遗传学：第九章 遗传重组
遗传学-遗传重组
• 整合反应需要噬菌体基因int 产物“整合酶”(Int)和整 合宿主因子(Integration host factor，IHF) 。
• 切除反应除了需要Int和IHF以外，还需要噬菌体基因 xis产物（切除酶）。
λ 噬菌体 P O P’
包装 感染宿主
B O P’
P O P’ ×
B O B’ Int Int IHF IHF
遗传重组
• 发生：减数分裂生殖细胞内，体细胞 • 地点：核基因间，叶绿体基因间，线粒体基因间； • 作用：保证了遗传多样性,为选择奠定了物质基础,
使生物得以进化发展，与突变一起是变异的来源
主要内容
遗传重组的类型 同源重组的分子机制 位点专一性重组 转座（下一章）
一、遗传重组的类型
遗传重组主要类型：(依据对DNA序列和 所需蛋白质因子的要求) 同源重组 (homologous recombination ) 位点专一性重组(site-specific recombination)
• λ噬菌体的att位点: 记为attP, 由P 、 O和P’组成
• 大肠杆菌att位点: 记为 attB/attλ ,由B 、 O和B’组成
1.整合：
BOB’+ POP’
细菌 噬菌体
Int IHF
BOP’— POB’
原噬菌体
2.切除： BOP’—POB’ Int BOB’+ POP’
原噬菌体 IHF, Xis 细菌 噬菌体
（三）异常重组
（illegitimate recombination ）
完全不依赖于序列间的同源性而使一段DNA序列 插入另一段中。但在形成重组分子时往往依赖 DNA复制而完成重组过程，因此又称复制性重组。
第九章遗传学习题答案
第九章突变和重组机理一、名词解释1.碱基替换：一个碱基对被另一个碱基对代替。
又分2种：转换和颠换。
2.染色单体转变：减数分裂的4个产物中，有一个产物发生基因转变。
3.显性致死：只有一个致死基因就引起致死效应的，杂合态即有致死效应。
4.Muller-5品系的果蝇：X染色体上有显性棒眼基因B和隐性杏色眼基因Wa，还有一些倒位，可以抑制 Muller-5的X染色体与野生型X染色体的重组。
5、基因突变（点突变）：指一个基因变成了它的等位基因。
6、自发突变：由外界环境条件自然作用或生物体内的生理生化变化发生的突变。
7、诱发突变：在特设的诱变因素（物理、化学、生物等）诱发下发生的突变。
8、显性致死：杂合态即有致死效应。
9、隐性致死：纯合态时才有致死效应，常见条件致死突变：在某些条件下是成活的，而在另一些条件下是致死的突变。
11、突变率：指生物体（微生物指每一个细胞）在每一世代中，每一基因组或每一细胞发生突变的概率。
12、易变基因:比一般基因容易突变的基因。
13、诱变剂：凡能增加突变率的物质都叫诱变剂。
14、转换：DNA分子中的嘌呤被嘌呤或嘧啶被嘧啶替换。
15、颠换：DNA分子中的嘌呤被嘧啶或嘧啶被嘌呤替换。
16、DNA修饰物：通过化学变化改造DNA分子结构的物质。
其作用与DNA复制无关。
17、染色单体转变：减数分裂的4个产物中，有一个产物发生基因转变。
18、半染色单体转变：减数分裂的4个产物中，有1个或2个产物的一半出现基因转变。
影响DNA 的一条链，分离一定发生在减数分裂后的有丝分裂中，所以叫做减数后分离。
二、选择填空1、紫外线照射主要引起（ B ）。
A DNA分子的断裂B 胸腺嘧啶二聚体C 尿嘧啶二聚体D DNA分子交连2、辐射剂量增加一倍，突变频率（D ）。
A 不变 B增加2倍 C 增加3倍 D 增加1倍3、吖啶类分子扁平、能插入DNA相邻碱基对间，使碱基分开，从而使DNA分子双链歪斜，导致交换时出现（A ）。
遗传重组机制.ppt
噬菌体侵染周期
29
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)
30
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。
31
32
第四节、转座因子
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。
11
（a）切割 （b）链置换 （c）链侵入 （d）噜噗切除 （e）连接 （f）分支迁移
