遗传重组的分子机制

哈工大-遗传学第八章遗传重组上一章主要内容回顾几个主要的概念：•转化•转导–普遍性转导–局限性转导–流产转导几个主要的知识点：•转化时重组率的计算•转导时基因顺序的判断哈工大-遗传学第八章遗传重组第八章遗传重组哈工大-遗传学第八章遗传重组生物遗传重组遗传变异DNA重排DNA突变DNA的复制DNA的修复同源重组位点专一性重组异常重组哈工大-遗传学第八章遗传重组第一节同源重组哈工大-遗传学第八章遗传重组同源重组：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分子交换对等的部分。例：同源染色体非姐妹单体交换；细菌的转化、转导、接合；噬菌体的重组…一、概念条件：2个DNA分子序列同源；不同物种同源重组所需的最小的同源序列不同；哈工大-遗传学第八章遗传重组(cmi)λ噬菌体113C和14N重链(++)λ噬菌体212C和14N轻链同时感染E.coli子代噬菌体CsCl密度梯度离心重链重链+轻链轻链二、同源重组的分子机制(一)、异源DNA双链断裂与重(错)接证据：1961，M.MeselsonandJ.J.Wergle哈工大-遗传学第八章遗传重组cmi轻亲代++重亲代c+图23-4轻、重标记λ噬菌体的重组实验5’3’5’3’5’3’3’5’3’5’3’5’哈工大-遗传学第八章遗传重组交叉理论（chiasmatatypehypothesis）1909年，Janssens提出；断裂和重接模型1937年，Darlington提出；模板选择学说（copychoice）BellingJ.首先提出，1933年又撤回；1948年，Hershey再次提出；Holliday模型1964年RobinHolliday提出；(二)、同源重组的Holliday模型哈工大-遗传学第八章遗传重组12.断裂重接模型3.4.1．2.模板选择复制模型3.4.图23-3断裂重接模型和模板选择复制模型的比较哈工大-遗传学第八章遗传重组断裂重接模型和模板选择复制模型存在的问题断裂重接模型：不能解释基因转变和极化子现象；模板选择复制模型：(1)违背了半保留复制；(2)DNA复制在S期，重组在偶线期，不应同时发生；(3)不能解释3线和4线交换；哈工大-遗传学第八章遗传重组交叉理论（chiasmatatypehypothesis）1909年，Janssens提出；断裂和重接模型1937年，Darlington提出；模板选择学说（copychoice）BellingJ.首先提出，1933年又撤回；1948年，Hershey再次提出；霍利迪(Holliday)模型1964年RobinHolliday提出；(二)、同源重组的Holliday模型1.同源的非姐妹染色单体联会;2.DNA内切酶在非姐妹染色单体的相同位置同时切开两个方向相同的一条单链；3.切开的单链交换重接;4.形成交联桥结构；5.分支迁移：形成一大段异源双链DNA(Holliday结构)6.绕交联桥旋转1800，形成Holliday异构体；7.切开与重接：左右切，形成非重组体上下切，形成重组体。1234567旋转1800无论Holliday结构断裂是否导致旁侧遗传标记的重组，它们都含有一个异源双链区。哈工大-遗传学第八章遗传重组(1)5’AB3’(8)A3’5’B3’5’5’ab3’两臂旋转联会(2)5’AB3’b3’5’a3’5’5’ab3’(9)A酶切B(3)5’AB3’3’5’b3’5’a5’ab3’游离端移动联会(4)5’AB3’(10)AA3’5’BB3’5’5’ab3’游离端交叉连接bb(5)5’AB3’aa3’5’3’5’(11)ABAb5’ab3形成单链交叉abaB(6)5’AB3’3’5’3’5ABAb5’ab3’分支点移动(7)AabaBBab图23－8Holiday重组模型。