DNA的重组

生物化学第十八章DNA的重组，讲述了同源重组、特异位点重组、转座重组三个板块，希望梳理的内容对你有所帮助！

DNA的重组

• 一、同源重组
  • 概述
    • 同源重组( homologous recombination)又称为一般性重组( general recombination)，它是由两条具有同源区的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。DNA重组增加了基因和基因组的多样性，使有利突变和有害突变分离，通过优化组合积累有意义的遗传信息。DNA重组还参与许多重要的生物学过程:DNA的复制与修复，基因表达与细胞功能的调节，生物发育与进化等。
  • (一)Holliday模型
    • 关键步骤
      • ①两个同源染色体DNA排列整齐
      • ②一个DNA的一条链裂断并与另一个DNA对应的链连接，形成的连接分子(joint molecule)称为Holiday 中间体
      • ③通过分支移动产生异源双链DNA
      • ④Holiday中间体切开并修复，形成两个双链重组体DNA(片段重组体或剪接重组体)
    • 同源重组是减数分裂的原因，而不是减数分裂的结果。两DNA分子必需具有75bp以上的同源区才能发生同源重组，同源区小于此数值将显著降低重组率。同源性并不意味序列完全相同。
  • (二)细菌的基因转移与重组
    • 概述
      • 细菌基因转移的主要的四种机制:①接合②转化③转导④细胞融合
      • 进入受体细胞的外源基因通常有四种结果:降解、暂时保留、与内源基因置换和发生整合
    • 细菌的接合作用
      • 细菌的细胞相互接触时遗传信息可以由一个细胞转移到另一个细胞，称为接合( conjunction)作用。通过接合而转移DNA的能力是由接合质粒提供的，能够促使染色体基因转移的接合质粒称为致育因子，简称为性因子或F因子，F因子属于附加体。
      • F+细菌性菌毛的功能是识别和联结阴性细菌，不是DNA转移的通道。
      • F'细胞与F-细胞杂交，供体部分染色体基因随F'因子(含有若干宿主染色体基因的F因子)一起进入受体细胞，无需整合就可以表达，形成部分二倍体，使受体细胞也变成F'，细胞基因的这种转移过程称为性导(sexduction)。
    • 细菌的遗传转化
      • 遗传转化(genetic transformation)是指细菌品系由于吸收了外源DNA(转化因子)而发生遗传性状改变的现象。
    • 细菌的转导
      • 转导(transduction)是通过噬菌体将细菌基因从供体转移到受体细胞的过程。
      • 转导的类型
        • 普遍性转导:指宿主基因组任意位置的一段DNA组装到成熟噬菌体颗粒内而被带入受体菌。
        • 局限性转导:某些温和噬菌体在装配病毒颗粒时将宿主染色体整合部位的DNA切割下来取代病毒DNA的过程。
    • 细菌的细胞融合
      • 在实验室中，可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
    • Rec A:诱发SOS反应和促进DNA单链的同化
    • Rec BCD酶具有三种酶活性:①依赖于ATP的外切酶活性②可被ATP增强的内切酶活性③ATP依赖的解旋酶活性
    • 同源重组最后由Ruv C将Holliday联结体切开，并由DNA聚合酶和DNA连接酶进行修复合成。
• 二、特异位点重组
  • 特异位点重组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，以及有些病毒和质粒DNA的整合与切除等。特异位点重组的结果决定于重组位点的位置和方向。如果重组位点以相反方向存在于同一DNA分子上，重组结果发生倒位;重组位点以相同方向存在于同一DNA分子上，重组发生切除;在不同分子上，重组发生整合。
  • (一)λ噬菌体DNA的整合与切除
    • λ噬菌体进入宿主大肠杆菌细胞后存在溶原和裂解两条途径。两者生活周期的选择取决于CI和Cro蛋白相互拮抗的结果。λ噬菌体与宿主的特异重组位点称为附着位点。整合过程中用到的整合酶作用机制类似于拓扑异构酶I，催化磷酸基转移反应，不是水解反应，故无能量丢失。
  • (二)细菌的特异位点重组
  • (三)免疫球蛋白基因的重排
    • 克隆选择学说:每一种浆细胞只能产生一种或几种抗体，无数由淋巴细胞而来的浆细胞就能产生无数种类的抗体分子(即免疫球蛋白Ig，由两条轻链L链(决定轻链的基因家族上各有V,L,C,J四类基因片段)和两条重链H(决定重链的基因家族上各有V,L,C,J,D五类基因片段)组成，它们分别由三个独立的基因家族所编码，J,C片段之间存在增强子)。
    • 抗体基因在进化过程中可通过倍增和歧化来增加其数量，在同一种系中基因数目有较大变动。(恒定区(C片段)决定抗体的效应功能，即抗体的类型和亚类型。)
