遺傳重組的分子機制VIP

1、上一章主要內(nèi)容回顧上一章主要內(nèi)容回顧幾個主要的概念：幾個主要的概念： 轉化轉化 轉導轉導 普遍性轉導普遍性轉導 局限性轉導局限性轉導 流產(chǎn)轉導流產(chǎn)轉導幾個主要的知識點：幾個主要的知識點： 轉化時重組率的計算轉化時重組率的計算 轉導時基因順序的判斷轉導時基因順序的判斷哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第八章第八章 遺傳重組遺傳重組第八章第八章 遺傳重組遺傳重組哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第八章第八章 遺傳重組遺傳重組生物生物遺傳重組遺傳重組遺傳遺傳變異變異DNA重排重排DNA突變突變DNA 的復制的復制DNA 的修復的修復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哈工大哈工大-

2、-遺傳學遺傳學第八章第八章 遺傳重組遺傳重組第一節(jié)第一節(jié) 同源重組同源重組哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第八章第八章 遺傳重組遺傳重組同源重組同源重組：依賴大范圍的：依賴大范圍的DNADNA同源序列的聯(lián)會同源序列的聯(lián)會，重組過，重組過程中，兩個染色體或程中，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：例：同源染色體非姐妹單體交換；同源染色體非姐妹單體交換； 細菌的轉化、轉導、接合；細菌的轉化、轉導、接合； 噬菌體的重組噬菌體的重組一、概念一、概念條件：條件：2個個DNA分子序列同源；分子序列同源；不同物種同源重組所需的最小的同源序列不同；不同物種同源重組所需的最小的同

3、源序列不同；哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第八章第八章 遺傳重組遺傳重組 (c mi)噬菌體噬菌體1 13C和和14N 重鏈重鏈 (+ +) 噬菌體噬菌體2 12C和和14N 輕鏈輕鏈 同時感染同時感染E.coli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重鏈+輕鏈輕鏈輕鏈輕鏈二、同源重組的分子機制二、同源重組的分子機制( (一一) )、異源、異源DNADNA雙鏈斷裂與重雙鏈斷裂與重( (錯錯) )接接 證據(jù)：證據(jù)：1961，M.Meselson and J.J.Wergle哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第八章第八章 遺傳重組遺傳重組 c mi 輕親代 + + 重親代 c

4、 + 圖 23-4 輕、重標記噬菌體的重組實驗 535353353535哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第八章第八章 遺傳重組遺傳重組交叉理論（交叉理論（chiasmatatype hypothesis） 1909年，年，Janssens提出；提出；斷裂和重接模型斷裂和重接模型 1937年，年，Darlington提出；提出；模板選擇學說（模板選擇學說（copy choice ） Belling J.首先提出，首先提出，1933年又撤回；年又撤回； 1948年，年，Hershey再次提出；再次提出；Holliday模型模型 1964年年Robin Holliday提出；提出；(二二)、同源重組的

5、、同源重組的Holliday模型模型哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第八章第八章 遺傳重組遺傳重組 1 2. 斷裂重接模型 3. 4. 1 2. 模板選擇復制 模型 3. 4. 圖 23-3 斷裂重接模型和模板選擇復制模型的比較 哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第八章第八章 遺傳重組遺傳重組斷裂重接模型和模板選擇復制模型存在的問題斷裂重接模型和模板選擇復制模型存在的問題斷裂重接模型：斷裂重接模型：不能解釋基因轉變和極化子現(xiàn)象；不能解釋基因轉變和極化子現(xiàn)象；模板選擇復制模型：模板選擇復制模型： (1) 違背了半保留復制；違背了半保留復制； (2) DNA復制在復制在S期，重組在偶線期，不應同時發(fā)生；

6、期，重組在偶線期，不應同時發(fā)生； (3)不能解釋不能解釋3線和線和4線交換；線交換；哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第八章第八章 遺傳重組遺傳重組交叉理論（交叉理論（chiasmatatype hypothesis） 1909年，年，Janssens提出；提出；斷裂和重接模型斷裂和重接模型 1937年，年，Darlington提出；提出；模板選擇學說（模板選擇學說（copy choice ） Belling J.首先提出，首先提出，1933年又撤回；年又撤回； 1948年，年，Hershey再次提出；再次提出；霍利迪霍利迪(Holliday)模型模型 1964年年Robin Holliday提出