12
C Double-strand break （DSB) model
1）非姐妹染色单体的一条双链断裂； 2）从5’降解，产生3’游离单链； 3）一3’游离单链 侵入取代同向完整链 4）3’ 单链延伸 5）被取代的完整链与另一游离链配对； 6）底链进行DNA的合成 7）缺口结合形成两个Holliday 中间体
10
B、Meselson-Radding 模型
该模型由M. Meselson 和C. Radding在Holliday模型的基 础上修改的，与后者的主要区别： （1）开始只在单个染色体上造成切割。Holliday模型是 在两个染色体上都造成切割。
（2）按照 Meselson-Radding 模型，异源双链区可以只 发生在两个染色体的其中之一上，也可以发生在两个染色 体上，取决于交联桥是否迁移。
基因的位置外，人们无法想象基因会从一处跳跃到另一处。
34
转座理论被接受
上世纪70年代后在生物中发现了更多可移动的遗传因子；
从而麦氏的理论被人们重新提起并得到了验证，80年代初麦 氏理论为科学界普遍接受。她走在时代前面四十年，同时也
遗传病学中的遗传连锁与重组
遗传病学中的遗传连锁与重组遗传病学是研究遗传性疾病发生、发展、预防和治疗的学科。
其中，遗传连锁和重组是遗传病学中的重要基础概念。
一、遗传连锁遗传连锁是指在同一染色体上的两个或多个基因，由于它们位于同一染色体上，因此它们的遗传方式是连锁的。
在某些情况下，这些基因被遗传为一个基因单元，而且除非足够时间让它们重新组合，否则它们永远不会被分离。
遗传连锁的发现是由托马斯·亨特·摩尔根等人在果蝇的实验中发现的。
他们发现果蝇某个特定基因的变异体只能跟其他基因的特定变异体共现，并与其他基因的其他变异体分离。
这些结果表明，这些基因是遗传连锁的。
遗传连锁在遗传病学中起了很重要的作用，因为它是评估遗传疾病风险和进行更好的基因诊断的重要依据。
二、重组重组指的是染色体上的两个非连锁基因之间的相互交换。
重组通常发生在减数分裂过程中，由于染色体的自由组合而发生。
重组导致基因型的重新排列，从而产生了不同的遗传组合。
染色体重组的概念是由托马斯·亨特·摩尔根在进行他的果蝇实验时发现的。
通过他的实验，他发现对于两个位于同一染色体上的基因，只有当它们之间距离较远时才可能发生重组。
摩尔根的研究成果为基因图谱的构建奠定了基础，同时也为遗传病的治疗提供了新的思路。
三、连锁和重组的关系遗传连锁和重组是密切相关的，因为它们都涉及基因在染色体上的相对位置以及它们在细胞分裂期间是如何传递的。
在同一染色体上两个或多个基因的联锁是由于它们相对位置的贡献，而这个相对位置往往是一成不变的。
而重组是一种突变，可以导致两个或多个基因之间相对位置的改变。
重组的发生是有很多因素影响的，通常跟基因之间的距离越远，发生重组的概率就越大。
遗传连锁和重组的关系在遗传病学中非常重要。
许多遗传疾病都是由于家族中的遗传错配导致的。
通过对基因的定位和相关研究，研究人员可以确定与某种特定的遗传疾病相关的基因所在的染色体位置。
同时，他们还可以通过分析家族成员的基因信息来预测这些基因序列的遗传模式，并提供更好的治疗方案。
分子遗传学_遗传重组
同源重组需要满足的条件： （1）在交叉区域含有相同或几乎相同的碱基序列； （2）双链DNA分子之间发生互补配对； （3）需要重组酶的催化； （4）形成异源双链； （5）发生联会
一、同源重组的分子机制 （一）断裂-复合及Holliday中间体 1. 切断(nicking) 2. 链置换(strand displacement) 3. 单链侵入(single-strand invasion) 4. 噜噗切除(loop cleavage) 5. 链同化(strand assimilation) 6. 异构化(isomerization) 7. 分支迁移(branch migration)
Branch migration
5´ 3´
3´ 5´
3´
5´
(recA)
3´
5´
5´
3´
5´
3´
endonuclease
(recBCD)
5´
3´ DNA
5´
3´
3´
5´ ligase
3´
5´
3´
5´
3´
5´
5´
3´
5´
3´
Holiday intermediate
