分子生物学DNA的重组与转座.pptx
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1、第七章第七章 DNADNA的重组与转座的重组与转座7.1 同源重组7.2 位点特异性重组7.3 转座作用7.4 逆转录转座子广义上广义上,任何造成基因型变化的基因交流过程都叫遗,任何造成基因型变化的基因交流过程都叫遗传重组(传重组(geneticrecombination).狭义上狭义上,指涉及到,指涉及到DNA分子内断裂分子内断裂-复合的基因交流,复合的基因交流,有时又称交换(有时又称交换(crossingover).通过不同个体间的基因交换,可以保证遗传的多样性,通过不同个体间的基因交换,可以保证遗传的多样性,从而为选择奠定物质基础。从而为选择奠定物质基础。遗传重组包括遗传重组包括同源重组
2、同源重组,位点专一性重组位点专一性重组,转座重组转座重组和异常重组和异常重组。7.17.1同源重组同源重组(homologousrecombination)一、定义:同源重组也称交换,指减数分裂过程中染一、定义:同源重组也称交换,指减数分裂过程中染色体间遗传物质的交换,即在两个双螺旋色体间遗传物质的交换,即在两个双螺旋DNA分子中分子中任何一对同源序列作底物进行交换。任何一对同源序列作底物进行交换。同源重组发生在同源重组发生在DNA的同源序列之间。在生物细胞的同源序列之间。在生物细胞中很普遍,如真核生物非姊妹染色体之间的交换,姊中很普遍,如真核生物非姊妹染色体之间的交换,姊妹染色体的交换,细菌
3、及其某些低等真核生物的转化、妹染色体的交换,细菌及其某些低等真核生物的转化、转导、接合等都属于同源重组。转导、接合等都属于同源重组。同源重组的机制同源重组的机制(一)、断裂复合:(一)、断裂复合:减减数数分分裂裂中中,染染色色体体减减数数分分裂裂和和配配对对时时,在在染染色色单单体体水水平平上上发发生生物物理理断断裂裂,断断裂裂可可通通过过交交叉叉重重接接而而解解除除张张力力,从从而而产产生生两两个个相相互互重重组组的的染染色色单体。单体。(二二)重重组组过过程程:由由HollidayHolliday提提 出出,后后 经经 MesselsonMesselson,RaddingRadding修修
4、改改,可可以以分分为为以以下下几个步骤几个步骤.1 1、切切断断(nickingnicking):同同源源联联会会的的两两个个DNADNA分分子子中中任任意意一一个个出出现现单单链链切切口口(由由某某些些DNADNA内内切酶产生)。切酶产生)。2 2、链链转转换换(strand strand displacementdisplacement):切切口口处处形形成成55端端局局部部解解链链,由由细细胞胞内内类类似似于于大大肠肠杆杆菌菌DNA DNA Pol Pol I I的的酶酶系系利利用用切切口口处处的的3-OH3-OH合合成成新新链链,而而把把原原有有链链转转换换出出来来,使使原原有有链成为
5、游离的链成为游离的5-5-单链区段。单链区段。3 3、单链侵入单链侵入(single-strand invasionsingle-strand invasion)由链置换产生的单)由链置换产生的单链区段侵入到参与联会的另一条链区段侵入到参与联会的另一条DNADNA分子因局部解链而产生分子因局部解链而产生的单链泡中。的单链泡中。4 4、LoopLoop切除切除:侵入的单链:侵入的单链DNADNA与参与联会的另一条与参与联会的另一条DNADNA分子中分子中的互补链形成碱基配对,同时把与侵入单链的同源链置换出的互补链形成碱基配对,同时把与侵入单链的同源链置换出来,由此产生来,由此产生D-LoopD-
6、Loop,其单链区随后被切除降解。,其单链区随后被切除降解。5 5、链同化链同化(strand assimilation strand assimilation)LoopLoop切除中产生的切除中产生的3-OH3-OH断头和侵入的单链的断头和侵入的单链的5-P5-P由由DNA LigaseDNA Ligase联接,同时侵入的单联接,同时侵入的单链沿链沿5-35-3方向继续置换,方向继续置换,LoopLoop切除中产生的切除中产生的5-P5-P断头。断头。6 6、异构化异构化:链同化过程中,:链同化过程中,DNADNA经过一定的扭曲旋转形成的异经过一定的扭曲旋转形成的异构体。构体。7 7、分支迁