    • 除淋巴细胞外，所有细胞免疫球蛋白基因族的结构都是相同的，称为种系结构。只有骨髓干细胞在分化为成熟B淋巴细胞的过程中才出现免疫球蛋白基因的体细胞重排。发生两次重排，先是重链基因的V-D-J重排和轻链基因的V-J重排，(均发生在特异位点上，)抗体重链和轻链基因重排后转录成初级mRNA前体，经加工修饰产生成熟mRNA并翻译成免疫球蛋白;第二次重排发生在成熟B细胞经抗原刺激后，这次重排出现重链基因改变恒定区，(即类型转换，)其抗原特异性不变。B细胞分化至此称为浆细胞，可以分泌大量抗体。淋巴细胞在繁殖过程中还发生体细胞突变，以增加抗体的多样性。 T淋巴细胞的基因重排与抗体基因重排十分相似，也存在β和y链的V-D-J连接和α链与σ链的V-J连接。推测抗体和T细胞受体由转座子演变而来。
    • 单个B淋巴细胞只产生一种抗体基因，因此是单特异性的。(由于B淋巴细胞是二倍体，因而H链、k链和λ链都有两个等位基因家族，然而)重排表现为等位基因排斥(allelic exclusion)，即两个等位基因中只发生一个等位基因重排。轻链基因重排还表现出同型性排斥，即k链和λ链基因只有一种轻链基因发生重排。等位排斥和同型性排斥的可能机制为重排基因的产物对未重排基因具有抑制作用。
• 三、转座重组
  • 概述
    • 转座因子( transposable element)是一种可以由染色体的一个位置转移到另外位置的遗传因子，也就是一段可以发生转座的DNA，又称为转座子(transposon)。转座子可导致宿主序列删除、倒位或易位，并且其在基因组中成为"可移动的同源区"，位于不同位点的两个拷贝转座子之间可以发生交互重组，从而造成基因组不同形式的重排。
  • (一)细菌的转座因子
    • 细菌转座子的分类
      • 插入序列(IS)，是最小的转座因子，是简单的转座子，除转座所需基因外不携带任何标记基因，它的存在只能借助插入位点有关基因的失活来判断，或者通过分子杂交和测序来检测。
      • 复杂转座子(Tn)，除转座酶基因外还携带各种标记基因，易于检测其存在。
    • 插入序列
      • 所有插入序列的两端都有反向重复，反向重复为转座酶识别所需(，重复序列有时只是类似，并非完全相同)。当插入序列转座时，宿主靶部位双链被交错切开，经修复后插入序列两侧形成短的正向重复。靶序列通常是任意的，但交错切开的长度，也就是正向重复的长度是固定的，一般为5bp和9bp。只存在于转座子中的插入序列称为类IS因子。
    • 转座子
      • 转座子除编码转座功能有关的基因外还携带抗性或其他标记基因。
      • 转座子按结构分为
        • 组合因子(composite element)，由个别模件组合而成，通常包括两个插入序列作为两臂，中间为标记基因。
        • 复合因子(complex element)，含有转座酶基因(取代插入序列)、解离酶基因以及标记基因，两端为反向重复，不含插入序列。Tn A家族属于这一类型的转座子。
    • 转座过程与效应
      • 根据转座过程是否复制，分类
        • 非复制转座又称保留性转座，转座子从原来位置上切除下来转入新的位置，其两条链均被保留。
        • 复制转座，在形成靶部位与转座子连接中间体后进行复制，使原来位置与新的靶部位各有一个转座子，其一条链是原有的，另一条链是新合成的。复制转座使给体与受体分子连在一起，成为共整合体，通过重组将二者拆开。Tn A家族总是以复制的方式转座。
      • 所有转座子都有在基因组中增加其拷贝数的能力，此过程借助①通过转座过程的复制(复制转座)②从染色体已完成复制的部位转到尚未复制的部位，然后随着染色体而复制。非复制转座的转座因子只能借后一种方式来扩增。
      • 转座因子带有终止子，它的插入将影响到操纵子中其后基因的表达，因而表现出极性，也称方向性。转座因子的存在，往往会引起宿主染色体DNA重组，是基因突变和重排的重要原因。转座因子也可通过其自身或调控因子而影响邻近基因的表达，从而改变宿主的表型。06年真题
  • (二)真核生物的转座因子
    • 真核生物的转座因子与原核生物的转座因子十分相似:①转座依赖于转座酶，转座因子的两端有被转座酶识别的反向重复序列②转座的靶位点是随机的③靶位点交错切开，插入转座因子后经修复形成两侧正向重复序列。
    • 不同点
      • 真核生物细胞内只要存在转座酶，任何具有该酶识别的反向重复末端的片段均可发生转移，而无需由被转移序列自身编码这些酶。
      • 原核生物的转座酶主要作用于产生它的转座因子，表现出顺式显性，真核生物无此特性，这是真核和原核转座因子最明显的区别。
    • 真核生物转座因子通常以非复制方式转座，而且总是只转移到邻近的位置。
    • 由RNA介导的转座子称为逆转座子，它由RNA经逆转录产生cDNA，再插入到染色体DNA中去而成。真核生物基因组中存在数量甚多的逆转座子。