分子生物學(xué)重組和轉(zhuǎn)座

1、第二章 染色體與DNA 遺傳物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)和性質(zhì) 基因組和染色體 DNA的復(fù)制 DNA損傷與修復(fù) 重組和轉(zhuǎn)座沒有遺傳重組就沒有進(jìn)化沒有遺傳重組就沒有進(jìn)化重組同源重組 (homologous recombination )或普遍性重組（generalized recombination ）真核生物中發(fā)生在減數(shù)分裂期位點(diǎn)特異性重組(site-specific recombination) 轉(zhuǎn)座重組：轉(zhuǎn)座子模板選擇（copy choice）RNA病毒重組同源重組 (homologous recombination )或普遍性重組（generalized recombination ）真核生物中發(fā)生在

2、減數(shù)分裂期位點(diǎn)特異性重組(site-specific recombination) 轉(zhuǎn)座重組：轉(zhuǎn)座子模板選擇（copy choice）RNA病毒同源重組Holliday模型分支端化（branch migration）Holliday模型的疑問Holliday模型能夠較好解釋同源重組現(xiàn)象，但也存在問題。該模型認(rèn)為進(jìn)行重組的兩個(gè)DNA分子在開始時(shí)需要在對(duì)應(yīng)鏈相同位置上發(fā)生斷裂。DNA分子單鏈斷裂是經(jīng)常發(fā)生的事，但如何保證兩個(gè)分子能在同一位置發(fā)生斷裂？同源重組的RecBCD途徑Chi位點(diǎn)(5-GCTGGGTGG-3)是目前發(fā)現(xiàn)的主要的重組熱點(diǎn)。E.coli平均每5000bp就有一個(gè)Chi位點(diǎn)，含有大

3、約1000個(gè)Chi位點(diǎn)，亦即每五個(gè)基因就有一個(gè)Chi位點(diǎn)，這些Chi位點(diǎn)中很多在細(xì)菌的接合和轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中作為重組熱點(diǎn)而刺激同源重組的發(fā)生。 位點(diǎn)特異性重組位點(diǎn)特異性重組是在專一酶的作用下，在DNA特異性序列之間進(jìn)行重組。此過程往往發(fā)生在一個(gè)特定的短的（20-200bp）DNA序列內(nèi)（重組位點(diǎn)）。噬菌體溶原途徑的整合、抗體基因的重排等都是位點(diǎn)特異性重組。位點(diǎn)特異性重組與同源重組的區(qū)別位點(diǎn)特異性重組同源重組位點(diǎn)同源短序列同源大片段酶、蛋白專一的酶RecA斷裂特異位點(diǎn)隨機(jī)重組位點(diǎn)的特性每個(gè)重組位點(diǎn)由一對(duì)對(duì)稱排列的重組酶識(shí)別序列構(gòu)成，識(shí)別序列中間是一個(gè)短的不對(duì)稱序列，稱為交換區(qū)（crossover re

4、gion ），DNA 的斷裂和重新連接就發(fā)生在交換區(qū)。噬菌體DNA的整合與切除最早研究清楚的位點(diǎn)特異性重組是噬菌體DNA在宿主染色體上的整合與切除。噬菌體DNA進(jìn)入宿主大腸桿菌細(xì)胞后存在溶源和裂解兩條途徑，二者的最初過程是相同的，都要求早期基因的表達(dá)，為溶源和裂解途徑的歧化做好準(zhǔn)備。兩種生活周期的選擇取決于C I和Cro蛋白相互拮抗的結(jié)果。C I蛋白抑制除自身外所有噬菌體基因的轉(zhuǎn)錄，如果C I蛋白占優(yōu)勢，溶源狀態(tài)就得到建立和維持。Cro蛋白抑制C I基因的轉(zhuǎn)錄，它占優(yōu)勢噬菌體即進(jìn)入繁殖周期，并導(dǎo)致宿主細(xì)胞裂解。噬菌體的整合噬菌體DNA編碼的整合酶(integrase,Int)能指導(dǎo)噬菌體DNA

5、插入E.coli染色體DNA中。整合酶在噬菌體與宿主的兩個(gè)特定位點(diǎn)之間催化重組的進(jìn)行，這兩個(gè)特異重組位點(diǎn)稱為附著位點(diǎn)(att)。噬菌體的附著位點(diǎn)att P 長度240bp，以POP表示；細(xì)菌相應(yīng)的附著位點(diǎn)att B 只有23bp，以BOB表示。二者含有共同的核心序列15bp（O區(qū)）。轉(zhuǎn)座重組有一種異常的重組類型，是一段DNA 序列插入到另一段DNA 序列中，而不依賴于序列同源性。這種使某些元件從一個(gè)位置向其他位置的移動(dòng)方式是轉(zhuǎn)座(transposition)。這段可以發(fā)生轉(zhuǎn)座的DNA元件，稱為轉(zhuǎn)座子(transposon )轉(zhuǎn)座中涉及的機(jī)制依賴于DNA 鏈的切割和重接，因此與重組過程聯(lián)系起來。