Holliday intermediate
Mutation 突变
个体基因
突变
基因间交流
适者生存
Section 1 遗传重组概述 Outline of genetic recombination 广义：任何造成基因型变化的基因交流过程都叫 遗传重组(genetic recombination) 狭义：涉及DNA分子内断裂-复合的基因交流，有 时又叫交换（crossing over）。DNA分子内或分 子间发生遗传信息的重新组合，称为遗传重组 (genetic recombination) 。 重 组 产 物 为 重 组 体 DNA(recombinant DNA)。
高中生物第十一节：基因重组与基因转位——基因重组概念
课次：22教学目的：使学生了解重组的四种类型，了解位点特异重组和异常重组的特点，掌握同源重组的机制。
重点：同源重组的机制难点：同源重组的机制复习旧课：提问1人，了解教学效果。
导入新课：第九章遗传重组第一节概述DNA分子内或分子间发生遗传信息的重新组合，称为遗传重组(genetic recombination)。
重组产物为重组体DNA (recombinant DNA) 。
DNA重组对生物进化起着关键的作用。
基因重组是指由于不同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。
重组的类型：（1）同源重组(homologous recombination )：反应涉及到大片段同源DNA序列之间的交换。
其主要特点是需要RecA蛋白的介入。
（2）位点特异性重组（site-specific recombination）：重组发生在特殊位点上，此位点含有短的同源序列，供重组蛋白识别。
（3）转座重组（transposition recombination）：由转座因子产生的特殊的行为。
转座的机制依赖DNA 的交错剪切和复制，但不依赖于同源序列。
（4）异常重组分为两类，末端连接和链滑动。
其特征时重组对中很少或没有序列同源性，所以也称为非同源性重组。
第二节同源重组1 同源重组1.1 同源重组（homologous recombination）:发生在同源DNA序列之间。
1.2 特征-进行同源重组的基本条件：1）在交换区具有相同或相似的序列：涉及同源序列间的联会配对，且交换的片段较大；单链DNA分子或单链DNA末端是交换发生的重要信号2）双链DNA分子之间互补碱基进行配对3）重组酶4）异源双链区的形成:涉及DNA分子在特定的交换位点发生断裂和错接的生化过程；存在重组热点。
e.g.：Euk.减数分裂时的染色单体之间的交换；细菌的转化，转导，接合，噬菌体重组同源重组是同源依赖性的，而非序列依赖性。
CH09遗传重组
第二节 同 源 性 重 组
同源性重组是发生在两个DNA分子同源 区之间的重组。同源性重组主要是利用 DNA序列的同源性识别重组对象，由碱 基序列提供识别的特异性。
同源性重组最主要特征是相关的酶可以 利用任何一对同源序列为底物。
真核生物减数分裂时的染色体之间的交换， 某些低等真核生物及细菌的转化、转导、 接合等都属于同源性重组这一类型。
RecBCD 所介导的解旋和切割可以被用来产 生末端，并引发异源双链的形成。
二、RecA和Holliday连接体的形成
RecA可以促进单链DNA与其在另一双链 DNA 分子中互补的DNA 链的碱基相配 对。 。
RecA的DNA操作酶活性利用由RecBCD在 Chi位点附近切割所释放的单链3’末端与双 螺.旋中的同源序列发生置换，这一反应被 称为单链摄取(single-strand uptake)或单链同 化(single-strand assimilation)。
遗传重组的证明:
突变和重组是提供进化起始物质的两个 过程：
突变引起的遗传改变能引起蛋白质中氨 基酸序列的变化，该变化引起表型的改 变，通过自然选择发生作用。
重组提供一个基因组结构的变化，也会 引起表型的变化，也通过自然选择发挥 作用。
根据不同的机制，可将重组分成4类：
同源性重组（homologous recombination） 位点特异性重组（site-specific recombination） 转座重组（transposition recombination） 异常重组（illegitimate recombination)
