第三章 可移动的遗传因子.ppt

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1、第三章第三章 可移动的遗传因子可移动的遗传因子 和染色体外的遗传因子和染色体外的遗传因子主要内容：主要内容：转座子概念及结构特征转座子概念及结构特征(掌握掌握)转座子机制转座子机制(了解了解)质粒的概念及分类质粒的概念及分类(掌握掌握)质粒的质粒的 用途用途(熟悉熟悉)遗传重组的生物学效应遗传重组的生物学效应(了解了解)第一节第一节 转座子转座子一一.转位因子转位因子 转位因子（转位因子（transposable element）即可移动的基因成分（可移动基因，即可移动的基因成分（可移动基因，mobile gene），是指能够在一个），是指能够在一个DNA分分子内部或两上子内部或两上DNA分子

2、之间移动的分子之间移动的DNA片段。在细菌中指在质粒和染色体之间片段。在细菌中指在质粒和染色体之间或在质粒和质粒之间移动的或在质粒和质粒之间移动的DNA片段片段（文献上有时形象地称其为是（文献上有时形象地称其为是跳跃基因跳跃基因，jumping gene）。转位也是）。转位也是DNA重组的重组的一种形式。一种形式。跳跃基因跳跃基因最早由美国冷泉港实验室最早由美国冷泉港实验室（cold spring Harbor Laboratory）的女科学家的女科学家B.MClintock于上个世纪于上个世纪40年代晚期在玉米中首次发现的。年代晚期在玉米中首次发现的。60年代，为年代，为J.A.Shapir

3、c研究大肠杆菌研究大肠杆菌高效突变实验证实。高效突变实验证实。1983年荣获诺年荣获诺贝尔生物学医学奖。贝尔生物学医学奖。（一）转位因子的种类及特征（一）转位因子的种类及特征 细菌的转位因子包插入序列，转座子及细菌的转位因子包插入序列，转座子及可转座的噬菌体。可转座的噬菌体。1.插入序列（插入序列（insertion sequence,IS）TSTranspcsase geneTSIRIRTS target site靶位点靶位点Transposase gene 转位酶转位酶基因基因IR inverted repeated 反向反向（倒转重复顺序）（倒转重复顺序）IS的形体图的形体图插入序列不含

4、有任何宿主基因，它们是细插入序列不含有任何宿主基因，它们是细菌染色体或质粒菌染色体或质粒DNA的正常组成部分，一的正常组成部分，一个细菌细胞常带有少于个细菌细胞常带有少于10个个IS序列。序列。IS序列都是可以独立存在的单元，带有介导序列都是可以独立存在的单元，带有介导自身移动的蛋白。自身移动的蛋白。（1）IS是一类较小的转位因子是一类较小的转位因子，长度约，长度约700-2000bp，按发现顺序，按发现顺序IS1、IS2命名，命名，只携带转移的必需基因，不含有其它偏只携带转移的必需基因，不含有其它偏码蛋白质结构基因，本身没有表型效应。码蛋白质结构基因，本身没有表型效应。（2）IS两侧为反向（

5、倒转）重复顺序两侧为反向（倒转）重复顺序（16-41bp），中间为转位酶基因），中间为转位酶基因，在插入在插入新的位点侧有新的位点侧有3116p顺向重复顺序顺向重复顺序（directw repeated sequencedk）,DR是靶是靶位点序列复制的产物。位点序列复制的产物。（3 3）ISIS到处活动，到处活动，到处活动，到处活动，可以插入到可以插入到可以插入到可以插入到E.coliE.coli染色体的染色体的染色体的染色体的各个位置上，也可以插入到质粒和某些噬菌体各个位置上，也可以插入到质粒和某些噬菌体各个位置上，也可以插入到质粒和某些噬菌体各个位置上，也可以插入到质粒和某些噬菌体基因组

6、上，甚至同一基因不同位点上。这种插基因组上，甚至同一基因不同位点上。这种插基因组上，甚至同一基因不同位点上。这种插基因组上，甚至同一基因不同位点上。这种插入作用可以双向进行，可以是正向，也可以是入作用可以双向进行，可以是正向，也可以是入作用可以双向进行，可以是正向，也可以是入作用可以双向进行，可以是正向，也可以是反向插入反向插入反向插入反向插入ISIS这种移动方式称为转位作用这种移动方式称为转位作用这种移动方式称为转位作用这种移动方式称为转位作用（transpositiontransposition）。）。）。）。（4 4）在一个世代的在一个世代的在一个世代的在一个世代的107107细菌中有细

