第三章 重组与转座(M) [兼容模式]
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DNA重组和转座
第一节 DNA重组（recombination）一）、DNA重组1、概念：是指由于不同DNA链的断裂和连接而产生的DNA片段的交换和重新组合，形成新的DNA分子的过程。
2、意义：重组是遗传学的灵魂，没有重组就没有生物的进化；没有重组也就没有现代的分子克隆技术二）、DNA重组的类型1、同源重组（Homologous Recombination）2、位点特异性重组（Site-specific Recombination）3、DNA的转座（transposition）同源重组一、概述1、定义：两个DNA分子同源序列之间进行的重组2、条件：（1）两个DNA分子有同源序列（相关的酶可以用任何一对同源序列为底物）（2）两个DNA分子必须紧密接触3、发生：真核生物: 非姐妹染色单体交换相对应的区域。
原核生物: 依赖recA蛋白，并形成 Holliday 结构Holiday模型（1964年）二、大肠杆菌同源重组的分子基础（一）RecA1、作用：可促进单链同化或单链吸收RecA具有使DNA单链置换双链中同源链的能力2、单链同化发生的三个条件（1）其中一个DNA必须存在单链区（2）其中一个DNA必须有一个自由3’末端（3）此单链区和3’末端必须位于两分子之间互补的区域内（二）RecBCD复合体1、酶的活性：（1）核酸酶（2）解旋酶（3）ATPase2、作用：在CHi位点处产生含3`游离末端单链。
（三）CHi位点——RecBCD识别的靶位点5`GCTGGTGG3`3`CGACCACC5`是重组频率较高的部位E.coli每隔约5~10kb有一个拷贝，Holliday 结构的形成：1. 同源序列排列在一起；2. 酶切。
通过核酸酶和RecBCD蛋白复合体的作用在一对同源DNA上产生切口；3.入侵。
含有3’端切口的ssDNA被recA蛋白包裹形成recA蛋白-ssDNA细丝；RecA-ssDNA细丝寻找相对的DNA双螺旋上的相应序列。
重组和转座32ppt课件
Replicative transposition involves two types of enzymatic activity:
转座酶：transposase 解离酶：Resolvase
2． 非复制型转座 (nonreplicative transposition)
Nonreplicative transposition allows a transposon to move as a physical entity from a donor to a recipient site. This leaves a break at the donor site, which is lethal unless it can be repaired.
“We are sadly ignorant of the organization of the chromosome and of the possible types of changes in this that may occur to the chromosome as a whole or at the locus level”.
四、模板选择（copy choice）性重组
适用于RNA病毒，在这种重组中，聚合酶 从一个模板转换到另一个模板来合成RNA， 结果新合成的分子将含有两个不同亲本的遗 传信息
第二节 同源重组
第三节 转座（transposition）
一、原核转座子的类型
1.插入序列（insertion sequences , IS）: IS家族的结构：
靶DNA，再将转座子连接到靶DNA的凸出单链上，最后填 补空缺完成转座。
The direct repeats of target DNA flanking a transposon are generated by the introduction of staggered cuts whose protruding ends are linked to the transposon.
转座酶：transposase 解离酶：Resolvase
2． 非复制型转座 (nonreplicative transposition)
Nonreplicative transposition allows a transposon to move as a physical entity from a donor to a recipient site. This leaves a break at the donor site, which is lethal unless it can be repaired.
“We are sadly ignorant of the organization of the chromosome and of the possible types of changes in this that may occur to the chromosome as a whole or at the locus level”.
四、模板选择（copy choice）性重组
适用于RNA病毒，在这种重组中，聚合酶 从一个模板转换到另一个模板来合成RNA， 结果新合成的分子将含有两个不同亲本的遗 传信息
第二节 同源重组
第三节 转座（transposition）
一、原核转座子的类型
1.插入序列（insertion sequences , IS）: IS家族的结构：
靶DNA，再将转座子连接到靶DNA的凸出单链上，最后填 补空缺完成转座。
The direct repeats of target DNA flanking a transposon are generated by the introduction of staggered cuts whose protruding ends are linked to the transposon.
第三章基因重组
是一种以溶菌和溶源周期性交替方式生长 的噬菌体,它不象λ 噬菌体那样有一定的整 合位点.
Mu噬菌体的整合特征将在基因表达与调控 一章讲解.