整合和切除均通过细菌DNA 和λDNA上特定 位点—附着点（attachment site，att）之间的 重组而实现。
遗传重组知识点归纳总结
遗传重组知识点归纳总结第一章：遗传重组的基本概念1.1 遗传重组的定义遗传重组是指在DNA分子水平上的一种基因组重组现象，它是通过杂交、交配和染色体重组等方式引起的基因组结构的改变。
遗传重组是生物进化和物种多样性形成的重要机制，也是生物遗传学中的重要内容。
1.2 遗传重组的类型遗传重组主要包括杂交重组、交配重组和染色体重组等几种类型。
杂交重组是不同个体之间的交配导致的重组，交配重组是同一个体不同染色体之间的重组，染色体重组是同一染色体内的重组。
1.3 遗传重组的意义遗传重组是生物多样性和进化的重要机制，它能够增加基因组的多样性，为物种的适应性演化提供了重要的基础。
遗传重组还可以对疾病的发生和治疗提供更深入的理解，因此在医学和生物科学领域具有重要的应用价值。
第二章：杂交重组2.1 杂交的概念杂交是指不同品种或种属之间进行交配，产生杂种后代的过程。
杂交通常伴随着DNA分子水平上的重组事件，即杂交重组。
2.2 杂交重组的机制杂交重组是由于两个不同个体的染色体互相交换基因片段导致的。
在杂交过程中，亲本个体的染色体会在减数分裂阶段发生染色体重组事件，从而导致杂交重组的发生。
2.3 杂交重组的意义杂交重组能够增加个体的基因多样性，提高物种的适应性。
在农业和园艺领域，杂交重组可以创造出高产、抗病、耐逆的新品种，为农业生产提供更多的选择。
在保护濒危物种和改善环境方面也具有潜在的应用价值。
第三章：交配重组3.1 交配的概念交配是指同一品种或个体不同染色体之间进行交配，产生交配后代的过程。
交配也是引起交配重组的重要方式之一。
3.2 交配重组的机制交配重组是指同一亲本个体不同染色体上的基因片段通过交配和减数分裂发生互换而形成新的组合。
这种重组方式也是自然选择和进化的重要机制。
3.3 交配重组的意义交配重组能够增加基因组的多样性，使得子代个体在适应环境变化和应对新生态压力时更具有灵活性。
在繁殖和生物进化中，交配重组是一种非常重要的遗传现象。
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如：抗药基因，使宿主具表性效应。 b. 两侧有重复序列。 c. 有的转座子的重复顺序就是IS。 ♣ 功能：和 IS 一样可以从一个位点转座到另 一个位点。
Tn1681
IR IS1
大肠杆菌热稳 IR 定毒素I 基因 IR
552 bp
e.g. IS插入到功能基因两端，可能形成复合转座因子
其两翼往往是两个相同或高度同源 的IS序列，表明IS序列插入到某个功能基因 两端时就可能产生复合转座子。一旦形成复 合转座子，IS序列就不能再单独移动，因为 它们的功能被修饰了，只能作为复合体移动。
单体DNA c) 交换重接形成交联桥结
构(cross-bridge structure) d) 分枝迁移(branch
migration) ,形成异源双 链区
e) Holliday中间体(Chi结构) f) 垂直切割和重接 g) 水平切割和重接
分支迁移
Holliday 中间体----Chi结构及其分子模型
C. 在另两条单链之间发生同样的断裂重 接，从而完成双链间的重组。
三、 异常重组的分子基础--转座子：
转座子，又叫可动遗传因子，指基因组中可 以改变自身位置的基因
1951年Barbara McClintock 发现玉米中 存在可动遗传因子，但未引起重视
可动遗传因子扩大了基因概念的含义:生物体 内基因的位置、结构和数目不是固定不变的， 而是可以移动和改变的。
过程
a) 共合体形成 切口－连接－复制
b) 拆分
靶位点的DR形成
复制型转座因子的特点
① 完全不依赖于序列间的同源性，而是依赖于 DNA复制和修复而完成重组。
② 转座因子转座以后，原来位置上的转座因子 保持不变，而将它的一个复制品转移到另一 个位置
③ 在新的位置上，转座因子两侧出现5~12bp 正向重复序列
第九章 遗传重组
遗传重组的类型
一、同源重组(homologous recombination)
