Chap12-重组与修复

Chapter12重组与修复§1重组的分子基础§2转座与转座因子§3DNA损伤的修复§1重组的分子基础•变异是生物进化的原材料,变异的来源是基因突变和基因重组；•基因重组改变了染色体上基因的组成和排列顺序；一、遗传重组的类型：（一）、同源重组(homologousrecombination):发生在DNA的同源序列之间。有重组热点,而异染色质及其附近区域很少发生重组.真核生物：减数分裂发生于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、转导、接合，某些病毒的重组都属于这一类。E.coli的同源重组需要RecA蛋白,故又称依赖RecA重组.（二）、位点专一重组(site-specificrecombination):常见于原核生物，直接在专一序列之间配对而发生重组,两个DNA并不交换对等的部分，而是一个DNA分子整合到另一个DNA分子中，又称整合式重组。如噬菌体在att位点整合到细菌基因组中，不需要RecA蛋白参与。P’PattsiteB’BBacterialchrgalbioattsiteP’BB’PbiogalProphage/lysogenExcision(int+xisIHF)Integration(int+IHF)噬菌体通过位点专一性重组整合到细菌基因组中。细菌上的附着点称为attB，由BOB’组成λ噬菌体上的附着点称为attP，由POP’组成（三）、异常重组属于非同源重组范畴，完全不依赖于序列间的同源性而使一段DNA序列插入到另一段中。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)。如转座子一般的同源重组模型需能够解释：1.DNA双链的断裂、交换和重连2.交互性3.一般性4.精确性5.基因转变二、同源重组的分子机制AAaa重组不仅有正常的交互方式，偶而也有不规则的非交互方式。吡哆醇依赖型突变：＋pdxp×pdx＋585个子囊重组后应该同时出现野生型和双突变型孢子对链孢霉VB6突变型的杂交试验(Mitchell,1955)基因转变频率比这些位点的正常突变率高得很多，好象是一个基因转变成为另一个基因，其邻近的基因仍然是2:2分离•基因转变(geneconversion):细胞减数分裂生成4个子细胞时,如果3个子细胞得到了一个亲本的等位基因,只有一个子细胞得到了另一个亲本的等位基因,这种亲本之间等位基因被调换的现象称为基因转变。基因转变是通过重组和DNA修复所造成的。基因转变的特点•基因转变的频率很低；•基因转变与遗传重组有关，因为基因转变与遗传重组都发生在同样两个染色单体的子囊比例高达90%；一个基因发生基因转变时常伴随着它两旁的基因发生重组。基因转变的类型一个染色单体相当于一个DNA分子，转变可以影响一个DNA分子的双链，也可仅仅影响其中的一条链。•染色单体转变（chromatidconversion):减数分裂的4个产物中只有一个发生转变，出现6:2分离；•半染色单体转变（half-chromatidconversion)：减数分裂的4个产物中有一个产物的一半或两个产物的各一半发生转变，出现5:3分离或3:1:1:3分离。基因分离发生在减数分裂后的有丝分裂中，即减数后分离。一些学者提出不同的重组模型，其中Holliday提出的一个重组模型受到多数学者的支持，以后又经过一些学者和Holliday本人的修改。这个模型叫做异源或杂种DNA模型(heteroduplexorhybridDNAmodel)，适用于原核类和真核类。遗传重组的Holliday模型(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。1.同源的非姊妹染色体的DNA配对2.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。3～4.单链的游离端交换位置5.单链连接，形成交联桥结构（cross-bridgedstructure）6.交联桥的位置可以靠拉链式活动,沿着配对DNA分子移动—桥迁（Bridgemigration），形成较大片段的异源双链区。这种结构又称为Holliday中间体(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。(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。7～9.绕交联桥旋转180度，出现中空的十字构型10～11．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，如左右切断,形成的线性分子是非重组体(AB与ab);如上下切断,在形成的线性分子中,其异源双链DNA的两侧标记基因是重组体(Ab与aB).Holliday模型的十字构型中间体的电镜照片g+ACAGT×g－ACATTTGTCATGTAA则所形成的异源双链区域为:ACAGTTGTAAACATTTGTCA不管Holliday结构断裂是否导致旁侧标记基因的重组,它们都含有一个异源双链DNA区,所以如果杂交的亲本为错配碱基由核酸外切酶切除,留下单链缺口，由DNA聚合酶合成互补片段，填补缺口，再由连接酶把新合成的短链以共价键连接上去，成为完整的核苷酸链，完成修复过程。