7、移分支迁移(branch migrationbranch migration):两条):两条DNADNA分子之间形成的分子之间形成的交叉点可以沿交叉点可以沿DNADNA移动,这一过程称为分支迁移。移动,这一过程称为分支迁移。图、分枝迁移图、分枝迁移HollidayHolliday结构的拆分结构的拆分 重重组组体体连连接接两两个个DNADNA双双链链的的交交换换中中间间物物含含有有4 4股股DNADNA链链,在在其其连连接接处处为为转转换换配配对对所所形形成成交交叉叉链链的的连连接接点点称称为为HollidayHolliday结结构构。该该结结构构中中由由二二对对连连锁锁在在一一起的起的DNAD
8、NA分子组成。分子组成。HolidayHoliday中间体的形成只完中间体的形成只完成了重组的一半,由于连锁在成了重组的一半,由于连锁在一起的两条一起的两条DNADNA分子必须经过拆分子必须经过拆分(分(resolutionresolution)回复到彼此)回复到彼此分开的双螺旋状态。拆分的方分开的双螺旋状态。拆分的方式有两种,需要内切酶在交叉式有两种,需要内切酶在交叉点处形成一对切口,然后由连点处形成一对切口,然后由连接酶连接。接酶连接。细菌细菌DNA的重组的重组 1、细菌重组酶:、细菌重组酶:1)RecA蛋白:为蛋白:为E。coliRecA基因的产物,基因的产物,RecA蛋白蛋白是催化重组
9、基本反应的酶,能通过碱基配对使两个是催化重组基本反应的酶,能通过碱基配对使两个DNA连接成杂交分子。连接成杂交分子。2)RecBCD酶:亦称核酸外切酶酶:亦称核酸外切酶V,它通过,它通过Chi序列识序列识别靶位点。该酶具有多种活性,可以在单链结合蛋白别靶位点。该酶具有多种活性,可以在单链结合蛋白的存在下松开的存在下松开DNA双链,同时还具有双链,同时还具有ATP酶活性,它酶活性,它在重组中的作用是提供具有在重组中的作用是提供具有3-末端的单链区域。末端的单链区域。3)ruvABC:其中:其中ruvA和和B基因产物可促进异源双链结基因产物可促进异源双链结构的形成。构的形成。1 1、单链摄入和链交
10、换、单链摄入和链交换 RecARecA蛋白作用于蛋白作用于DNADNA分子,用单链去置换双链分子的同源分子,用单链去置换双链分子的同源区段,这个反应称单链摄入。区段,这个反应称单链摄入。RecARecA蛋白的这种作用是通过与游蛋白的这种作用是通过与游离的单链离的单链3-3-端结合,并引导单链端结合,并引导单链DNADNA侵入双链侵入双链DNADNA中,这种作中,这种作用还需要用还需要RecBCDRecBCD的协助。的协助。E.coliE.coli中有一种中有一种ChiKaiChiKai结构结构:5-GCTGGTGG-35-GCTGGTGG-3 3-CGACCACC-5 3-CGACCACC-5
11、 RecBCDRecBCD沿双链滑行至沿双链滑行至ChiChi结构结构附近时,将其附近的兔耳结构附近时,将其附近的兔耳结构的一端切开形成具有的一端切开形成具有3-3-端的端的单链区,单链区,RecARecA再与此单链再与此单链DNADNA的的3-3-端结合并引入另一双链端结合并引入另一双链结构中导致重组,结构中导致重组,RecBCDRecBCD则沿则沿双链继续寻找下一个双链继续寻找下一个ChiChi结构。结构。兔耳结构兔耳结构:RecBCDRecBCD结合结合DNADNA,使解链速度大于恢复双,使解链速度大于恢复双螺旋的速度,所以形成二个单螺旋的速度,所以形成二个单链环,称兔耳结构。链环,称兔
12、耳结构。同源重组的作用同源重组的作用 1 1、维持种群的遗传多样性、维持种群的遗传多样性 2 2、在在真真核核生生物物中中同同源源重重组组使使同同源源染染色色体体的的染染色色单单体体间间发发生生物物理理连连接接,这这样样使使第第一一次次减减数数分分裂裂时时同同源源染染色色体体能能平平均均分分配配至至子代细胞中。子代细胞中。3 3、有有助助于于DNADNA损损伤伤的的修修复复,发发生生重重组组的的位位置置常常含含有有错错配配的的碱基。碱基。7.2 位点专一性重组位点专一性重组特指噬菌体特指噬菌体DNA整合到细菌染色体整合到细菌染色体DNA的过程。最早在的过程。最早在phage的遗传学研究中发现的
13、,的遗传学研究中发现的,DNA通过重组整合到大肠杆菌通过重组整合到大肠杆菌染色体的专一性位点上,转变为原噬菌体染色体的专一性位点上,转变为原噬菌体DNA的非活性状态的非活性状态(溶源状态)。在溶菌状态时,(溶源状态)。在溶菌状态时,DNA以环状分子独立存在,两以环状分子独立存在,两种状态的转换都与位点专一性重组有关。位点专一性重组不是种状态的转换都与位点专一性重组有关。位点专一性重组不是由由DNA序列的同源性所引起,仅涉及短的同源序列。序列的同源性所引起,仅涉及短的同源序列。整合和切整合和切除过程是在细菌除过程是在细菌DNA和噬菌体和噬菌体DNA专一的附着位点专一的附着位点(attachmen
