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1、第九章第九章 遗遗 传传 重重 组组第一节第一节 遗传重组概述遗传重组概述n n基因组的可变性和稳定性之间必须维持一个恰到好处的平衡，这样才能使生物体得以生存并能世代相传，繁衍不息。n n染色体的遗传差异主要由两种 机制产生，一种是突变，一种是遗传重组。n n遗传重组指的是遗传物质的重新组合，其共有的特征是DNA双螺旋之间的遗传物质发生交换。遗传重组的存在确保了遗传物质代与代之间基因组的重排，从而形成一个物种内部个体之间的遗传差异。n n遗传重组不仅仅发生于代与代之间，一个个体的基因组也可以发生重排。重组不只是在减数分裂和体细胞核基因中发生，也在线粒体基因间和叶绿体基因间发生。Generali
2、zed recombination can occur at any point along the lengths of two homologous DNAs.遗传重组的证明:突变和重组是提供进化起始物质的两个过程：n n突变引起的遗传改变能引起蛋白质中氨基酸序列的变化，该变化引起表型的改变，通过自然选择发生作用。n n重组提供一个基因组结构的变化，也会引起表型的变化，也通过自然选择发挥作用。根据不同的机制，可将重组分成4类：n n同源性重组（homologous recombination）n n位点特异性重组（site-specific recombination）n n转座重组（tr
3、ansposition recombination）n n异常重组（illegitimate recombination)Site-specific recombination occurs between two specific sequences(identified in green).The other equences in the two recombining DNAs are not homologous.第二节第二节 同同 源源 性性 重重 组组n n同源性重组是发生在两个DNA分子同源区之间的重组。同源性重组主要是利用DNA序列的同源性识别重组对象，由碱基序列提供识别的特
4、异性。n n同源性重组最主要特征是相关的酶可以利用任何一对同源序列为底物。n n真核生物减数分裂时的染色体之间的交换，某些低等真核生物及细菌的转化、转导、接合等都属于同源性重组这一类型。n n在整个基因组中，同源重组的频率并不恒定，并且跟染色体的结构有关。例如在异染色体附近遗传物质的交换要受到抑制。一、进行同源重组的基本条件一、进行同源重组的基本条件（1）在交换区具有相同或相似的序列n n发生同源性重组的两个区域的核苷酸序列必须是相同或非常相似的。n n同源性重组常常只发生在两个DNA分子中的相同部位。（2）双链DNA分子之间互补的碱基进行配对n n两个DNA分子之间互补的碱基配对确保重组只发
5、生在同样的基因座之间。n n两个双链DNA分子通过链之间互补的碱基配对被维系在一起称为联会（synapsis）。（3）重组酶n n参与重组反应的酶保证重组的顺利进行。n n重组过程中，每个分子的链首先断裂，然后进行修复和连接，两个DNA分子之间发生交换。重组完成后，重组分子的解离和释放等过程均是在酶催化下进行的。（4）异源双链区的形成n n同源性重组时，在两个DNA分子之间互补碱基配对的区域称为异源双链区（heteroduplex region）。n n两个DNA分子通过一段异源DNA双螺旋共价相互连接。二、同源性重组的分子模型二、同源性重组的分子模型n n第一个被广泛接受的重组模型是1964
6、年由Robin Holliday提出的Holliday模型。n n即将重组的两个DNA分子在同一部位发生两个单链断裂，从而引发重组。n n两个断裂单链的游离端彼此交换，形成两个异源双链，然后末端连接形成Holliday连接体（Holliday Junction）。n nHolliday连接体形成后，它能进行重排从而改变链的彼此关系。这种重排称为异构化。n n一旦形成Holliday连接体后，就能被拆分。是否发生重组依赖于拆分时Holliday连接体的构象。n nHolliday模型被称为双链侵入模型，因为由于每一个DNA分子的一条链侵入到另一个DNA分子，它解释了在重组时两个DNA分子的异源双
7、链是如何形成的。n nHolliday连接体也能通过碱基之间氢键的断裂和再连接而发生左右移动。这个过程称为支链迁移（branch migration)第三节第三节 大肠杆菌重组的分子基础大肠杆菌重组的分子基础n n在分子水平上，重组事件发生的先后顺序是相似的：从一个已断裂的分子中产生的单链与其对应的双螺旋发生作用，配对区间扩展，重组中间体形成直到核酸内切酶解离此两个双螺旋分子。n n识别反应是重组机制的不可分割的重要部分，并且只涉及到DNA分子的特定区域而不是整个完整的染色体。一、一、chi位点和位点和RecBCD核酸酶核酸酶n n在噬菌体的一些突变种内，存在一些称为chi的位点。这些位点皆含