三. 转座子机制
转座时发生的插入作用有一个普遍的特征， 那就是受体分子中有一段很短的（312bp）、被称为靶序列的DNA会被复制， 使插入的转座子位于两个重复的靶序列之 间。不同转座子的靶序列长度不同。
在DNA内切酶的作用下，在相同位置同时切开； C：切开的单链交换重接; D：形成交联桥结构；
E：交联桥沿配对DNA分子“移动”。两个亲本 DNA分子间造成一大段异源双链DNA （ Holliday结构）
F：绕交联桥旋转1800； G：形成Holliday异构体； H、通过两种方式之一切断DNA单链，若左右切，
除了具有跳动的特性之外，还具有控制其他其因 开闭的作用，因此“转座因子”又可叫做“控制 因子”。
转座理论不被接受
在当时，占统治地位的染色体遗传学理论认为， 生物细胞内的遗传物质比较稳定，遗传基因以一 定的顺序在染色体上作线性排列，彼此之间的距 离也非常稳定。常规的交换和重组只发生在等位 基因之间，并不扰乱这种距离。除了在显微镜下 可见的、发生频率极为稀少的染色体倒位和相互 易位等畸变可以改变基因的位置外，人们还从未 认识到，也难以设想出基因会从一处跳跃到另一 处。
二.转座子的定义与结构特征
DNA的转座，或称移位（transposition）， 是由可移位因子（transposable element）介 导的遗传物质重排现象。
已经发现"转座"这一命名并不十分准确， 因为在转座过程中，可移位因子的一个拷 贝常常留在原来位置上，在新位点上出现 的仅仅是拷贝。因此，转座有别于同源重 组，它依赖于DNA的复制。
Mu噬菌体的整合特征将在基因表达与调控 一章讲解.
三. 转座子机制
转座时发生的插入作用有一个普遍的特征， 那就是受体分子中有一段很短的（312bp）、被称为靶序列的DNA会被复制， 使插入的转座子位于两个重复的靶序列之 间。不同转座子的靶序列长度不同。
在DNA内切酶的作用下，在相同位置同时切开； C：切开的单链交换重接; D：形成交联桥结构；
E：交联桥沿配对DNA分子“移动”。两个亲本 DNA分子间造成一大段异源双链DNA （ Holliday结构）
F：绕交联桥旋转1800； G：形成Holliday异构体； H、通过两种方式之一切断DNA单链，若左右切，
除了具有跳动的特性之外，还具有控制其他其因 开闭的作用，因此“转座因子”又可叫做“控制 因子”。
转座理论不被接受
在当时，占统治地位的染色体遗传学理论认为， 生物细胞内的遗传物质比较稳定，遗传基因以一 定的顺序在染色体上作线性排列，彼此之间的距 离也非常稳定。常规的交换和重组只发生在等位 基因之间，并不扰乱这种距离。除了在显微镜下 可见的、发生频率极为稀少的染色体倒位和相互 易位等畸变可以改变基因的位置外，人们还从未 认识到，也难以设想出基因会从一处跳跃到另一 处。
二.转座子的定义与结构特征
DNA的转座，或称移位（transposition）， 是由可移位因子（transposable element）介 导的遗传物质重排现象。
已经发现"转座"这一命名并不十分准确， 因为在转座过程中，可移位因子的一个拷 贝常常留在原来位置上，在新位点上出现 的仅仅是拷贝。因此，转座有别于同源重 组，它依赖于DNA的复制。
基因重组与转座
哺乳动物重组:150bp以上
2019/10/11
10
同源重组需要一系列的蛋白质催化，如原核 生物细胞内的RecA、RecBCD、RecF、RecO、 RecR等；真核生物细胞内的Rad51、Mre11Rad50等等。
同源重组可以双向交换DNA分子，也可以单向转移 DNA分子，后者又被称为基因转换（Gene Conversion)。
• 基因转换首先在酵母及真菌中被发现，现已证实在许 多生物中存在。
• 一种等位基因形式转变为另一种等位基因形式，只发 生在减数分裂时期。
2019/10/11
18
异常分离与基因转变
在一个杂合体中，如果一染色体把基因A交给它的 同源染色体，则它的同源染色体必定把基因a交回给它， 所以在真菌中，一个座位上的两等位基因分离时，应 该呈现2：2或1：1：1：1或1：2：1的分离(表8-1)，这 就说明重组通常总是交互的。可是Lindegren在面包酵 母（Saccharomyces cerevisiae）中发现，有的子囊含有 （3A+1a）或（1A＋3a）的子囊孢子。以后在脉孢霉、 酿酒酵母、子囊菌Ascobolus immersus及果蝇中也发现 这种现象。
重组
吸附
摄入
2019/10/11
+
突变株 24
B、接合（conjugation）
• ①概念：通过性菌毛连接沟通，将遗传物质（质 粒或染色体DNA)从供体菌转移给受体菌的过程。
• 接合性质粒：F质粒、R质粒、Col质粒、Vi质粒 • 非接合性质粒(不要求) ： • ②机制
2019/10/11
25
F＋ 菌
三类位点特异性重组系统的重组酶 Cre、FLP和R均属于λ整合酶家族
2019/10/11
10
同源重组需要一系列的蛋白质催化，如原核 生物细胞内的RecA、RecBCD、RecF、RecO、 RecR等；真核生物细胞内的Rad51、Mre11Rad50等等。
同源重组可以双向交换DNA分子，也可以单向转移 DNA分子，后者又被称为基因转换（Gene Conversion)。
