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第六章 遗传重组
1．课程教学内容 (1) 同源重组 (2) 位点特异性重组 (3) 转座重组 (4) 逆转座子 2．课程重点、难点 几种重组的机理。 3．课程教学要求
（1）理解重组产生的遗传效应； （2）掌握不同重组产生的机理。
一、概述
重组是完整DNA分子的断裂和重接
1930年，细胞学观察：染色单体断裂，重接，发生交换。
1955年，遗传学家发现交换可以发生在基因内部，推测重组是在复制时发生的，拷贝选择（copy choice）。
结论：重组是DNA分子断裂后重新连接形成的。更进一步研究证明末复制的DNA分子也可以发生重组。
遗传重组 广义地说，任何造成基因型变化的基因交流过程都称为遗传重组。狭义上的遗传重组指涉及到DNA分子内断裂-复合的基因交流。
根据对DNA序列和所需蛋白质因子的要求，可以分为四类包括：
– 同源重组（homologous recombination）
– 位点专一性重组（site -specific recombination）
– 转座重组（transposition），被移动的DNA片段叫转座子（transposon） – 异常重组
同源重组 发生在DNA的同源序列之间。真核生物非姊妹染色子体的交换、细菌及某些低等真核生物的转化、细菌的转导、接合、噬菌体的重组都属于这种类型。大肠杆菌的同源重组需要RecA蛋白。
位点特异性重组 发生在两条DNA的特异性位点上，λ噬菌体DNA通过其attp位点和大肠杆菌DNA的attB 之间的位点特异性重组而实现整合过程
转座过程中，转座成分从染色体的一个区段转移到另一个区段或从一条染色体的转移到另一条染色体。转座作用既不依靠转座成分和插入区段的同源性，又不需要RecA蛋白质。由于转座作用总是伴随着转座成分的复制，故又称为复制重组。
异常重组不需要DNA序列的同源性和RecA蛋白质，而且它也不需要转座酶。
二、同源重组的机制
同源重组的行为本身是DNA序列的交换：两个同源的DNA双螺旋分子相互接近，接触，然后有关的部分发生交换。它的特征是任意一对同源系列都可以作为底物由有关的酶催化重组。这些酶对DNA无碱基序列的特异性，只要两个DNA序列相同或接近相同，就可催化重组。
同源重组发生在染色体上具有相同或相近序列的DNA区域 重组的起动需要DNA分子上有断裂或缺口
事实表明，DNA断裂能够大大提高重组率。因此紫外照射、X光和一些能够使DNA断裂的化学物质可大大提高重组率。在大肠杆菌中， DNA 聚合酶Ⅰ和连接酶基因的突变也有同样作用。酵母整合载体，若是线状则可提高整合率1000倍。
RecA 蛋白使单链DNA与染色体上互补序列配对。 RecA蛋白:
– 依赖于DNA的水解三磷酸核苷的功能 – 在两条互补的单链间促进配对的功能 – 依赖于ATP和寡聚核苷酸的蛋白水解酶的
Rec A蛋白能专一性地识别单链DNA，使它与同源染色体双链DNA的互补序列退火，替换原来的互补链。
Rec A蛋白以一定比例与单链DNA结合，一般1个蛋白多肽5个核苷酸，形成DNA-蛋白丝。在ATP存在时，Rec A可使双链解旋，形成新的杂种DNA。
在有些噬菌体，如T7和λ噬菌体中，仅有核酸酶和SSB，随机碰撞可重组。高等生物的重组需要Rec A蛋白 。Rec BCD和其它蛋白在重组中的作用
若没有Rec BC，在细菌接合过程中重组率可降低100倍，这种复合酶大约300kd，具有DNA解旋和核酸酶的活性。它可以帮助有游离末端的DNA形成单链DNA片段，从而有利于RecA 蛋白作用。它识别并切割Chi序列：5'GCTGGTGG-3'
在大肠杆菌接合过程中易形成双链DNA游离末端，在P1噬菌体转导和λDNA侵染的细胞中RecBC对重组率影响极大。
一种核酸酶切开霍利迪结合点，从而完成重组。
霍利迪结构 它是DNA重组过程中的一个中间体，重组时两个DNA双链体以四股DNA在连结点形成的十字形DNA分子构象。
异源双链体 (Heteroduplexes)：异源双链体是指重组DNA分子上两条链不完全互补的区域。