哈工大-遗传学第八章遗传重组支持Holliday遗传重组模型的证据：1、形态学上，Holliday中间体(Chi结构)的电镜照片；哈工大-遗传学第八章遗传重组两个环状DNA分子配对、断裂、重接形成“8”字型结构中间物，根据切割的位置不同，可分别形成两个亲本环、大的单体环或者是滚环结构，也可以形成“χ”结构。Holliday模型同样适用于环状DNA间的重组哈工大-遗传学第八章遗传重组哈工大-遗传学第八章遗传重组支持Holliday遗传重组模型的证据：1、形态学上，Holliday中间体(Chi结构)的电镜照片；2、异源双链形成时，产生碱基错配导致与重组相关联的基因转变的发生；哈工大-遗传学第八章遗传重组1、异常分离与基因转变粗糙脉孢菌：pdxp：酸度敏感的VB6依赖型pdx：酸度不敏感的VB6依赖型(三)、基因转变及其分子机理AaAaAAaaAAaa减数分裂I减数分裂II有丝分裂第一次分裂分离(MI)模式AAAAaaaaaaaaAAAAAaaA减数分裂I减数分裂II有丝分裂第二次分裂分离(MII)模式AaAaAaaAAAaaAAaaaaAAaaAAaaAAAAaaAAaaaaAA＋－＋－－＋－＋＋－－＋－＋＋－AAAAaaaaaaaaAAAA＋＋－－－－＋＋MIMII哈工大-遗传学第八章遗传重组哈工大-遗传学第八章遗传重组哈工大-遗传学第八章遗传重组1、异常分离与基因转变粗糙脉孢菌：pdxp：酸度敏感的VB6依赖型pdx：酸度不敏感的VB6依赖型(三)、基因转变及其分子机理哈工大-遗传学第八章遗传重组+pdxp×pdx+孢子对子囊①②③④1+pdxppdx+++pdx+2++pdx++pdxp+pdxp3+pdxp++pdx+++4pdx++pdxppdx+pdx+585个子囊中?-+-++++--+-++++--+-++++--+-++++----++++--+--+++--+-++-+-基因转变(geneconversion)：一个基因转变为它的等位基因的遗传学现象（源于基因内重组）。粪生粪壳菌(Olive):g+×g-+-+++++-6:2(或2:6)+-++++--5:3(或3:5)+-+++---3:1:1:3+++-++?-+??-半染色单体转变染色单体转变120/200000100/20000016/200000哈工大-遗传学第八章遗传重组(1).染色单体转变:(chromatidconversion)6:2/2:6分离(2).半染色单体转变:(half-chromatidconversion)5:3/3:53:1:1:3哈工大-遗传学第八章遗传重组①在5：3和6：2分离的子囊中，约有30%也在g基因两侧发生重组；②发生基因转变的子囊中，基因转变和遗传重组都发生于同样的两个染色单体上的子囊的比例高达90%；2、基因转变的分子机制基因转变的实质：重组过程中留下的局部异源双链区，在细胞内的修复系统识别下不同的修复产生的结果；哈工大-遗传学第八章遗传重组哈工大-遗传学第八章遗传重组哈工大-遗传学第八章遗传重组Holliday模型中，由于重组而产生的异源双链区存在不配对碱基，可被细胞内的修复系统能够识别并以一条链为模板进行切除修复：(1).两个杂种分子均未得到校正，有丝分裂后分离形成4:4或3:1:1:3的异常孢子分离比，属于半染色单体转变；(2).一个杂种分子得到校正，另一条未校正，有丝分裂后分离形成5:3或3:5的分离比，属于半染色单体转变；(3).两个杂种分子都被校正到同一种类型，有丝分裂后分离形成6:2或2:6的分离比，属于染色单体转变；(4).