• 基因转换首先在酵母及真菌中被发现，现已证实在许 多生物中存在。
• 一种等位基因形式转变为另一种等位基因形式，只发 生在减数分裂时期。
2019/10/11
18
异常分离与基因转变
在一个杂合体中，如果一染色体把基因A交给它的 同源染色体，则它的同源染色体必定把基因a交回给它， 所以在真菌中，一个座位上的两等位基因分离时，应 该呈现2：2或1：1：1：1或1：2：1的分离(表8-1)，这 就说明重组通常总是交互的。可是Lindegren在面包酵 母（Saccharomyces cerevisiae）中发现，有的子囊含有 （3A+1a）或（1A＋3a）的子囊孢子。以后在脉孢霉、 酿酒酵母、子囊菌Ascobolus immersus及果蝇中也发现 这种现象。
重组
吸附
摄入
2019/10/11
+
突变株 24
B、接合（conjugation）
• ①概念：通过性菌毛连接沟通，将遗传物质（质 粒或染色体DNA)从供体菌转移给受体菌的过程。
• 接合性质粒：F质粒、R质粒、Col质粒、Vi质粒 • 非接合性质粒(不要求) ： • ②机制
2019/10/11
25
F＋ 菌
三类位点特异性重组系统的重组酶 Cre、FLP和R均属于λ整合酶家族
DNA重组与转座精讲
二、特异位点重组
特异位点重组广泛存在于各类细胞中。起 着十分特殊的作用。 包括： 某些基因表达的调节 发育过程中程序性DNA重排 病毒和质粒DNA复制循环过程中发生的整合 与切除等。
此过程往往发生在一个特定的短的(20～200 bp) DNA序列内 (重组位点)，并且有特异的酶(重组酶)和辅助因子对其识别和 作用。
有些细菌在自然条件下不发生转化或转化效率很 低，但在实验室中可以人工促使转化。例如大肠杆 菌，用高浓度Ca2+处理，可诱导细胞成为感受态， 重组质粒得以高效转化。
转化过程涉及细菌染色体上10多个基因编码的功能。如：感受态因子、 与膜结合的DNA结合蛋白、自溶素、多种核酸酶等。感受态因子诱导与 感受态有关的蛋白质表达，自溶素使与膜结合的DNA结合蛋白和使核酸 酶裸露出来，当游离DNA与膜结合的DNA结合蛋白结合后，核酸酶使其 中一条链降解，另一条链被吸收，与染色体DNA重组。
1
插入序列 插入序列是最小的转座因子。所有插 入 序 列 的 两 端 都 有 反 向 重 复 ( inverted repeats)，为转座酶识别所需，通常重复 序列长度为15～25 bp。重复序列有时只 是类似，并非完全相同。
4.细菌的细胞融合 在有些细菌的种属中可发生由细胞 质膜融合导致的基因转移和重组。在实 验室中，用溶菌酶除去细菌细胞壁的肽 聚糖，使之成为原生质体，可人工促进 原生质体的融合，由此使两菌株的DNA发 生广泛的重组。
(三) 重组有关的酶
大肠杆菌重组有关的酶: RecA：诱发SOS反应， 促进DNA单链的同化 RecF、O、R：调节RecA纤丝的装配与拆卸 RecB、C、D：产生参与重组的DNA单链 RuvA、B、C：产生促进异源双链的形成和切开
重组与转座
第五十八页，共87页。
20世纪60年代末期,在不同实验室发现一系 列可转移的抗药性转座子
一、位点专一性重组（ site-specific recombination） 1、概念：发生在专一序列的DNA分子间的重组,有特异的 重组酶和辅助因子对其识别和作用。
噬菌体基因组整合到细菌染色体基因组中属此种重组
2、位点特异性重组的结果依赖于重组位点的位置和方向
第三十六页，共87页。
二、λphage的整合与切除 1、实现机制：
☀ chi位点：GCTGGTGG 目前发现的重组热点 E.coli 含 1000 个、Euk.
3‘
第二十三页，共87页。
e、 RecBCD 切割产生3’单链末端
第二十四页，共87页。
2、RecA 蛋白
（1） 活性
a、 RecA 有单、双链 DNA 结合活性 b、 RecA 有 NTPase 活性（底物差异活性）
第二十二页，共87页。
◘ RecBCD的识别和切割位点
a、 RecBCD结合在DNA的平 头末端（产生机制不清楚）
b、 外切、解链、移动
（ATP） c、 兔耳状 loop 结构产生 （再旋酶活性低于解旋酶活性）
d、 RecBCD 在 loop 单链区的 chi 位点3‘方4～6NT处切 断单链（单链内切酶）
体外切段连接点以拆分重组体
第三十三页，共87页。
◘ E.coli 重组的各阶段 （损伤修复）
RecA链交换
第二次链交换
损伤DNA复制 产生缺口
DNApol通过DNA合 成填满缺口
RuvA,B分枝迁移
RuvC切割Holliday连 接点
第三十四页，共87页。
第二节 位点专一性重组
20世纪60年代末期,在不同实验室发现一系 列可转移的抗药性转座子
一、位点专一性重组（ site-specific recombination） 1、概念：发生在专一序列的DNA分子间的重组,有特异的 重组酶和辅助因子对其识别和作用。
噬菌体基因组整合到细菌染色体基因组中属此种重组
2、位点特异性重组的结果依赖于重组位点的位置和方向
第三十六页，共87页。
二、λphage的整合与切除 1、实现机制：
☀ chi位点：GCTGGTGG 目前发现的重组热点 E.coli 含 1000 个、Euk.