6、轉(zhuǎn)座重組會(huì)破壞染色體上基因的排列順序。轉(zhuǎn)座子的發(fā)現(xiàn)20世紀(jì)40年代，美國遺傳學(xué)家Barbara McClintock在研究玉米的遺傳因子時(shí)發(fā)現(xiàn)，某些基因活性受到一些能在不同染色體間轉(zhuǎn)移的控制因子（controlling element）所決定。這一發(fā)現(xiàn)與當(dāng)時(shí)傳統(tǒng)的遺傳學(xué)觀點(diǎn)相抵觸，因而不被學(xué)術(shù)界所普遍接受。60年代后期，美國青年細(xì)菌學(xué)家James Shapiro在大腸桿菌中發(fā)現(xiàn)一種由插入序列所引起的多效突變，之后又在不同實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)一系列可轉(zhuǎn)移的抗藥性轉(zhuǎn)座子，才重新引起人們重視。1983年McClintock被授予諾貝爾生理學(xué)與醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，距離她公布玉米控制因子的時(shí)間已有32年之久。所有生物的基因組

7、中均有轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)座子的特點(diǎn)轉(zhuǎn)座子是不必借助同源序列就可以移動(dòng)的片斷,即轉(zhuǎn)座作用與供體和受體的序列無關(guān);原核生物和真核生物都有轉(zhuǎn)座子;轉(zhuǎn)座序列可沿染色體移動(dòng),甚至在不同染色體間跳躍(跳躍基因)轉(zhuǎn)座子對(duì)基因組而言是一個(gè)不穩(wěn)定因素，它可導(dǎo)致宿主序列刪除、倒位或易位，并且其在基因組中成為“可移動(dòng)的同源區(qū)”。位于不同位點(diǎn)的兩個(gè)拷貝轉(zhuǎn)座子之間可以發(fā)生交互重組，從而造成基因組不同形式的重排。有些轉(zhuǎn)座子與基因組的關(guān)系猶如寄生，它們的功能只是為了自身的擴(kuò)增與繁衍，因此被稱為是自私的DNA。轉(zhuǎn)座子類型有三類轉(zhuǎn)座因子:DNA轉(zhuǎn)座子.類病毒反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子和反轉(zhuǎn)錄病毒 .聚腺苷酸反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子,也稱非病毒反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子DNA轉(zhuǎn)

8、座子DNA轉(zhuǎn)座子上攜帶作為重組位點(diǎn)的DNA序列，以及參與重組的蛋白質(zhì)的基因（轉(zhuǎn)座酶基因）。轉(zhuǎn)座子兩端的重組位點(diǎn)以反向重復(fù)排列（25-幾百bp），并且?guī)в兄亟M酶（轉(zhuǎn)座酶，transposases；有時(shí)稱整合酶，integrases）識(shí)別序列。靶重復(fù)序列（target site duplications ）是緊鄰在轉(zhuǎn)座子兩端的短的重復(fù)序列（2-20bp ），為正向排列；產(chǎn)生于重組過程。5-CCCAGAC-33-GGGTCTG-55-GTCTGGG-33-CAGACCC-55-ATAGCCTGA-33-TATCGGACT-55-ATAGCCTGA-33-TATCGGACT-5最簡單的細(xì)菌轉(zhuǎn)座子插入序

9、列產(chǎn)生于重組過程靶重復(fù)序列的形成轉(zhuǎn)座子帶有自身的轉(zhuǎn)座酶的基因，除此之外也可能會(huì)攜帶一些其它基因（編碼的蛋白質(zhì)可能調(diào)控轉(zhuǎn)座或?yàn)檗D(zhuǎn)座子或宿主細(xì)胞提供一些價(jià)值的功能）轉(zhuǎn)座作用的機(jī)制按轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)座過程是否發(fā)生復(fù)制，可分為：非復(fù)制轉(zhuǎn)座(nonreplicative transposition)：又稱為保留性轉(zhuǎn)座(conservative transposition)，轉(zhuǎn)座子從原來位置上切除下來轉(zhuǎn)入新的位置，其兩條鏈均被保留。復(fù)制轉(zhuǎn)座(replicative transposition)：則在形成靶部位與轉(zhuǎn)座子連接中間體后即進(jìn)行復(fù)制。通過復(fù)制使原來位置與新的靶部位各有一個(gè)轉(zhuǎn)座子。復(fù)制式轉(zhuǎn)座如 Tn3非復(fù)制式

10、轉(zhuǎn)座如 Tn10類病毒反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子/反轉(zhuǎn)錄病毒帶有反向終端重復(fù)序列.反向終端重復(fù)序列嵌入在較長的正向排列的重復(fù)序列(長末端重復(fù)序列, long terminal repeats LTR)中；帶有靶位點(diǎn)重復(fù)序列；類病毒反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子編碼兩種移位所需的蛋白：轉(zhuǎn)座酶和反轉(zhuǎn)錄酶。類病毒反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子和反轉(zhuǎn)錄病毒的區(qū)別在于：反轉(zhuǎn)錄病毒的基因組被包裝到病毒顆粒內(nèi)，離開宿主細(xì)胞再去感染新的細(xì)胞；類病毒反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子只能移位到一個(gè)新的DNA位點(diǎn)，不會(huì)離開宿主細(xì)胞聚腺苷酸反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子不含終端反向重復(fù)序列；它的兩端含有完全不同的序列: 5UTR (untranslated region), 3UTR (untranslated region)和poly-A序列；兩端也有短的靶重復(fù)序列（targe