7第七章 遗传重组

第七章遗传重组教学基本要求：1．了解遗传重组的类型；2．掌握同源重组的Holliday模型，了解基因转变现象及其分子机制。学时数：2学时基因重组是所有生物遗传的基本现象，无论是高等生物还是细菌，病毒中都存在基因重组；不只是在减数分裂中发生基因重组，在高等生物的体细胞中也发生重组；重组不只是在核基因之间发生，在叶绿体基因间、线粒体基因间也发生重组。可以说，只要有DNA就会有重组发生。第一节遗传重组的类型一、同源重组(homologousrecombination)依赖大范围的DNA同源序列的联会。重组过程中，两个染色体或DNA分子相互交换对等的部分。在真核生物中，重组发生在减数分裂时期的同源染色体的非姊妹染色单体之间。细菌及某些低等真核生物的转化、细菌的转导、接合以及某些病毒的重组等均属于这一类型。同源重组中负责DNA配对和重组的蛋白质因子无碱基序列的特异性，只要两条DNA序列相同或接近，重组就可以在此序列中的任何一点发生。大肠杆菌的同源重组需要RecA蛋白质，类似的蛋白质也存在于其他细菌中．因此，细茵中的同源重组又称为依赖RecA重组(dependentrecombinationRecA)。重组热点：即某类序列发生重组的概率高于其他序列。异染色质及其附近区域就很少发生重组；染色体端部重组频率高；重组率与臂长成反比。二、位点专一性重组（site-specificrecombination）依赖于小范围同源序列的联会，只涉及特定位置的短同源区或是特定的碱基序列之间。重组时两个DNA分子发生精确的切割、连接反应，但并不交换对等的部分，而是是一个DNA分子整合到另一个DNA分子中，因此将这种形式的重组又称为整合式重组(integrativerecombination)。例如λ噬菌体DNA通过其attP位点和大肠杆菌DNA的attB位点之间专一性重组而实现整合过程。在重组部分有一段15bp的同源序列，这一同源序列是重组的必要条件，但不是充分条件，还须位点专一性的蛋白质因子参与催化。这些蛋白质因子不能摧化其他任何两条不论是同源的还是非同源序列间的重组，这就保证了λ噬菌体DNA整台方式的专一性和高度保守性。因此位点专一性重组又称为保守性重组。这一重组不需要RecA蛋白质的参与。三、异常重组（illegitimaterecombination）异常重组完全不依赖于序列间的同源性而使一段DNA序列插入另一段中。但在形成重组分子时往往是依赖于DNA复制而完成重组过程，因此又称为复制性重组(replicativerecombination)。如转座子从染色体的一个区段转移到另一个区段或从一条染色体转移到另一染色体，这种转座作用既不依赖于转座子DNA序列与插入区段DNA序列之间的同源性，又不需要RecA蛋白参与作用。只依赖于转座区域DNA复制和转座有关的酶而完成重组。第二节同源重组的分子机制一、断裂重接模型（breakagejoiningmodel）C．D．Darlington1936年提出。在同源染色体联会时，由于染色体的缠绕而产生张力，两个相对染色单体在同一位置断裂，然后彼此和另一染色单体重新连接起来从而形成重组并消除这种张力。二、基因转换现象Olive等广泛研究粪生粪壳菌g座位，g-决定子囊孢子灰色，g+决定子囊孢子的黑色，在g+×g-的杂交中，他们分析了20万子囊，发现0.06%是5∶3分离，0.05%是6∶2分离，0.008％是3∶1∶1∶3（或异常4∶4）分离。图示．(1)一个孢子中的两个孢子有着不同的基因型。(2)分离比例不是4∶4。(3)邻近的基因A/a都呈现正常分离。断裂重接模型则无法解释异常现象。1930年，德国遗传学家H．温克勒把这种不规则分离现象解释为减数分裂过程中同源染色体联会时一个基因使相对位置上基因发生相应的变化所致，因而称就基因转变。好象是由于一个基因转换为另一等位基因，所以称为基因转换（geneconversion）。