3‘
第二十三页，共87页。
e、 RecBCD 切割产生3’单链末端
第二十四页，共87页。
2、RecA 蛋白
（1） 活性
a、 RecA 有单、双链 DNA 结合活性 b、 RecA 有 NTPase 活性（底物差异活性）
第二十二页，共87页。
◘ RecBCD的识别和切割位点
a、 RecBCD结合在DNA的平 头末端（产生机制不清楚）
b、 外切、解链、移动
（ATP） c、 兔耳状 loop 结构产生 （再旋酶活性低于解旋酶活性）
d、 RecBCD 在 loop 单链区的 chi 位点3‘方4～6NT处切 断单链（单链内切酶）
体外切段连接点以拆分重组体
第三十三页，共87页。
◘ E.coli 重组的各阶段 （损伤修复）
RecA链交换
第二次链交换
损伤DNA复制 产生缺口
DNApol通过DNA合 成填满缺口
RuvA,B分枝迁移
RuvC切割Holliday连 接点
第三十四页，共87页。
第二节 位点专一性重组
微生物遗传学习题和答案(第三章)
基因突变1、名词解释碱基置换突变（bas substitution）：一个碱基被另外一个碱基取代而造成的突变，分为转换和颠换两种类型。
转换(transition)：是指由嘌呤置换嘌呤或嘧啶置换嘧啶。
颠换(transversion) 是指嘌呤置换嘧啶或嘧啶置换嘌呤。
如碱基置换发生于编码多肽的区，则因可影响密码子而使转录、翻译遗传信息发生变化，因此可以出现一种氨基酸取代原有的某一种氨基酸。
也可能出现了终止密码而使多肽链合成中断，不能形成原有的蛋白质而完全失去某种生物学活性。
移码突变（frameshift mutation）：在正常的碱基序列中插入或减少一个或多个碱基，造成突变位点下游密码子的错读，此种突变产生氨基酸顺序完全改变了的蛋白质，一般无活性。
异义突变（missense mutation）：即错义突变，因碱基改变使相应氨基酸变化，进而使多肽失活或活性下降。
同义突变（samesense mutation）：突变后的密码子编码相同的氨基酸。
无义突变（nonsense mutation）：碱基改变使编码某一氨基酸的密码子变为终止密码子，使蛋白质合成中断，产生无活性的多肽。
抑制基因突变（suppressor mutation）：在DNA的不同位置上发生的第二次突变抑制了原来突变基因的表达，恢复野生型表型。
诱发突变(induced mutation)：人为施加物理化学诱变因子而导致的突变。
自发突变（spontaneous mutation）:指那些未经人工诱变处理原因不明的突变。
辐射的直接作用假说：又称为靶学说，认为细胞吸收辐射能量后，发生诸如激发、电离、弹性碰撞等多种原发性物理过程，辐射的量子击中染色体，整个过程就好像子弹击中靶子一样，导致发生直接的不同程度的原始损伤，细胞的修复系统对各类损伤进行修复，产生重排，最终导致基因突变或者染色体畸变。
辐射的间接作用假说：认为生物细胞中的分子经辐射作用先产生各种自由基，特别是细胞中存在的大量水分子在辐射作用下产生大量的过氧化氢，这些自由基团进一步与细胞内遗传物质反应，通过一系列生物化学反应造成染色体损伤。
重组和转座(32)
The direct repeats of target DNA flanking a transposon are generated by the introduction of staggered cuts whose protruding ends are linked to the transposon.
转座酶：transposase 解离酶：Resolvase
2． 非复制型转座 (nonreplicative transposition) Nonreplicative transposition allows a transposon to move as a physical entity from a donor to a recipient site. This leaves a break at the donor site, which is lethal unless it can be repaired.