7、；提出；(二二)、同源重組的、同源重組的Holliday模型模型哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第八章第八章 遺傳重組遺傳重組1. 同源的非姐妹染色單體聯(lián)會同源的非姐妹染色單體聯(lián)會;2. DNA內(nèi)切酶在非姐妹染色單內(nèi)切酶在非姐妹染色單體的相同位置同時切開兩個體的相同位置同時切開兩個方向相同的一條單鏈；方向相同的一條單鏈；3. 切開的單鏈交換重接切開的單鏈交換重接;4. 形成交聯(lián)橋結構；形成交聯(lián)橋結構；5. 分支遷移：形成一大段異源分支遷移：形成一大段異源雙鏈雙鏈DNA( (Holliday結構結構) )6. 繞交聯(lián)橋旋轉繞交聯(lián)橋旋轉1800，形成，形成Holliday異構體；異構體；7. 切開與

8、重接：切開與重接： 左右切，形成非重組體左右切，形成非重組體 上下切，形成重組體。上下切，形成重組體。12345 67旋轉旋轉1800 無論無論 Holliday 結構斷裂是否導致旁側遺傳標結構斷裂是否導致旁側遺傳標記的重組，它們都含有一個記的重組，它們都含有一個異源雙鏈區(qū)異源雙鏈區(qū)。哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第八章第八章 遺傳重組遺傳重組 (1) 5 A B 3 (8) A 3 5 B3 55 a b 3 兩臂旋轉 聯(lián)會 (2) 5 A B 3 b 3 5 a3 55 a b 3 (9) A 酶切 B (3) 5 A B 33 5 b 3 5 a5 a b 3 游離端移動聯(lián)會 (4) 5

9、 A B 3 (10) A A 3 5 B B 3 55 a b 3 游離端交叉連接 b b(5) 5 A B 3 a a3 53 5 (11) A B A b5 a b 3 形成單鏈交叉 a b a B(6) 5 A B 33 5 3 5 A B A b 5 a b 3 分支點移動(7) A a b a B B a b 圖 238 Holiday 重組模型。支持支持Holliday遺傳重組模型的證據(jù)：遺傳重組模型的證據(jù)： 1、形態(tài)學上，、形態(tài)學上，Holliday中間體中間體(Chi 結構結構)的電鏡照片；的電鏡照片；哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第八章第八章 遺傳重組遺傳重組 兩個環(huán)狀兩個

10、環(huán)狀DNA分子配對、斷裂、重接形成分子配對、斷裂、重接形成“8”字型結構中間物，根據(jù)切割的位置不同，可分別形成字型結構中間物，根據(jù)切割的位置不同，可分別形成兩個親本環(huán)、大的單體環(huán)或者是滾環(huán)結構，兩個親本環(huán)、大的單體環(huán)或者是滾環(huán)結構，也可以形也可以形成成“” 結構。結構。Holliday模型同樣適用于環(huán)狀模型同樣適用于環(huán)狀DNA間的重組間的重組哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第八章第八章 遺傳重組遺傳重組哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第八章第八章 遺傳重組遺傳重組支持支持Holliday遺傳重組模型的證據(jù)：遺傳重組模型的證據(jù)： 1、形態(tài)學上，、形態(tài)學上，Holliday中間體中間體(Chi 結構結

11、構)的電鏡照片；的電鏡照片； 2、異源雙鏈形成時，產(chǎn)生堿基錯配導致與重組相關聯(lián)、異源雙鏈形成時，產(chǎn)生堿基錯配導致與重組相關聯(lián) 的的基因轉變基因轉變的發(fā)生；的發(fā)生；哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第八章第八章 遺傳重組遺傳重組1、異常分離異常分離與基因轉變與基因轉變 粗糙脈孢菌：粗糙脈孢菌： pdxp：酸度敏感的酸度敏感的VB6依賴型依賴型 pdx： 酸度不敏感的酸度不敏感的VB6依賴型依賴型( (三三) )、基因轉變及其分子機理、基因轉變及其分子機理哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第八章第八章 遺傳重組遺傳重組AaAaAAaaAAaaAAAAaaaa減數(shù)分裂減數(shù)分裂I減數(shù)分裂減數(shù)分裂II有絲分裂有

12、絲分裂第一次分裂分離第一次分裂分離(MI)模式模式AAAAaaaaaaaa AAAAAaaA減數(shù)分裂減數(shù)分裂I減數(shù)分裂減數(shù)分裂II有絲分裂有絲分裂第二次分裂分離第二次分裂分離(MII)模式模式AaAaAaaAAAaAaaaAAAaaAAaaaaAAa aAAaaAAAAaa AAaaaaAAAAAAaaaaaaaa AAAAMIMII哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第八章第八章 遺傳重組遺傳重組哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第八章第八章 遺傳重組遺傳重組1、異常分離異常分離與基因轉變與基因轉變 粗糙脈孢菌：粗糙脈孢菌： pdxp：酸度敏感的酸度敏感的VB6依賴型依賴型 pdx： 酸度不敏感的酸度