分支迁移（Branch migration）：一旦两个重组的DNA分子形成霍利迪结构，交叉连接点很容易像拉链一样移动，从而扩大异源双链体区域，这一程 叫分支迁移。
三、位点专一性重组
是指噬菌体基因组插到细菌的染色体中，这个过程也叫整合（integrate），需要噬菌体DNA与细菌DNA的专一序列。
在位点专一性重组中没有DNA的合成，每条DNA链上的断裂和重接十分精确。 λ噬菌体的整合和解离
λ 噬菌体：裂解周期和溶源化周期。
附着位点（attachment site，Att）：大肠杆菌23bp；噬菌体 240bp，相同的核心序列。
整合需要整合酶(integrase，int)和一种细菌蛋白integration Host factor(IHF)；解离需要Xis gene产物，int和IHF。
在溶源lysogenic周期中，噬菌体λ DNA是细菌染色体的一个整合部分，成为原噬菌体prophage。
在裂解lytic周期中，λDNA以独立的环状分子存在于被侵染的细菌中。两种状态的改变就包括了位点专一性重组。要进入溶源状态，游离的λDNA必须被整合(integrate)进寄主DNA；要从整合的溶源状态释放，进入裂解状态，原噬菌体DNA必须从染色体上剪切下来excise。
整合作用 整合与剪切发生在噬菌体和细菌的特殊位点上，这个位点叫附着点attachment site（att）。细菌的位点叫attB，由BOB’组成。噬菌体的位点叫attP，由POP’组成。序列O是att B和att P的共同序列，叫核心序列core sequence，重组就发生在这里。侧翼的序列B、B’、P、P’是臂，序列各不相同。原噬菌体由重组产生的新位点界定。左边的位点叫att L，由BOP’组成，右边的位点叫att R，由POB’组成。整合作用发生在att B和att P之间（att B×att P），而剪切作用发生在att L和attR之间（att L×attR），
四、转座子重组（Recombination via transposon）
重组不依赖DNA的序列，使一段DNA序列从染色体的一个位置移动到另一个位置，甚至从一个染色体移动到另一个染色体，这种重组叫转座重组（transposition），被移动的DNA片段叫转座子（transposon）。
转座子（ 或transposalole elements）：可以转移到新位置的DNA序列。 转座因子可以直接或间接造成基因组重排： ① 直接造成缺失一倒位或序列移位。② 作为小的同源区域在细胞同源重组体系作用下，相互重 组造成缺失、插入、倒位和易位(translocation)。 1 细菌中的转座重组
简单转座子、复合转座子、转座的机制、TnA家族的转座子 1）简单转座子
? 最简单的转座子就叫插入序列(Insertion sequences ,IS ) 。λ:IS1表示IS1
插入λ噬菌体的基因组。
? IS序列可以编码自己转座所需的转座酶.IS两端带有反向重复序列，中间是一个
转座酶基因，不带其它标记基因。
? 在IS 转座时，插入位点的DNA序列重复了(正向重复)。不同IS插入位点不同，
但重复序列大多为5-9bp。
? 每个插入序列的末端都是短的反向末端重复序列inverted terminal repeats，
两个反向末端重复序列往往很相似但不一定相同。不同IS序列转座率不同，一般每代为10-3—10-4。
? 转座完成后，靶位点形成两个拷贝，位于转座子的两端，形成同向重复序列direct
repeats。
2）复合转座子Composite Transposons
? 有些转座子除了与转座有关的功能外，还带有抗药性或其它标记，这些转座子命
名为Tn加数字。复合转座子是一种大的转座子，中间区带有抗药标记，两边各带一个由IS因子组成的臂，这两个臂可以是同向或反向的。
? 由于IS序列成为复合转座子的一个组成部分，所以又把IS序列称为IS元件
module。因为每个元件都有一对反向末端重复，所以整个复合转座子的末端也是反向重复序列。 ? 转座使靶位点加倍。
? Tn5的两个边界IS50R序列只差一个碱基，IS50R是有功能的，IS50L无转座功能
3）TnA家族的转座子
? Tn A家族的转座子不与IS元件复合，只含有长度为37－38bp的反向末端重复。