第十一章 遗传重组（genetic recombination）

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1 第十一章 遗传重组（genetic recombination）
重要性分析：遗传重组是产生变异、促进进化的主要力量之一，其机制研究有助于深刻理解变异产生的原因，是学业考试的重要内容。 关键掌握：1、遗传重组的概念、类型以及分子机制；2、基因转变的概念与机制;3、转座子的种类、特点、转座的机制；4、转座的遗传学效应以及应用。 参考：Daniel L. Hartl 《Genetics: Analysis of Genes and Genomes》 Chapter 6 Molecular biology of DNA replication and recombination

2 第一节、遗传重组的类型 广义上，任何造成基因型变化的基因交流过程都叫遗传重组.但非同源染色体的自由组合产生基因型不同的后代，并没有涉及到DNA分子内的断裂-复合。 狭义上，指涉及DNA分子内断裂-复合的基因交流过程，有时也叫交换（crossing over）。 根据对DNA序列和蛋白质因子的要求，遗传重组分为:同源重组、位点专一性重组、转座作用、异常重组。

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4 第二节、同源重组的机制 1、 同源重组的模型 A、Holliday 模型： 美国人R. Holliday 在1964年提出。

5 这一模型涉及到两次断裂和重接： 前一次断裂和重接造成了异源双链； 后一次断裂和重接则决定是否出现重组。 如果两次发生在相同的两条链上，只造成异源双链，在这段异源双链区两侧的遗传学位点将不会发生重组； 如果两次断裂重接涉及到四条单链，则除了有异源双链区之外，在这段异源双链区两侧的遗传学位点还将发生重组。

6 B、Meselson-Radding 模型

7 C model of double-strand breaks recombination

8 两个交联桥以同样的方式切割，形成只有断口两侧的异源双链区，没有重组；
两个交联桥以相反的方式切割，则除了有异源双链区外，也会发生重组。 The double-strand breaks recombination model is more accurate than Holiday model in many events： 1）Homologous recombination is often initiated by double-strand break (DSB) in DNA, not by aligned nicks of Holiday model. 2）DSB occurs relatively frequently, but the aligned nicks not.

9 2、Holliday中间体存在的证据 Chi结构的发现直接验证了重组中Holliday中间体的存在。

10 Production of ordered tetrads of Neurospora.
3. 基因转变及机理 A Aa a Production of ordered tetrads of Neurospora.

11 Segregation patterns in Neurospora.

12 基因转变（gene conversion)
6:2 4:4 5:3 基因转变（gene conversion) 在重组过程中，一个基因变为它的等位基因的现象叫做基因转变或基因转换（Gene conversion）。

13 基因转变机理 异源双链DNA模型（Holliday模型）可以很好地解释基因转换发生的机理。 现象：基因转变现象常常和邻近基因的重组相伴发生。
解释：可能发生基因转变的基因正好位于异源双连区。例如 g+ x g–杂交中 ，如果两基因有一对碱基之差（下图）：

14 g+ g - A C A T T A C A G T T G T A A T G T C A A C A G T A C A T T 或者
异源双连区是： A C A G T A C A T T 或者 T G T C A T G T A A

15 + - + - 可能的校正方式： G (+) C G T (g) A A G A 有丝分裂 校正到+ 校正到- 不校正 染色单体转变
半染色单体转变

16 + - + - C (+) G A C (g) T T C T 有丝分裂 校正到+ 校正到- 不校正 染色单体转变 染色单体转变
半染色单体转变

17 G/C= + A/T= g 半染色单体转变 ，减数后分离 异源源双链区 两个杂种分子都未校正 一个杂种分子校正为+ 或 g
/+ 异常的4∶4 半染色单体转变 ，减数后分离 染色单体转变

18 第三节、位点专一性重组  噬菌体侵染周期

19 位点专一性重组过程 attB attP 整合酶Int 切除酶Xis 整合宿主因子(IHF)

20 attB和attP位点处的序列，O序列叫做核心序列，全长15bp，富含AT碱基对，在attB和attP中完全一致。

21 第四节、转座因子 一、麦氏的工作 1983年,美国遗传学家B．McClintock因在发现转座因子方面的重大贡献，被授予诺贝尔医学奖。
染色体的断裂、解离(dissociation)有一个特定位点(Ds)；但Ds并不能自行断裂，受一个激活因子Ac(activator)控制。

