入途径 a a）侵入的侵入的MuMu在溶源化在溶源化过程中任意插入寄过程中任意插入寄DNADNA b b）进入裂解生长后，进入裂解生长后，复制产生后代复制产生后代Mu DNAMu DNA几乎全部插入寄主几乎全部插入寄主DNADNA中，并可继续转座（形中，并可继续转座（形成寄主成寄主DNADNA和和MuMu的共合的共合体），噬菌体成熟时，体），噬菌体成熟时，切段共合体包装切段共合体包装 4 4、真核生物的转座成分、真核生物的转座成分 a)a)转座机制与细菌的转座子类似转座机制与细菌的转座子类似 遗传信息：遗传信息：DNADNADNADNA 玉米的玉米的AcAc-DsDs元件元件、果蝇的、果蝇的P P元件元件和和FBFB元件等元件等 b)b)转作机制类似逆转录病毒转作机制类似逆转录病毒 遗传信息：遗传信息：RNADNARNARNADNARNA 如：逆转录病毒、果蝇的如：逆转录病毒、果蝇的CopiaCopia元件元件、酵母的、酵母的TyTy元件元件 根据转座机制目前分为两类：根据转座机制目前分为两类：AcAc和和DsDs这两个因子都位于玉米的第九号染色体短臂，在这两个因子都位于玉米的第九号染色体短臂，在色素基因色素基因C C的附近。的附近。AcAc因子因子全长全长4.5kb4.5kb，有，有5 5个外显子，其产物是转座酶。个外显子，其产物是转座酶。AcAc因子两端是因子两端是长长11bp11bp的反向重复序列的反向重复序列(IR)(IR)；DsDs因子因子长长0.40.4-4kb4kb，它的中间，它的中间(在在转座酶基因中转座酶基因中)有许多种长度不等的有许多种长度不等的缺失缺失,如如Ds9Ds9缺失缺失194bp194bp，而，而Ds6Ds6则缺失则缺失2.5kb2.5kb，DsDs的两端也都有的两端也都有11bp11bp的的反向重复序列。反向重复序列。AcAc和和DsDs的末端反向重复几乎是一样的，只有一个不同之处：的末端反向重复几乎是一样的，只有一个不同之处：AcAc两两端最外边的核苷酸是彼此不互补的端最外边的核苷酸是彼此不互补的T:GT:G，而，而DsDs是互补的是互补的T:A(T:A(图图)。1 1）玉米基因组中的转座子）玉米基因组中的转座子 AcAc-DsDs转座元件结构示意图。右边示转座元件结构示意图。右边示AcAc及及DsDs元件的单链元件的单链DNADNA末端反向重复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，由于缺失转座酶，DsDs因子不能自主移动，因因子不能自主移动，因此此DsDs因子是非自主移动的受体因子因子是非自主移动的受体因子(dissociatordissociator)，而而AcAc则为自主移动的调节因子则为自主移动的调节因子(activator)(activator)，DsDs的转的转座依赖于座依赖于AcAc元件的存在元件的存在。玉米转座因子对胚乳颜色的影响玉米转座因子对胚乳颜色的影响 AcAc、DsDs的转座属于非复制机制的转座属于非复制机制 果蝇的果蝇的P P因子有两种类因子有两种类型：型：一一类是类是全长全长P P因子因子，长，长2907bp2907bp，两端有，两端有33bp33bp的反向重复序的反向重复序列列(IR)(IR)，有，有4 4个外显子个外显子(4(4个个ORF)ORF)，编码转座，编码转座酶；酶；另另一类为一类为缺失型缺失型P P因子因子，它不能编码转座酶，它的转座，它不能编码转座酶，它的转座依赖于全长依赖于全长P P因子。缺失型因子。缺失型P P因子都是由活性因子都是由活性P P因子的中段因子的中段缺失衍生而来的，长度从缺失衍生而来的，长度从500bp500bp到到1400bp1400bp不等。不等。不带有不带有P P因子的品系称为因子的品系称为MM品系，带有品系，带有P P因子的品系称因子的品系称为为P P品系。品系。P P因子的转座也属于非复制型。因子的转座也属于非复制型。2 2）果蝇基因组中的转座子）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 X M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 6、转座子的遗传学效应、转座子的遗传学效应 1 1）引起染色体结构变异）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 2）诱发基因突变与启动外显子混编）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，则位于它们置时，则位于它们之间的序列之间的序列有可能被转座酶作用而有可能被转座酶作用而转座转座，如果这，如果这DNADNA序列中含有外显子，则被切离并可能插入另序列中含有外显子，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一基因中，这种效应称为外显子改组(exonexon shufflingshuffling。外显。外显子改组将导致基因组中子改组将导致基因组中新基因的产生新基因的产生。双转座子插入所引起的外显子改组示意图双转座子插入所引起的外显子改组示意图 3 3）调节基因表达）调节基因表达 很多转座子带有启动子，如很多转座子带有启动子，如Tn10Tn10右侧的右侧的ISI0RISI0R以某一以某一方向插入到缺失启动子而不能表达的方向插入到缺失启动子而不能表达的argEargE基因的基因的55端而启动其表达。端而启动其表达。插入而引起转录水平降低、基因失活等。插入而引起转录水平降低、基因失活等。4 4）产生新的变异）产生新的变异 复合转座子带有抗性基因（如抗药性基因复合转座子带有抗性基因（如抗药性基因ampcampc)，可产生两方面效应：一个基因的插入突变；出现抗药可产生两方面效应：一个基因的插入突变；出现抗药基因。基因。