7、菌中有细菌中有细菌中有1 1次插入。次插入。次插入。次插入。*TRTR（反向倒转重复序列）：（反向倒转重复序列）：（反向倒转重复序列）：（反向倒转重复序列）：GGAAGGTGGAAGGT、ACCTTC ACCTTC CTTCCA CTTCCA、TGGAAGGTGGAAGG*DR*DR（正同向重复序列）：（正同向重复序列）：（正同向重复序列）：（正同向重复序列）：TACGTTACGTTACGTTACGT2.转座子（转座子（transposon,Tn）转座子是存在于染色体转座子是存在于染色体DNA上可自主复上可自主复制和位移的基本单位。制和位移的基本单位。(1)Tn是一类较大的可移动成分，除是一类

8、较大的可移动成分，除mobile gene外，外，尚含有其它基因，尚含有其它基因，如抗药基因等。如抗药基因等。Tn是在研究抗药基因中发现的，由此知道是在研究抗药基因中发现的，由此知道抗药基因可在质粒之间，质粒与染色体之抗药基因可在质粒之间，质粒与染色体之间或质粒与可转座的噬菌体之间来回移动，间或质粒与可转座的噬菌体之间来回移动，Tn的转位原理和的转位原理和Is基本相同，转位频率为基本相同，转位频率为10-310-6/拷贝。拷贝。(2)根据结构特征的不同，根据结构特征的不同，Tn可以分为可以分为2个亚类：个亚类：是一类带有抗药性是一类带有抗药性基因基因(或其他宿主基因或其他宿主基因)的转座子，两

9、侧的转座子，两侧是两个相同或高度同源的是两个相同或高度同源的IS序列，表明序列，表明IS序列插入到某个功能基因两端时就可能序列插入到某个功能基因两端时就可能产生产生复合式转座子复合式转座子。一旦形成复合转座子，一旦形成复合转座子，IS序列就不能再序列就不能再单独移动，因为它们的功能被修饰了。单独移动，因为它们的功能被修饰了。IS1Structural geneIS1 TnA:数个结构基数个结构基因（因（mob、mdr等）十等）十IR组成。组成。TnA家族：没有家族：没有IS序列，体积庞大序列，体积庞大(5000bp以上以上)这类转座子带有这类转座子带有3个基因，中间结构基因编个基因，中间结构基

10、因编码码bata-内酰胺酶，两侧是内酰胺酶，两侧是38bp的倒置重复的倒置重复序列。序列。Structural geneIRIR3.3.可转座的噬菌体（可转座的噬菌体（可转座的噬菌体（可转座的噬菌体（transposable phagetransposable phage）(1)(1)包括包括包括包括MuMu和和和和D108D108两种噬菌体，是一类温和噬两种噬菌体，是一类温和噬两种噬菌体，是一类温和噬两种噬菌体，是一类温和噬菌体菌体菌体菌体*。(2)(2)感染细菌后，可以整合到细菌染色体中，感染细菌后，可以整合到细菌染色体中，感染细菌后，可以整合到细菌染色体中，感染细菌后，可以整合到细菌染色

11、体中，插入位点是随机的（而入插入位点是随机的（而入插入位点是随机的（而入插入位点是随机的（而入phagephage插入位点是专插入位点是专插入位点是专插入位点是专一的），可以插到结构基因内部，引起突变，一的），可以插到结构基因内部，引起突变，一的），可以插到结构基因内部，引起突变，一的），可以插到结构基因内部，引起突变，MuMu即即即即MutatorMutator(突变子突变子突变子突变子)因此得名。因此得名。因此得名。因此得名。(3)(3)插入部位的插入部位的插入部位的插入部位的2 2侧有短的侧有短的侧有短的侧有短的DRDR，插入时，一个，插入时，一个，插入时，一个，插入时，一个拷贝留在原位

12、，新合成的拷贝插入新的部位。拷贝留在原位，新合成的拷贝插入新的部位。拷贝留在原位，新合成的拷贝插入新的部位。拷贝留在原位，新合成的拷贝插入新的部位。(4)(4)和和和和ISIS，TnTn相比，相比，相比，相比，MuMu末端不含末端不含末端不含末端不含IRIR，这是可转，这是可转，这是可转，这是可转座成分的一个例外。座成分的一个例外。座成分的一个例外。座成分的一个例外。(二二二二)转位作用的机理转位作用的机理转位作用的机理转位作用的机理1.1.复制性转位机理复制性转位机理复制性转位机理复制性转位机理共联体生成和解离，靶序列的切割与复制。共联体生成和解离，靶序列的切割与复制。共联体生成和解离，靶序