两个杂种分子都被校正到不同类型，有丝分裂后分离形成4:4分离比，未出现基因转变；哈工大-遗传学第八章遗传重组Holliday模型中为对称的杂合双链，而实际情况有不均等分离现象，1975年Meselson-Radding提出模型解释这种不对称重组现象；(四)、同源重组的Meselson–Radding模型＞＞+/++/g+/gg/g++++g+gg++g+++gg修复校正：若一个杂种分子被校正为野生型(突变型)，另一个未被校正+++g++gg+++++ggg三型子囊四型子囊Meselson-Radding模型困难哈工大-遗传学第八章遗传重组负干涉：两个邻近基因，或者是同一基因不同突变点间，双交换的频率比预期高，并发系数C1，即一个区域的交换引起邻近区域交换的增加；局部负干涉：有些噬菌体、细菌或真菌的某些局部位点明显的出现负干涉的现象；(五)基因转变与高度负干涉基因转变时的高度负干涉：伴随重组的基因转换常常能模仿双交换的结果，仿佛是一次交换增加了附近基因交换的几率；哈工大-遗传学第八章遗传重组共转变：子囊中几个相近位点同时发生转换的现象；m1+m1+m1+m1+m1+++m1++m2+m2+m2m1++m2+m2+m2+m2+m2未转变单转变共转变共转变哈工大-遗传学第八章遗传重组极化子：距离单链断裂点的位置越近越容易发生基因转变，越远越不易发生转变，由此基因转变频率由高到低形成一个梯度，染色体上呈现基因转变极化现象的区域称为极化子；m3m2m1m4m5转变频率单链断裂点哈工大-遗传学第八章遗传重组(一)、细菌同源重组的特点①发生在环状双链DNA分子与一个双链或单链DNA分子之间；转化：单链×双链接合：双链×双链转导：双链×双链三、细菌的同源重组哈工大-遗传学第八章遗传重组②存在8个碱基组成的重组热点(Chi位点)[E.coli5-10Kb]：chi位点5'GCTGGTGG3'3'CGACCACC5'③需要几种重要的蛋白质：RecBCD复合体：具有核酸酶，解旋酶和ATPase活性，在Chi位点产生单链3'游离未端；RecA：促进DNA单链的同化，即促进单链与同源双链分子发生链的交换；RuvAB复合体：促进分支迁移；RuvC：核酸内切酶，切开重组中间体(Holliday连接体)；RecBCD结合在双链断裂处chiBCD5’3’RecBCD解链并作为外切酶降解DNAchiRecBCD停留在chi处，内切酶切开单链RecD在chi顺序解离RecBC继续作为解链酶图23-15RecBCD核酸酶从一侧接近chi顺序，当它前进时降解DNA。在chi位点它作为内切酶剪切单链，释放RecD,仅保留了解链酶活性。(二)、细菌同源重组的机制---接合和转导(双链和双链)哈工大-遗传学第八章遗传重组1).RecA蛋白与单链DNA结合，形成螺旋状纤丝；2).螺旋状纤丝与同源双链DNA结合；3).螺旋状纤丝中的单链(入侵单链)与双链中的互补链配对，RecA蛋白介导的DNA链交换模型哈工大-遗传学第八章遗传重组游离的3'单链末端单链侵入并置换形成Holliday连接体哈工大-遗传学第八章遗传重组RuvAB复合物结合于Holliday连接体哈工大-遗传学第八章遗传重组哈工大-遗传学第八章遗传重组RuvC蛋白切开Holliday连接体置换延伸(recA)内切酶(recBCD)DNA侵扰(recA)内切酶(recBCD)DNA连接酶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中间体5´3´5´3´5´3´5´3´分支迁移(RuvAB)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´内切酶(RuvC)内切酶(RuvC)DNA连接酶DNA连接酶上下切左右切哈工大-遗传学第八章遗传重组实质：单链DNA片段与双链环状DNA之间的重组(三)、细菌的重组机制--转化(单链和双链)哈工大-遗传学第八章遗传重组①切除外源DNA——无重组②切除受体DNA——发生重组③无修复作用——子代细胞出现两种基因型（受体基因型和重组体基因型）通常采用有利于重组体基因型生长的选择条件(四)、细菌修复系统对异源双链区的校正：哈工大-遗传学第八章遗传重组•高效率标记(high-efficiencymaker)：在转化中，有些遗传标记或是很少发生