13、不敏感的VB6依賴型依賴型( (三三) )、基因轉變及其分子機理、基因轉變及其分子機理哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第八章第八章 遺傳重組遺傳重組 + pdxp pdx +孢子對孢子對子囊子囊1 + pdxppdx + + +pdx +2 + +pdx + + pdxp + pdxp3 + pdxp + +pdx + + +4pdx + + pdxp pdx +pdx +585個子囊中個子囊中?哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第八章第八章 遺傳重組遺傳重組- - +- - + + - - - +- - + + - - - +- - + + - - - +- - + + - - - - - + +

14、 - - - +- - -+ + - - - +- - + - -+ - -基因轉變基因轉變(gene conversion)：一個基因轉變?yōu)樗牡任换粋€基因轉變?yōu)樗牡任换虻倪z傳學現(xiàn)象（源于基因內(nèi)重組）。因的遺傳學現(xiàn)象（源于基因內(nèi)重組）。糞生糞殼菌糞生糞殼菌(Olive): g+ g -+-+-6:2 ( (或或 2:6) )+-+-5:3 ( (或或 3:5) )+-+-3:1: :1:3+-+?-+?-半染色單體轉變半染色單體轉變?nèi)旧珕误w轉變?nèi)旧珕误w轉變120/200000 100/200000 16/200000(1). 染色單體轉變?nèi)旧珕误w轉變:(chromatid conver

15、sion) 6:2 / 2:6 分離分離 (2). 半染色單體轉變半染色單體轉變: (half-chromatid conversion) 5:3 / 3:5 3:1:1:3哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第八章第八章 遺傳重組遺傳重組在在5：3和和6：2分離的子囊中，約有分離的子囊中，約有30%也在也在g基因兩側基因兩側 發(fā)生重組；發(fā)生重組；發(fā)生基因轉變的子囊中，基因轉變和遺傳重組都發(fā)生發(fā)生基因轉變的子囊中，基因轉變和遺傳重組都發(fā)生 于同樣的兩個染色單體上的子囊的比例高達于同樣的兩個染色單體上的子囊的比例高達90%；2 2、基因轉變的分子機制、基因轉變的分子機制基因轉變的實質(zhì)：基因轉變的實質(zhì)：

16、重組過程中留下的重組過程中留下的局部異源雙局部異源雙鏈區(qū)鏈區(qū)，在細胞內(nèi)的修復系統(tǒng)識別下不同的修復產(chǎn)，在細胞內(nèi)的修復系統(tǒng)識別下不同的修復產(chǎn)生的結果；生的結果；哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第八章第八章 遺傳重組遺傳重組哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第八章第八章 遺傳重組遺傳重組哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第八章第八章 遺傳重組遺傳重組 Holliday 模型中，由于重組而產(chǎn)生的異源雙鏈區(qū)存在模型中，由于重組而產(chǎn)生的異源雙鏈區(qū)存在不配對堿基，可被細胞內(nèi)的修復系統(tǒng)能夠識別并以一條鏈不配對堿基，可被細胞內(nèi)的修復系統(tǒng)能夠識別并以一條鏈為模板進行切除修復：為模板進行切除修復：(1). 兩個雜種分子均未得

17、到校正，兩個雜種分子均未得到校正，有絲分裂后分離形成有絲分裂后分離形成4:4或或 3:1:1:3的異常孢子分離比，屬于半染色單體轉變；的異常孢子分離比，屬于半染色單體轉變；(2). 一個雜種分子得到校正，另一條未校正，一個雜種分子得到校正，另一條未校正，有絲分裂后有絲分裂后分離形成分離形成 5:3 或或 3:5 的分離比，屬于半染色單體轉變；的分離比，屬于半染色單體轉變；(3). 兩個雜種分子都被校正到同一種類型，兩個雜種分子都被校正到同一種類型，有絲分裂后分有絲分裂后分離形成離形成 6:2或或2:6 的分離比，屬于染色單體轉變；的分離比，屬于染色單體轉變；(4). 兩個雜種分子都被校正到不同