第三节 转座（transposition）
一、原核转座子的类型
1.插入序列（insertion sequences , IS）: IS家族的结构：
短的正向重复序列（direct repeats, DR） 略长的反向重复序列（inverted repeats，IR） 1kb左右的编码区，仅编码和转座有关的转座酶。
三、转座：
refers to the movement of a transposon to a new site in the genome. A transposon (transposable element) is a DNA sequence able to
insert itself (or a copy of itself) at a new location in the genome, without having any sequence relationship with the target locus. 转座分为复制型、非复制及保守型三种类型
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开,并向另一端移动,形成兔耳结构,即两个loop结构. RecBCD所识别的单链位点即Chi位点
(5’GCTGGTGG3’)进入单链的噜噗区域. RecBCD的特异性单链内切酶活性就在Chi 位点的3’
方向4个～６个核甘酸处切断． RecBCD继续前进，留下一条包含Ｃhi位点在内的
单链尾巴和一段单链缺口．随后ＲecＡ蛋白质结 合于这个单链尾巴，与同源序列进行链交换．
源
C, D
（8bp） y模型 取代 性 复
制
接合 完 全 同 RuvABC
单向 修复
源
取代 性 复
制
广 泛 完 全 同 DNAPol
单向 修复
性转 源
取代 性 复
导
制
转座因子类型
IS-两端有IR，只编码转座酶
类转座因子-结构同IS，但不能独立存在，仅作为复合转座子的两端组件 原核
复合转座子-两端由IS或类IS构成，可编码抗抗菌素物质 TnA转座子家族-两端为IR，可编码转座酶、解离酶和抗性物质
减数分裂第一次分裂前期配对的两条非 姐妹染色体之间发生了断裂重接。 说明交换不总是发生在两个染色单体上 同源重组涉及两个DNA分子间的断裂和重接
2
2009/11/23
Homologous Recombination Pathways
同源重组的分子机制
定义:由两条同源区的DNA分子,通过配对,链 的断裂和再连接,而产生片段交换的过程叫 同源重组.
RecBCD蛋白质的活性. 依赖于ATP的单链和双链外切酶活性. 线形DNA的螺旋酶活性. 序列特异性的单链内切酶活性. 依赖于DNA的螺旋酶活性.
4
2009/11/23
RecBCD蛋白质在同源重组中的作用机制
RecBCD结合到细胞DNA的平头末端. 利用ATP酶活性水解ATP,从DNA一端将双链DNA解
第三章 重组与转座
2009/11/23
基因突变是生物进化的主要原因，但基因突变 频率低，涉及基因有限，短时间难以形成优势。
基因的转移和交流能够迅速产生适应环 境的组合，维持有利的基因不断积累。
基因重组 广义的基因重组可指造成基因变化的过程
有性生殖：来自不同亲本基因的组合 基因重组 基因工程：跨物种间界限的人为重组
ＲecＡ蛋白在体外介导的重组模型
1. RuvAB的结合体能够使分支迁移
2. RuvC，末端核酸酶，确精辨认Holliday结合 处，将结合处切开，决定重组的中间产物
RuvA RuvB结合在holliday中间体交叉点， 催化分枝迁移
参与同源重组中的重要的酶： 1. RecBCD 2. RecA 3. Pol I 4. 连接酶 5. RuvA RuvB 6. RuvC
真核 同源 重组
原核
同源性 蛋 白 和 特 异 位 重 组 机 行 为 复制
酶
点
制
和结
果
减数 完 全 同 内切酶、
Hollida 交 互 修 复
分裂 源
外切酶
y 模 型 和 交换 性 复
Meselso
制
n-
Radding
模型
转化 完 全 同 RecA, B, Chi 位 点 Hollida 单 向 修 复
AC-Ds-植物（玉米）中的激活-解离因子 转座子
P因子-果蝇中父本因子，在M♀×P♂中导致杂种不育
转座因子
反转录病毒、RNA →DNA→整合宿主靶DNA
真核
病毒超家族
反转录
转座子
Ty Copia LINSL1