异源DNA链的两种校正方式G(+)A()GCTA切除A,野生型g+切除G,突变型g-基因转换的起源①错配碱基G//A校为G//C,C//T校为A//T,产生4:4分离;②G//A或C//T校为G//C或C//G,产生6:2或2:6分离;③G//A校为G//C,C//T未校正,产生5:3或3:5分离;④G//A或C//T均未校正,产生3:1:1:3分离.Ag+Ag+ag+Ag+全部校正4:4ag+6:2ag正常分离正常分离agAg+未校正Ag+Ag+agAg+ag部分ag+校正agag+ag+5:3Ag+Ag+异常ag+4:4分离Ag+异常分离AgAgagagAgagagag图23-7基因转变和减数后分离§2转座与转座因子有些基因在染色体上的位置是可以移动的,这类基因称为可移动基因，也可称为转座元件或转座因子(transposableelement).•基因可移动概念的提出—McClintock(1951),玉米粒颜色的遗传:正常：有色有色异常：有色色斑有色无色McClintock'smicroscopeandearsofcornonexhibitionattheNationalMuseumofNaturalHistory.BarbaraMcClintock(1902-1992)原核生物中的转座因子：插入序列（IS）转座子（Tn）真核生物中的转座因子：玉米的Ac-Ds系统果蝇的P因子插入序列(insertedsequence，IS):仅含有转座酶基因的简单转移序列，本身没有任何表型效应，长度多在700－1500bp左右.由末端反向重复序列(IR,invertedrepeatsequence),转座酶基因组成.插入基因组中时,在靶位上生成正向重复序列(DR).IS长度/bp末端IR靶位DR插入选择IS1768239随机IS101329229TNAGCNIS50153199热点常见的IS结构•带有转座酶基因等必需基因及抗药性等与转座无关基因的转座因子.结构特征:两端具有同向或反向插入序列,同时,两端的IS可能相同或不同.常见的转座子：转座子长度/bp抗性标记两端序列取向Tn55700KanRIS50反向Tn109300TetRIS10反向Tn92500CamRIS1同向复合转座子(transposon,Tn)转座子的遗传学效应1．引起插入突变；2．插入位置上出现新基因；3、切离：造成回复突变或染色体畸变。4．造成同源序列的整合。5．产生新的变异,有利于进化。由转座子引起的染色体DNA缺失和倒位玉米的Ac-Ds系统玉米中的Ac-Ds系统（9＃染色体短臂）该系统的控制元件可分为两类：自主移动的调节因子Ac，能合成转座酶，并支配受体因子移动，4.5kb,5个exon,编码转座酶.非自主移动的受体因子Ds，不产生蛋白，0.54.0kb,与Ac有同源序列,插入引起色素不能合成.CAcCDsCDsAcTherelationshipofAc/Dsinthecontroloftheelementsandmosaiccolorofmaize.Theseedin10iscolorless,thereisnoAcelementpresentandDsinhibitsthesynthesisofcoloredpigmentscalledanthocyanins.In11to13,onecopyofAcispresent.Dscanmoveandsomeanthocyaninisproduced,creatingamosaicpattern.Inthekernelinpanel14therearetwoAcelementsandin15therearethree.P型（父本贡献的，paternalcontributing）M型（母本贡献的，maternalcontributing）P品系（paternalstrains）M品系(maternalstrains)果蝇的P因子♀M果蝇×♂P果蝇不育♂M果蝇×♀P果蝇可育杂种劣育（hybriddysgenesis）P因子（1）P因子全长2907bp，两端有31bp的反向重复序列。开放阅读框ORF0…ORF1…ORF2…ORF3内含子123（2）P因子有4个编码区，3个内含子。P因子表达差异：体细胞ORF0，1，266kD转座阻遏物生殖细胞ORF0，1，2，387kD转座酶P型细胞质:含66kD转座阻遏物M型细胞质:不含66kD转座阻遏物，导致P因子转座和配子败育♀P×♂P含P因子转座阻遏物P因子不能转移,可育♀P×♂M含P因子转座阻遏物P因子不能转移,可育♂P×♀M不含阻遏物P因子能转移,不育雌性M果蝇细胞内缺失转座阻遏蛋白，引起雄性来源染色体上P转座子自由转移，并造成卵细胞败育.有P因子转座P品系(P♂×P♀)雄性染色体雌性染色体P细胞型阻遏物P因子P因子66KD阻遏物抑制所ORF0ORF1ORF2ORF3ORF0ORF1ORF2ORF366KP♂×M♀雄性染色体雌性染色体P细胞型P因子P因子合成转ORF0ORF1ORF2ORF3座酶87K杂种不育M♂×P♀雄性染色体雌性染色体P细胞型阻遏物无P因子P因子66KD阻遏物抑制所ORF0ORF1ORF2ORF366K有P因子转座图23-57杂种不育取决于基因组中P因子和不同类型细胞中66KD阻遏