18、類型，兩個雜種分子都被校正到不同類型，有絲分裂后分離有絲分裂后分離形成形成 4:4 分離比，未出現(xiàn)基因轉變；分離比，未出現(xiàn)基因轉變；哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第八章第八章 遺傳重組遺傳重組 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(xiàn)象，不均等分離現(xiàn)象，1975年年Meselson-Radding 提出模型解提出模型解釋這種不對稱重組現(xiàn)象；釋這種不對稱重組現(xiàn)象；(四四)、同源重組的、同源重組的Meselson Radding 模型模型哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第八章第八章 遺傳重組遺傳重組+/+/g+/g g/g+g+gg+g+

19、 gg修復校正修復校正：若一個雜種分子若一個雜種分子被校正為野生型被校正為野生型(突變型突變型)，另一個，另一個未被校正未被校正+g+ gg+g gg三型子囊三型子囊四型子囊四型子囊哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第八章第八章 遺傳重組遺傳重組Meselson-Radding 模型模型困難困難負干涉：負干涉：兩個鄰近基因，或者是同一基因不同突變點間，兩個鄰近基因，或者是同一基因不同突變點間，雙交換的頻率比預期高，并發(fā)系數(shù)雙交換的頻率比預期高，并發(fā)系數(shù)C1，即一個區(qū)域，即一個區(qū)域的交換引起鄰近區(qū)域交換的增加；的交換引起鄰近區(qū)域交換的增加；局部負干涉：局部負干涉：有些噬菌體、細菌或真菌的某些局部位點

20、有些噬菌體、細菌或真菌的某些局部位點明顯的出現(xiàn)負干涉的現(xiàn)象；明顯的出現(xiàn)負干涉的現(xiàn)象；(五五) 基因轉變與高度負干涉基因轉變與高度負干涉基因轉變時的高度負基因轉變時的高度負干涉：干涉：伴隨重組的基因轉換常常能伴隨重組的基因轉換常常能模仿雙交換的結果，仿佛是一次交換增加了附近基因交模仿雙交換的結果，仿佛是一次交換增加了附近基因交換的幾率；換的幾率；哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第八章第八章 遺傳重組遺傳重組共轉變：共轉變：子囊中幾個相近位點同時發(fā)生轉換的現(xiàn)象；子囊中幾個相近位點同時發(fā)生轉換的現(xiàn)象； m1 + m1 + m1 + m1 + m1 + + + m1 + + m2 + m2 + m2 m

21、1 + + m2 + m2 + m2 + m2 + m2未轉變未轉變單轉變單轉變共轉變共轉變共轉變共轉變哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第八章第八章 遺傳重組遺傳重組極化子：極化子：距離單鏈斷裂點的位置距離單鏈斷裂點的位置越近越容易發(fā)生基因越近越容易發(fā)生基因轉變轉變，越遠越不易發(fā)生轉變，由此，越遠越不易發(fā)生轉變，由此基因轉變頻率由高基因轉變頻率由高到低到低形成一個梯度，形成一個梯度，染色體上呈現(xiàn)基因轉變極化現(xiàn)象染色體上呈現(xiàn)基因轉變極化現(xiàn)象的區(qū)域稱為極化子的區(qū)域稱為極化子；m3m2m1m4m5轉變頻率轉變頻率單鏈斷裂點單鏈斷裂點哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第八章第八章 遺傳重組遺傳重組( (一一

22、) )、細菌同源重組的特點、細菌同源重組的特點 發(fā)生在環(huán)狀雙鏈發(fā)生在環(huán)狀雙鏈DNA分子與一個雙鏈或單鏈分子與一個雙鏈或單鏈DNA 分子之間；分子之間； 轉化轉化：單鏈單鏈 雙鏈雙鏈 接合：接合：雙鏈雙鏈 雙鏈雙鏈 轉導：轉導：雙鏈雙鏈 雙鏈雙鏈三、細菌的同源重組三、細菌的同源重組哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第八章第八章 遺傳重組遺傳重組存在存在8個堿基組成的重組熱點個堿基組成的重組熱點(Chi位點位點) E.coli 5-10Kb： chi 位點位點 5 GCTGGTGG 3 3 CGACCACC 5需要幾種重要的蛋白質(zhì)：需要幾種重要的蛋白質(zhì)： RecBCD復合體：復合體：具有具有核酸酶，解