（1）有长末端重复序列 （2）编码反转录酶或整合酶 （3）可含内含子
非病毒超家族
SINSB1/ Alu （1）无重复序列 （2）不编码转座子产物
交界
对、降解修复 代
复制
产生Chi 结构
转座酶 解离酶 DNA Pol
靶
转 座 子 两 端 IR 单 向 插 修 复 性
及靶的交错切 入
复制
割、连接、修 单 向 插 修复性
复性复制和解 入
复制
离
单 向 插 修复性
入
复制
内切酶、外切酶、 DNA Pol、连接酶、 解离酶
仅靶位点的交 单 向 插 修复性
遗传重组：自然DNA断裂复合而造成的基因变化的过程
同源重组：依赖广泛的DNA 同源序列以及重组蛋白RecA。
遗传重组
非同源重组：发生重组的两 个DNA分子间没有或较少有同 源性且不依赖重组蛋白RecA。
真核染色体交换、细菌 的转化、转导、接合等。
转座、噬菌体及 病毒的整合等。
同源重组的类型
类型 事件
合形成丝状复合物． 联会阶段：RecA‐单链复合物继而与双链DNA结合，
形成RecA‐单链DNA‐双链DNA三复合物． 链交换阶段：当单链DNA和双链DNA在RecA蛋白
质的促进下实现同源配对后，单链DNA便能侵入 双链DNA将其中的同源单链置换出来，自己与互 补链进行碱基配对，这一反应叫单链同化．
RecA蛋白质离 体催化同源重组 实验证明：两条 同源的线状双链 DNA分子中只 要一条含有一段 单链区，就能导 致Holliday中间 体的形成．
2009/11/23
RecA蛋白质促进同源DNA联会 参与RecA蛋白质促进同源DNA联会的DNA组合必
须有一方是单链分子或带有部分单链区． 同源DNA联会的过程． 联会前阶段：首先RecA蛋白质与单链DNA区域结
两个单链对接，形成半交叉
半交叉位置移动
Holliday中间体的变构和拆分
重组的第一 步:Holliday中 间体的形成
切断:同源联会的两个DNA分子中任意一个出现单链切口. 链置换:切口处5’端局部解链,随后利用切口处的3’-OH 合成新链,置换出原有的链,使之成为具有游离的5’-P末端 的单链区段. 单链侵入:由链置换产生的单链区段侵入到参与联会的另 一条DNA分子因局部解链而产生的单敛泡中. Loop切除:侵入的单链DNA与参与联会的另一条DNA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 来,由此产生D-噜璞. 链同化:Loop切除中产生的3’- OH断头和侵入单链的 5’- P由DNA连接酶共价连接.被侵入的DNA双螺旋分子上有 一段区域含有来自联会对方的一条链,这一区域叫异源双链. 此时异源双链区只出现在两条DNA分子中的一条中,叫非对 称异源双链区 异构化:两条DNA分子不再以一条链相连而是以两条同源 的单链交叉相连,而且相连的链不再是前面一系列变化中涉 及的单链而是原来一直”安然未动”的链. 分支迁移:两条DNA分子之间形成的交叉可以沿DNA移动. 此时两条DNA分子中都出现的异源双链区叫对称异源双链区.
RecBCD蛋白质在同源重组中的作用机制
同源重组的酶学机制-RecA蛋白质在同源重组中的作用 RecA蛋白质是SOS反应的关键调节蛋白之一
RecA蛋白与重组有关的活性
RecA蛋白质是一个单肽链,是同源重组中最 重要的蛋白质.又叫做重组酶。其活性：
1. 单链DNA结合活性； 2. 双链DNA结合活性； 3. NTP酶活性：在单链DNA或双链DNA存在
完整双螺旋 DNA分子与DNA片段之间的重组 :细菌转导
• 和转化与接合不同,无论是普遍性转导还是特异性转导的 遗传重组都在双链DNA片段和完整DNA分子之间发生.
同源重组的酶学机制:RecBCD蛋白质
RecBCD蛋白质:由recB,recC和recD基因编码 的多肽链所构成的一个同源重组中的功能 单位.
假基因
（3）无内含子
位点特异重组
位点 特异 重组
λ整合
区域同源
沙 门 氏 菌 区域同源 相转变
Mu 的 G片段 区域同源 倒位
P1 的 C片段 区域同源 倒位
转 座 子 之 区域同源 间或两端 DR 、 IR 重 组
反 转 录 病 区域同源 毒整合
Int, IHF
attp 核 心 交错切割连 整合
酶 （ 15bp ）接 Holliday
分类:
两个完整线状双螺旋 DNA分子之间的重组. 两个完整环状双螺旋 DNA分子之间的重组. 完整双螺旋 DNA分子与DNA片段之间的重组.