以后由于发现一个基因发生基因转变时，它两旁的基因常同时发生重组：在5∶3和6∶2分离的子囊中，大约有30%也在g座位的这边或那边发生重组；有基因转换的子囊中，基因转换和遗传重组都发生在同样两个单体的子囊比例竟高达90%。所以认为基因转变是某种形式的染色体交换的结果。因此，基因转变的研究，实质上也是染色体交换机制的研究。三、同源重组的Holliday模型1964年，R.Holliday提出了重组的杂合DNA模型(hybridDNAmode)，并作修正。图示．过程：A．同源的非姊妹染色体的DNA配对。B-C．同源非姊妹染色单体DNA中两个方向相同的单链在DNA内切酶的作用下，在相同位置上同时切开。D．切开单链交换重接，形成交联桥结构（cross-bridgedstructure）。E．交联桥的位置可以靠拉链式活动，沿着配对DNA分子“传播”—桥迁（Bridgemigration），其中互补碱基间形成的氢键从一条链改变另一条链。于是在两个亲本DNA分子间造成一段异源双链DNA。这种结构又称为Hollidaystructure。F-H．绕交联桥旋转，形成Holliday结构的异构体。I-J．通过两种方式切断DNA单链以消除交联桥，恢复两个线形DNA分子。K．进行DNA修补合成。I-K．如果是左右切断，出现中间包含杂合双链的两旁基因是非重组（AB．ab）的双链DNA分子;如果上下切断，将出现中间包含杂合双链并且两旁基因发生重组（Ab，aB）的双链DNA。不管Holliday结构怎样产生，是否导致两侧遗传标记重组，它们都含有一个异源双链DNA区。四、基因转变及其分子机制1．两个杂种分子都未校正，子囊孢子分离为3∶1∶1∶3在3∶1∶1∶3的子囊中，减数分裂的4个产物中，两个产物的一半出现基因转换，所以是半染色单体转换，分离一定发生在减数分裂后的有丝分裂中，所以叫做减数后分离。2．一个杂种分子校正为+，子囊孢子出现5∶3分离。在5∶3的子囊中，减数分裂的4个产物中，有一个产物的一半出现基因转换，所以是半染色单体转换，分离一定发生在减数分裂后的有丝分裂中，所以叫做减数后分离。3．两个杂种分子都校正到+（或-）子囊孢子出现6∶2分离，如果校正相反，子囊孢子分离正常。在6∶2（或2∶6）子囊，减数分裂的4个产物中，有一个产物发生基因转换，所以是染色单体的转换。两种校正方式：不配对的碱基对由核酸外切酶切除，新合成的互补短链在连接酶的作用下连接上去。由于切除的不配对区段的不同，校正后或出现野生型或出现突变型。五、环状DNA分子的重组1．重组过程图示．首先两个环状DNA分子在任意两个同源区域之间配对、断裂、重接，形成8字形的中间物。8字形结构的切断也有不同方式：如在2和4对应链切断就产生两个亲本环状DNA分子，每个含有一段异源双链区；如在1和3对应链切断则形成一个由两个亲本DNA分子首尾共价连接而成大的单体环，单体环又可在任何同源区之间发生重组；如1和2或3和4切断，则产生滚环结构。2．Chi结构的出现直接证明了细胞内重组过程中异源双链DNA和Holliday结构及其异构体的存在。六、Meselson-Radding模型1、问题的提出在Holliday模型中，两个非姊妹染色单体中央的杂合双链是对称的。如果我们考虑这两个杂合双链中一个被校正而另一个则进行减数后分离的情况，由于两个杂种分子+/g中哪一个被校正为＋应该是随机的，所以三型子囊和四型于囊的数目应是相等的，即同样，杂合双链＋/g校正为g的情况应该也是如此。换言之，第2个分子校正为＋还是第3个分子校正为＋的机会应相同。对于有8个子囊孢子的子囊来讲，5＋：3g的情况就是连续排列的＋＋＋＋＋ggg；而四型子囊则是不连续的+++g++gg排列。2、M-R模型从步骤5及其以后的过程中，任何时间两个重叠单链断裂时，这个“过程”便会终止。这一事件发生得愈早，则会出现众多的三型子囊，因为分支迁移将形成四型子囊。也由于异构化难于实现，因此四型子囊必然少于三型。