8、有一个恒定的非对称的8bp序列：5 GCTGGTGC 3 3 CGACCACG 5n nChi位点是一个由基因recBCD编码的Rec BCD酶作用的靶部位。n nRecBCD酶是一种多功能酶，具有几种不同的活性。它是一个强有力的降解DNA的核酸酶，研究的早期被检定为活性核酸外切酶V，具有解旋酶的活性。n nRecBCD 所介导的解旋和切割可以被用来产生末端，并引发异源双链的形成。二、二、RecA和和Holliday连接体的形成连接体的形成n nRecA可以促进单链DNA与其在另一双链DNA 分子中互补的DNA 链的碱基相配对。n nRecA的DNA操作酶活性利用由RecBCD在Chi位点附近
9、切割所释放的单链3末端与双螺.旋中的同源序列发生置换，这一反应被称为单链摄取(single-strand uptake)或单链同化(single-strand assimilation)。三、三、Ruv蛋白和蛋白和 Holliday连接体的拆分连接体的拆分n n大肠杆菌有一组由三个基因编码与随后的重组相关联的蛋白。n nruvA 和 ruvB 基因的产物促进异源双链的形成。Ruv A 蛋白可以识别Holliday连接体的结构，Ruv B是一个腺苷三磷酸酶并可能提供支链迁移的动力。n nRuv A在交叉点处与DNA所有的4条链相结合，在交叉点的上游，两个Ruv B六聚体环状结构分别与每个双螺旋相
10、结合。n nRuvAB蛋白复合体可以使支链以1020 bp的速度迁移。n n第三个基因ruv C编码一种能够特异性地识别Holliday连接体的核酸内切酶，此酶可以在体外切断此种交叉而拆分重组中间体。n n一个含4个碱基的序列提供了Ruv C拆分Holliday连接体的热点。这一序列决定了拆分过程中哪一对DNA链被切断，从而决定发生的是补丁型重组（patch recombination）还是剪接型重组（splice recombination）。第四节第四节 位点特异性重组位点特异性重组n n位点特异性重组发生在特殊序列对之间，这一重组型式最早是在噬菌体的遗传学研究中发现的。n n噬菌体有两种
11、存在型式：裂解状态和溶源状态。两种类型间的转换是通过位点特异性重组实现的。一、噬菌体DNA的整合与切除n n为了进入溶源状态，游离的 DNA必须整合（intergrate）到细菌DNA中去；而为了从溶源状态向裂解状态转化，原噬菌体DNA则必须从细菌染色体DNA上切除（excise）。n n整合和切除均通过细菌DNA 和DNA上特定位点附着点（attachment site，att）之间的重组而实现。n n细菌染色体上的附着点（att）称为attB，含有B、O、和B三个序列（BOB）。突变后可以阻止DNA的整合。n n噬菌体的附着位点称attP，由P、O和P 三个序列组成。n n其中O 序列是a
12、ttB 和attP 所共有的，序列完全一致，称核心序列（core sequence）.是位点特异性重组发生的地方。n n整合反应由噬菌体int基因的产物整合酶（integrase,Int）催化。Int是一种DNA结合蛋白，对POP 序列有强的亲和力。n n整合反应还需要一种有大肠杆菌编码的一种细菌蛋白，称为整合宿主因子IHF(integration host factor,IHF)。n nInt和IHF可以在体外进行位点特异性重组。n n切除反应发生在原噬菌体两端的attL和attR之间，产物为噬菌体环状DNA和细菌染色体DNA。催化切除反应的除了Int和IHF外，还需要一种叫做切除酶（exi
13、cisionase,Xis）的蛋白参加，该酶由噬菌体的xis基因编码。n nXis对控制反应方向起重要作用，它是切除反应所需要的，但却抑制整合反应。n n整合和切除反应所需要识别的序列对不相同。整合要求对attB 和attP之间进行识别，但切除要求对attL和attR识别。因此位点特异性重组的方向性特征由重组位点的特征所控制。n n整合和切除反应皆需Int和IHF蛋白。噬菌体DNA的整合机制n n DNA的整合涉及到attB 和attP的核心序列DNA链的割裂和重接。n n首先在attB 和attP位点上产生同样的交错切口，形成了5-OH和3-P的末端。5单链区全长7个碱基。两个核心区的断裂完全相同，连接过程不需要任何新DNA的合成。n n在整合反应中，互补的单链末端交互杂和，连接并完成整合过程。n n整个反应中没有可以自由旋转的中间体。n n断裂和重新结合反应与拓扑异构酶I催化的反应机制相类似，不同的是相互连接的两条链不是来自于同一双螺旋，而是来自于不同的双螺旋。