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23 二、转座因子的分类和结构 （一）、原核生物的转座因子 根据分子结构与遗传特性可以分为三类：
1．插入序列（insertion sequence，IS） 一类最小的转座因子，除有转座酶基因外，一般不含其它基因，大小在768~1530 bp； 它们是细菌染色体或质粒DNA的正常组成部分；一个细菌细胞常带有少于10个IS序列。

24 虽然IS大小不同，但有共同特征： 反向重复序列举例： 在IS两末端都有一段短的反向重复序列（IR），长度不一。
TGAAA ACTTT TTTCA AAAGT :::

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26 当IS插入靶DNA后，导致在插入片段两侧出现（靶片段）的重复。

27 2. 转座子（transposon） 含有转座酶基因外，还带抗药或其它基因的转座因子。 转座子又可以分为两类： ①.复合转座子：IS因子＋抗菌素抗性片段＋IS因子 。 IS因子可以是反向重复构型或同向重复构型。

28 相同 复合式转座子Tn9的结构

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30 复合转座子中的IS序列既能单独转座，又能带动整个复合体转座。与以下两个因素有关：
A、在非选择压力下，两个IS距离越大，IS自身转座的可能性越大，复合转座子转座的频率越小。 B、在选择压力下，复合转座子整体转座的频率会明显增加。

31 ②.有些转座子末端并不是IS，而是反向重复序列，这类叫复杂转座子（Complex transposon，称TnA族）。

32 Tn3系转座子 长度约5000 bp，末端有一对38 bp IR序列，不含IS因子序列。有3个基因：一个是编码对氨苄青霉素抗性的β–内酰胺酶(β-lactamase)基因，其它二个是编码与转座作用有关的基因（TnpA负责转座，TnpR是阻遏前者的蛋白）（下图）。

33 3.转座噬菌体——Mu噬菌体 是E. coli的温和噬菌体，溶源后能起转座子作用。Mu噬菌体也含有与转座有关的基因和反向重复序列。 Mu能够整合进寄主染色体任何部位（不同于 ），催化一系列染色体的重新排列。 转座的机制主要是复制型转座，有时也切离转座。

34 （二）、真核生物的转座因子

35 1、玉米色斑产生中的转座因子

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37 2、果蝇基因组中的转座因子

38 3、酵母的Ty组分类似逆转录病毒 Ty是“Transposon yeast”的缩写。两端是340 bp的同向重复，称为δ元件。TyA编码DNA结合蛋白，TyB编码反转录酶、整合酶等。 Soloδ可判断Ty插入事件：

39 三、转座的机理 （一）反转录转座 进行此种转位的是反转录转座子，如酵母的Ty1。 1、该因子先转录为RNA；
2、该转录本指导一种反转录酶的合成，后反转录出双链DNA； 3、在整合酶的作用下整合到染色体的随机位点。 整个过程同反转录病毒早期感染类似。 广泛存在于酵母、果蝇和哺乳动物中

40 （二）切离转座

41 （三）复制转座 Tn类转座主要是这种形式。 细菌转座子的转座机制研究最为清楚。
复制性转座是一个非同源重组的过程，通过这一重组，转座子出现在一个新的位置上，可是原来位置上的转座子并不消失，所移动和转位的是原转座子的拷贝。 Tn类转座主要是这种形式。

42 J.A Shapiro的复制转座模型 （1）切开 （2）连接 （3）复制 （4）重组 X Tn Tn

43 五、转座的遗传效应 1、转座引起插入突变和失活； 2、转座产生新的基因；例如：外显子改组

44 3、转座导致染色体畸变，增加新的变异 如切离效应：

45 6、转座子标记目的基因和用作基因工程的载体
4、转座造成同源序列的整合（同源重组） 5、调节基因表达 很多转座子也带有增强子序列，因而使插入部位附近的基因活性大大增强，这种作用并不改变基因序列或引起突变。 6、转座子标记目的基因和用作基因工程的载体

46 六、转座的应用 转座因子在细胞遗传、分子生物学和遗传工程等有许多应用，并可作为基因的标记克隆目的基因。
现已利用玉米转座因子克隆出雄性不育、抗病等重要基因。

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