又叫普遍性重组(generalized recombination) ，大范 围同源序列对等交换。
二、位点专一性重组(site-specific
recombination)
又叫保守性重组(conservative recombination),重组 发生在小范围内的精确的切割和连接反应，往往不是对等交
1）复制型转座模式（replicative transposition）
转座子作为可移动的元件被复制，一个拷贝保留在供 体原来的部位不变；另一个拷贝则插入到受体的位点上， 结果供体和受体都有一个转座子的拷贝。
需两种酶： 转座酶(transposase)：作用于靶位点和原来转座子两端。 解离酶(resolvase)：作用于复制后的拷贝。
IR IS1
复合转座子结构示意图
♣ 两种类型 2.5 kb
20 kb
a) Tn / TnA family
具有IR、转座酶基因、 调节基因（解离酶）、
抗抗生素基因
Tn3 IR TnpA
38bp
转座酶
TnpR AmpR IR
38bp regulator β- 内酰胺酶
b）两端重复序列为IS的复合转座子
通过attP和attB间的相互重组，环状的噬菌体DNA转换为整合的原噬 菌体，原噬菌体通过attL和attR间的相互重组而切除
整合的过程:
A. 具有对特异性DNA强烈亲和力的Int与 attP和attB位点结合；
B. Int的拓扑异构酶活性，使两条双链各 自断开一条单链，瞬间旋转然后交换 连接，形成Holliday中间体；
④ 转座过程中出现共联体（cointegrate)， 即两个复制子通过共价键连接形成的一个复 制子
2）非复制型转座（nonreplicative transposition)
转座子从供体一个位点转移到受体新位点处， 供体位点留下缺口，受到损伤（严重时致死）或宿 主修复系统识别修复。
只需转座酶
3） 保守型复制（conservative transposition)
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 1、转座类型
DNA的转座 （DNA transposition）
复制型转座 （replicative transposition）
非复制型转座 （replicative transposition）
反转录的转座子 （retrotransposon ） 或逆转座子（retroposon）
保守型转座 （replicative transposition）
另一种非复 制型。与λ整合机制 相似其转座酶与λ整 合酶家族有关。
2、原核生物中的转座因子种类与特点
根据分子结构和遗传性质可分为3种类型： A 插入序列 : insertion sequence IS B 转座子：其中包括
简单转座子（simple transposon） 复合转座子（composite transposon） C 转座噬菌体（M utantor phage, Mu）
二、位点专一性重组
典型的位点专一性重组：λ噬菌体的整合和 切除。
1. λ-DNA对E.coli的整合：
POP’ + BOB’ →BOP’—POB’ 需要整合酶(Int—拓扑异构酶活性)和整合宿主因子 (IHF)参与,非可逆反应。
2. λ-DNA从E.coli的切离：
BOP’—POB’ → POP’ + BOB’ 需要整合酶(Int)、整合宿主因子(IHF)和切除酶(Xis) 参与,非可逆反应。
换而是整合式重组，如λ噬菌体整合。
三、异常重组(illegitimate recombination)
完全不依赖于序列间的同源性，而是依赖于DNA复制和 修复而完成重组，又叫可动遗传因子。如转座子。
减数分裂中染色体的交换和重组
一、同源重组的分子机制
Holliday 模型
a) 同源染色体联会 b) 内切酶切割非姊妹染色
A 插入序列 ♣ 最简单，是细菌染色体、质粒和某些噬菌体的正常组分， 是一个自主的单位，每种IS均编码自身转座所需的蛋白质。 ♣ 命名： IS＋编号（鉴定类型）
长度 700～2000bp 每种IS元件具有不同序列，但有共同的组织形式
插入序列IS1的结构
B 复合转座子（composite transposon） ♣ 表示法：通常以Tn和后面加上数码表示，