23、旋酶核酸酶，解旋酶和和ATPase活性，在活性，在 Chi位點位點產(chǎn)生單鏈產(chǎn)生單鏈 3游離未端；游離未端； RecA：促進促進DNA單鏈的同化，即單鏈的同化，即促進單鏈與同源雙鏈分子促進單鏈與同源雙鏈分子發(fā)生鏈的交換發(fā)生鏈的交換； RuvAB復合體：復合體：促進促進分支遷移分支遷移； RuvC：核酸內(nèi)切酶，核酸內(nèi)切酶，切開重組中間體切開重組中間體(Holliday連接體連接體)；哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第八章第八章 遺傳重組遺傳重組 RecBCD 結合在雙鏈斷裂處 chi B C D 5 3 RecBCD 解鏈并作為外切酶降解 DNA chi RecBCD 停留在 chi 處，內(nèi)切酶切開

24、單鏈 RecD 在 chi 順序解離 RecBC 繼續(xù)作為解鏈酶 圖 23-15 RecBCD 核酸酶從一側接近 chi 順序，當它前進 時降解 DNA。在 chi 位點它作為內(nèi)切酶剪切單鏈，釋放 RecD,僅保留了解鏈酶活性。(二二)、細菌同源重組的機制、細菌同源重組的機制-接合和轉導接合和轉導(雙鏈和雙鏈雙鏈和雙鏈)1) ). RecA蛋白與單鏈蛋白與單鏈DNA結結 合，形成合，形成螺旋狀纖絲螺旋狀纖絲；2) ). 螺旋狀纖絲螺旋狀纖絲與同源雙鏈與同源雙鏈DNA結合；結合；3) ). 螺旋狀纖絲螺旋狀纖絲中的單鏈中的單鏈( (入入侵單鏈侵單鏈) )與雙鏈中的互補鏈配與雙鏈中的互補鏈配對，同

25、源鏈被置換出來；對，同源鏈被置換出來；RecA蛋白介導的蛋白介導的DNA鏈交換模型鏈交換模型哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第八章第八章 遺傳重組遺傳重組游離的游離的3單鏈末端單鏈末端單鏈侵入并置換單鏈侵入并置換形成形成Holliday連接體連接體哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第八章第八章 遺傳重組遺傳重組Ruv AB復合物結合于復合物結合于Holliday連接體連接體哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第八章第八章 遺傳重組遺傳重組哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第八章第八章 遺傳重組遺傳重組Ruv C 蛋白切開蛋白切開Holliday連接體連接體哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第八章第八章 遺傳重組遺

26、傳重組置換延伸置換延伸 (recA) 內(nèi)切酶內(nèi)切酶 (recBCD)DNA侵擾侵擾(recA) 內(nèi)切酶內(nèi)切酶(recBCD) DNA 連接酶連接酶5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 3 5 5 3 3 5 3 5 5 3 3 3 5 3 5 3 3 5 5 3 5 3 5 3 Holiday中間體中間體5 3 5 3 5 3 5 3 分支遷移分支遷移(Ruv AB)5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 5 5 3 3 3 5 5 5 5 3 3 3 3 5 5 5 5 3 3 3 3 5 5 5 5 3 3 3 3 5 5 5 5 3 3 3 3 內(nèi)切

27、酶內(nèi)切酶(RuvC)內(nèi)切酶內(nèi)切酶(RuvC) DNA連接酶連接酶 DNA連接酶連接酶上下切上下切左右切左右切實質(zhì)：單鏈實質(zhì)：單鏈DNA片段與雙鏈環(huán)狀片段與雙鏈環(huán)狀DNA之間的重組之間的重組( (三三) )、細菌的重組機制、細菌的重組機制-轉化轉化( (單鏈和雙鏈單鏈和雙鏈) )哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第八章第八章 遺傳重組遺傳重組 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(fā)生重組發(fā)生重組 無修復作用無修復作用 子代細胞出現(xiàn)兩種基因型（受體基因型子代細胞出現(xiàn)兩種基因型（受體基因型 和重組體基因型）和重組體基因型） 通常采用有利于重組體基因型生長的選擇條件通常采用有利于重組體基因型生長的選擇條件(四四)、細菌修復系統(tǒng)對異源雙鏈區(qū)的校正：、細菌修復系統(tǒng)對異源雙鏈區(qū)的校正：哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第八章第八章 遺傳重組遺傳重組 高效率標記高效率標記(high-efficiency maker)：在轉化中，有些遺傳在轉化中，有些遺傳標記或是很少發(fā)生校正作用，或是校正切除幾乎總是在受標記或是很少發(fā)生校正作用，或是校正切除幾乎總是在受體體DNA上，因此轉化頻率較高，這類遺傳標記稱為