左右或上下单链在 内切酶作用下断裂
连接酶连接
同源重组的分子机制
Holliday模型 链的断裂：同源联会的两个DNA 分子中任意一个出现单链切口， 切口由DNA内切酶完成
分枝迁移
重组交叉点能沿 着DNA双链分子 移动，这种移动 叫做分枝迁移
3
Holliday结构的拆分
1. 切口在曾被切开 的一对链：无交 互重组，但含一 段异源双链区；
2. 切口在原来完整 的一对链：交互 重组。
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交互重组 • 一条亲本双螺旋分子和另一条亲本分子共
价相连,中间有一段异源双链区,这种重组叫 交互重组. • 对于环状DNA分子,交互重组必然导致二聚 体的产生;而对于线状DNA分子而言,则不会 产生二聚体
时，RecA能水解ATP(dATP), GTP(dGTP), UTP(dUTP)，水解CTP(dCTP)的活性较低。 4. 促进互补单链复性的能力。
RecA 促进DNA分子同源联会和DNA分子之间的单链 交换
RecA催化一个单链侵入一双链中，将其最初的配体 转移而与单链
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酵 母 交 配 完全同源 同源特异 型转变 重组
转座 重组
复制型 无 非复制型 无
保守型 无
I类内含 无 子归巢
模板 转换
特殊 重组
反转录转 座子
Ⅱ类内含 子归巢
免 疫 球 蛋 区域同源 白 的 VJC 连接
Rid 52, HO
特 异 Y/Z 交 错 切 割 、 配 单 向 取 修 复 性
(5’GCTGGTGG3’)进入单链的噜噗区域. RecBCD的特异性单链内切酶活性就在Chi 位点的3’
方向4个～６个核甘酸处切断． RecBCD继续前进，留下一条包含Ｃhi位点在内的
单链尾巴和一段单链缺口．随后ＲecＡ蛋白质结 合于这个单链尾巴，与同源序列进行链交换．
源
C, D
（8bp） y模型 取代 性 复
制
接合 完 全 同 RuvABC
单向 修复
源
取代 性 复
制
广 泛 完 全 同 DNAPol
单向 修复
性转 源
取代 性 复
导
制
转座因子类型
IS-两端有IR，只编码转座酶
类转座因子-结构同IS，但不能独立存在，仅作为复合转座子的两端组件 原核
复合转座子-两端由IS或类IS构成，可编码抗抗菌素物质 TnA转座子家族-两端为IR，可编码转座酶、解离酶和抗性物质
减数分裂第一次分裂前期配对的两条非 姐妹染色体之间发生了断裂重接。 说明交换不总是发生在两个染色单体上 同源重组涉及两个DNA分子间的断裂和重接
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Homologous Recombination Pathways
同源重组的分子机制
定义:由两条同源区的DNA分子,通过配对,链 的断裂和再连接,而产生片段交换的过程叫 同源重组.
RecBCD蛋白质的活性. 依赖于ATP的单链和双链外切酶活性. 线形DNA的螺旋酶活性. 序列特异性的单链内切酶活性. 依赖于DNA的螺旋酶活性.
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RecBCD蛋白质在同源重组中的作用机制
RecBCD结合到细胞DNA的平头末端. 利用ATP酶活性水解ATP,从DNA一端将双链DNA解
第三章 重组与转座
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基因突变是生物进化的主要原因，但基因突变 频率低，涉及基因有限，短时间难以形成优势。
基因的转移和交流能够迅速产生适应环 境的组合，维持有利的基因不断积累。
基因重组 广义的基因重组可指造成基因变化的过程
有性生殖：来自不同亲本基因的组合 基因重组 基因工程：跨物种间界限的人为重组
ＲecＡ蛋白在体外介导的重组模型
1. RuvAB的结合体能够使分支迁移
2. RuvC，末端核酸酶，确精辨认Holliday结合 处，将结合处切开，决定重组的中间产物
RuvA RuvB结合在holliday中间体交叉点， 催化分枝迁移
参与同源重组中的重要的酶： 1. RecBCD 2. RecA 3. Pol I 4. 连接酶 5. RuvA RuvB 6. RuvC
真核 同源 重组
原核
同源性 蛋 白 和 特 异 位 重 组 机 行 为 复制
酶
点
制
和结
果
减数 完 全 同 内切酶、
Hollida 交 互 修 复
分裂 源
外切酶
y 模 型 和 交换 性 复
Meselso
制
n-
Radding
模型
转化 完 全 同 RecA, B, Chi 位 点 Hollida 单 向 修 复
AC-Ds-植物（玉米）中的激活-解离因子 转座子
P因子-果蝇中父本因子，在M♀×P♂中导致杂种不育
转座因子
反转录病毒、RNA →DNA→整合宿主靶DNA
真核
病毒超家族
反转录
转座子
Ty Copia LINSL1
（1）有长末端重复序列 （2）编码反转录酶或整合酶 （3）可含内含子
非病毒超家族
SINSB1/ Alu （1）无重复序列 （2）不编码转座子产物
交界
对、降解修复 代
复制
产生Chi 结构
转座酶 解离酶 DNA Pol
靶
转 座 子 两 端 IR 单 向 插 修 复 性
及靶的交错切 入
复制
割、连接、修 单 向 插 修复性
复性复制和解 入
复制
离
单 向 插 修复性
入
复制
内切酶、外切酶、 DNA Pol、连接酶、 解离酶
仅靶位点的交 单 向 插 修复性
遗传重组：自然DNA断裂复合而造成的基因变化的过程
