DNA的重组与转座程序.ppt

第六章 DNA重组 基因组的可变性和稳定性之间必须维持一个恰到好处的平衡，这样才能使生物体得以生存并能世代相传，繁衍不息。 染色体的遗传差异主要由两种机制产生，一种是突变，一种是遗传重组。 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。 DNA重组（recombination）是指发生在DNA分子内或DNA分子之间核苷酸序列的交换、重排和转移现象，是已有遗传物质的重新组合过程。 遗传重组的存在确保了遗传物质代与代之间基因组的重排，从而形成一个物种内部个体之间的遗传差异。 遗传重组不仅仅发生于代与代之间，一个个体的基因组也可以发生重排。重组不只是在减数分裂和体细胞核基因中发生，也在线粒体基因间和叶绿体基因间发生。 DNA重组的意义是能迅速增加群体的遗传多样性，通过优化组合积累有利突变，推动生物进化。此外，DNA重组还参与DNA损伤修复，某些基因表达的调控等重要的生物学过程。 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） 异常重组（illegitimate recombination) 转座重组（transposition recombination） 许多重组反应利用不止一种机制进行，例如免疫球蛋白VDJ连接涉及到位点特异性识别和类似异常重组的过程；酵母接合型的转换既有同源性重组和位点特异性重组的特征，也具有复制转座过程的特征。 通过同源性重组将DNA序列引入真核基因组已经为研究高等生物开辟了一条新途径。 用人工操作构建DNA重组体，将其导入受体细胞扩增或表达，称为DNA克隆或分子克隆（molecular cloning）。 第一节 同源重组 同源重组（homologous recombination）发生在两个同源DNA片段之间，是在两个DNA分子的同源序列之间直接进行交换的一种重组形式。同源重组主要是利用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，噬菌体的整合等都属于同源性重组这一类型。 在整个基因组中，同源重组的频率并不恒定，并且跟染色体的结构有关。例如在异染色体附近遗传物质的交换要受到抑制。 1. 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 发生同源性重组的两个区域的核苷酸序列必须是相同或非常相似的。 同源性重组常常只发生在两个DNA分子中的相同部位。 （2）双链DNA分子之间互补碱基进行配对 两个DNA分子的链之间互补的碱基配对确保重组只发生在同样的基因座之间。 在该部位两个双链DNA分子通过链之间互补的碱基配对被维系在一起称为联会。 （3）重组酶 参与重组反应的酶，保证重组的顺利进行。 重组过程中，每个分子的链首先断裂，然后进行修复和连接，两个DNA分子之间发生交换。重组完成后，重组分子的解离和释放等过程均是在酶催化下进行的。 （4）异源双链区的形成 同源性重组时，在两个DNA分子之间互补碱基配对的区域称为异源双链区（heteroduplex region）。 两个DNA分子通过一段异源DNA双螺旋共价相互连接。 2. 同源性重组的分子模型 第一个被广泛接受的重组模型是1964年由Robin Holliday提出的Holliday模型。 即将发生重组的两个DNA分子同一个部位的两个单链的断裂，从而引发重组。 两个断裂单链的游离端彼此交换，形成两个异源双链，然后末端连接形成Holliday连接体（Holliday Junction）。 一旦Holliday连接体形成后，它能进行重排从而改变链的彼此关系。这种重排称为异构化，因为在此过程中没有键的割裂。 一旦形成Holliday连接体后，就能被拆分。是否发生重组依赖于拆分时Holliday连接体的构象。 Holliday模型被称为双链侵入模型，因为由于每一个DNA分子的一条链侵入到另一个DNA分子，它解释了在重组时两个DNA分子的异源双链是如何形成的。 Holliday连接体也能通过碱基之间氢键的断裂和再连接而发生左右移动。这个过程称为支链迁移（branch migration)。 Holliday认为在DNA分子上存在某些位点，特殊的引发重组的酶能够识别这些位点，确保两条链在相同的部位被切断。 目前还没有足够的证据证明这些位点的存在。 （2）单链侵入模