14、tsite,att)上进行的,上进行的,细菌的附着位点称细菌的附着位点称attBattB,由,由序列序列BOBBOB组成,噬菌体的附组成,噬菌体的附着位点称着位点称attPattP,由序列,由序列POPPOP组成,其中组成,其中O O序列为序列为attBattB和和attPattP所共有,称为核心序列。所共有,称为核心序列。重组就发生在这段序列上。重组就发生在这段序列上。在重组过程中在重组过程中DNADNA以线性形以线性形式插入细菌染色体,此时原式插入细菌染色体,此时原噬菌体被重组产生的两个新噬菌体被重组产生的两个新的的attatt(attLattL,attRattR)位点所)位点所固定,整合
15、过程在固定,整合过程在attBattB和和attPattP之间识别,而切除过程之间识别,而切除过程在在attLattL和和attPattP之间识别。之间识别。Figure.Does recombination between attP and attB proceed by sequential exchange or concerted cutting?SpecializedrecombinationinvolvesbreakageandreunionatspecificsitesFigure 14.21 Staggered cleavages in the common core sequ
16、ence of attP and attB allow crosswise reunion to generate reciprocal recombinant junctions.SpecializedrecombinationinvolvesbreakageandreunionatspecificsitesFigure.Recombination between two paired duplex DNAs could involve reciprocal single-strand exchange,branch migration,and nicking.Specializedreco
17、mbinationinvolvesbreakageandreunionatspecificsitesFigure.Int and IHF bind to different sites in attP.The Int recognition sequences in the core region include the sites of cutting.SpecializedrecombinationinvolvesbreakageandreunionatspecificsitesSite-specific recombination:Site-specific recombination:
18、(位点专一重组)位点专一重组)位点专一重组)位点专一重组)AntibodydiversityAntibodydiversityHandLareallencodedbythreegenesegments:V,D,JV-39bp28-D-2839bp-JTwo heavy chains(H)250155Two light chains(L)2504Enormousnumber(108)ofdifferentHandLgenesequencescanbeproducedbysucharecombinationOne antibody example produced by site-specific
19、 recombination7.3 7.3 转座重组转座重组同源染色体上的重组比例较少,较多的还是非同源染色体间的转同源染色体上的重组比例较少,较多的还是非同源染色体间的转座重组。座重组。原核生物,真核生物基因组中都有一些不必借助同源序列可以从原核生物,真核生物基因组中都有一些不必借助同源序列可以从一个部位移动到另一个部位的一个部位移动到另一个部位的DNADNA片段,片段,这些片段称转座子这些片段称转座子(transposon or transposable elementtransposon or transposable element)。转座作用与供体和)。转座作用与供体和受体部位之间的
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