同源重组：依赖广泛的DNA 同源序列以及重组蛋白RecA。
遗传重组
非同源重组：发生重组的两 个DNA分子间没有或较少有同 源性且不依赖重组蛋白RecA。
真核染色体交换、细菌 的转化、转导、接合等。
转座、噬菌体及 病毒的整合等。
同源重组的类型
类型 事件
合形成丝状复合物． 联会阶段：RecA‐单链复合物继而与双链DNA结合，
形成RecA‐单链DNA‐双链DNA三复合物． 链交换阶段：当单链DNA和双链DNA在RecA蛋白
质的促进下实现同源配对后，单链DNA便能侵入 双链DNA将其中的同源单链置换出来，自己与互 补链进行碱基配对，这一反应叫单链同化．
RecA蛋白质离 体催化同源重组 实验证明：两条 同源的线状双链 DNA分子中只 要一条含有一段 单链区，就能导 致Holliday中间 体的形成．
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RecA蛋白质促进同源DNA联会 参与RecA蛋白质促进同源DNA联会的DNA组合必
须有一方是单链分子或带有部分单链区． 同源DNA联会的过程． 联会前阶段：首先RecA蛋白质与单链DNA区域结
两个单链对接，形成半交叉
半交叉位置移动
Holliday中间体的变构和拆分
重组的第一 步:Holliday中 间体的形成
切断:同源联会的两个DNA分子中任意一个出现单链切口. 链置换:切口处5’端局部解链,随后利用切口处的3’-OH 合成新链,置换出原有的链,使之成为具有游离的5’-P末端 的单链区段. 单链侵入:由链置换产生的单链区段侵入到参与联会的另 一条DNA分子因局部解链而产生的单敛泡中. Loop切除:侵入的单链DNA与参与联会的另一条DNA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 来,由此产生D-噜璞. 链同化:Loop切除中产生的3’- OH断头和侵入单链的 5’- P由DNA连接酶共价连接.被侵入的DNA双螺旋分子上有 一段区域含有来自联会对方的一条链,这一区域叫异源双链. 此时异源双链区只出现在两条DNA分子中的一条中,叫非对 称异源双链区 异构化:两条DNA分子不再以一条链相连而是以两条同源 的单链交叉相连,而且相连的链不再是前面一系列变化中涉 及的单链而是原来一直”安然未动”的链. 分支迁移:两条DNA分子之间形成的交叉可以沿DNA移动. 此时两条DNA分子中都出现的异源双链区叫对称异源双链区.
RecBCD蛋白质在同源重组中的作用机制
同源重组的酶学机制-RecA蛋白质在同源重组中的作用 RecA蛋白质是SOS反应的关键调节蛋白之一
RecA蛋白与重组有关的活性
RecA蛋白质是一个单肽链,是同源重组中最 重要的蛋白质.又叫做重组酶。其活性：
1. 单链DNA结合活性； 2. 双链DNA结合活性； 3. NTP酶活性：在单链DNA或双链DNA存在
完整双螺旋 DNA分子与DNA片段之间的重组 :细菌转导
• 和转化与接合不同,无论是普遍性转导还是特异性转导的 遗传重组都在双链DNA片段和完整DNA分子之间发生.
同源重组的酶学机制:RecBCD蛋白质
RecBCD蛋白质:由recB,recC和recD基因编码 的多肽链所构成的一个同源重组中的功能 单位.
假基因
（3）无内含子
位点特异重组
位点 特异 重组
λ整合
区域同源
沙 门 氏 菌 区域同源 相转变
Mu 的 G片段 区域同源 倒位
P1 的 C片段 区域同源 倒位
转 座 子 之 区域同源 间或两端 DR 、 IR 重 组
反 转 录 病 区域同源 毒整合
Int, IHF
attp 核 心 交错切割连 整合
酶 （ 15bp ）接 Holliday
分类:
两个完整线状双螺旋 DNA分子之间的重组. 两个完整环状双螺旋 DNA分子之间的重组. 完整双螺旋 DNA分子与DNA片段之间的重组.
左右或上下单链在 内切酶作用下断裂
连接酶连接
同源重组的分子机制
Holliday模型 链的断裂：同源联会的两个DNA 分子中任意一个出现单链切口， 切口由DNA内切酶完成
分枝迁移
重组交叉点能沿 着DNA双链分子 移动，这种移动 叫做分枝迁移
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Holliday结构的拆分
1. 切口在曾被切开 的一对链：无交 互重组，但含一 段异源双链区；
2. 切口在原来完整 的一对链：交互 重组。
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交互重组 • 一条亲本双螺旋分子和另一条亲本分子共
价相连,中间有一段异源双链区,这种重组叫 交互重组. • 对于环状DNA分子,交互重组必然导致二聚 体的产生;而对于线状DNA分子而言,则不会 产生二聚体
时，RecA能水解ATP(dATP), GTP(dGTP), UTP(dUTP)，水解CTP(dCTP)的活性较低。 4. 促进互补单链复性的能力。
RecA 促进DNA分子同源联会和DNA分子之间的单链 交换
RecA催化一个单链侵入一双链中，将其最初的配体 转移而与单链
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酵 母 交 配 完全同源 同源特异 型转变 重组
转座 重组
复制型 无 非复制型 无
保守型 无
I类内含 无 子归巢
模板 转换
特殊 重组
反转录转 座子
Ⅱ类内含 子归巢
免 疫 球 蛋 区域同源 白 的 VJC 连接
Rid 52, HO
特 异 Y/Z 交 错 切 割 、 配 单 向 取 修 复 性