13、列的切割与复制。共联体生成和解离，靶序列的切割与复制。2.2.非复制型转位作用非复制型转位作用非复制型转位作用非复制型转位作用转位将供体转位将供体转位将供体转位将供体DNADNA转座因子两侧各切断一条单转座因子两侧各切断一条单转座因子两侧各切断一条单转座因子两侧各切断一条单链并与靶序列的两个游离末端连接，链并与靶序列的两个游离末端连接，链并与靶序列的两个游离末端连接，链并与靶序列的两个游离末端连接，随后并没有复制过程，而是由转座酶将供体随后并没有复制过程，而是由转座酶将供体随后并没有复制过程，而是由转座酶将供体随后并没有复制过程，而是由转座酶将供体DNADNA转座因子的另一端也切断，因此在供体

14、转座因子的另一端也切断，因此在供体转座因子的另一端也切断，因此在供体转座因子的另一端也切断，因此在供体DNADNA留下一个致死性缺口。留下一个致死性缺口。留下一个致死性缺口。留下一个致死性缺口。转座子的两条游离单链在靶位点退火接合，转座子的两条游离单链在靶位点退火接合，转座子的两条游离单链在靶位点退火接合，转座子的两条游离单链在靶位点退火接合，DNADNA聚合酶项平缺口。聚合酶项平缺口。聚合酶项平缺口。聚合酶项平缺口。（三）转位的遗传效应（三）转位的遗传效应1.基因重排基因重排 可能产生可能产生1个新的蛋白分子等，个新的蛋白分子等，基因重排是进化的动力。基因重排是进化的动力。2.基因突变基因突

15、变 插入到基因内部，可引起插插入到基因内部，可引起插入失活。入失活。3.插入位点引入新的基因插入位点引入新的基因 如引进抗药基如引进抗药基因。因。4、转座产生的染色体畸变、转座产生的染色体畸变第二节 质粒一、染色体外的遗传物质一、染色体外的遗传物质质粒质粒（一）概念（一）概念 1.质粒（质粒（plasmid）是独立于许多细菌及是独立于许多细菌及某些真核细胞染色体外某些真核细胞染色体外共价闭合环状共价闭合环状的的DNA分子（分子（covalant closed circnlar,cccDNA），），能独立复制能独立复制的最小遗传单位。的最小遗传单位。2.质粒是双链的质粒是双链的DNA分子，大小在

16、分子，大小在1200kb之间，和病毒不同，它们没有衣壳蛋白之间，和病毒不同，它们没有衣壳蛋白（裸（裸DNA）。）。从生化学来说，从生化学来说，除酵母的杀伤质粒除酵母的杀伤质粒（killer plasmid）是）是RNA外，其余质粒外，其余质粒是染色体外的是染色体外的cccDNA分子。分子。从遗传学来说，从遗传学来说，质粒是与宿主染色体有质粒是与宿主染色体有别的复制子别的复制子.在细胞分裂时能恒定传递给在细胞分裂时能恒定传递给子代细胞的子代细胞的独立遗传因子独立遗传因子或或能在胞内寄能在胞内寄生和复制的复制子。生和复制的复制子。3.质粒与宿主细胞的关系质粒与宿主细胞的关系（1）质粒对宿主的生存不

17、是必需的，只质粒对宿主的生存不是必需的，只是是“友好友好”的的“借居借居”宿主细胞中，宿主细胞中，既既不杀伤细胞，对宿主的代谢活动也无影不杀伤细胞，对宿主的代谢活动也无影响，宿主离开质粒照样的生存下去。响，宿主离开质粒照样的生存下去。（2）质粒离开宿主就无法生存，只有依）质粒离开宿主就无法生存，只有依赖宿主细胞的赖宿主细胞的（酶和蛋白质）帮助，才（酶和蛋白质）帮助，才能完成自身的复制（扩增）、转录。能完成自身的复制（扩增）、转录。（3）质粒经常为宿主执行一些适当的遗）质粒经常为宿主执行一些适当的遗传功能，传功能，作为对宿主细胞的补偿（作为对宿主细胞的补偿（“交交房租房租”）。）。（4）质粒赋于

18、宿主各种）质粒赋于宿主各种有利的有利的表型（质表型（质粒编码蛋白质或酶），粒编码蛋白质或酶），使宿主获得生存使宿主获得生存优势，与我们基因工程实验紧密相关的，优势，与我们基因工程实验紧密相关的，如抗生素抗性基因：如抗生素抗性基因：Ampr 酶酶Tetr 膜蛋白膜蛋白4.质粒发现和研究意义质粒发现和研究意义 1）理论意义）理论意义 质粒能够复制、传递和表质粒能够复制、传递和表达遗传信息，从分子遗传学观点来看是达遗传信息，从分子遗传学观点来看是一种有机体，是比病毒更原始的生命形一种有机体，是比病毒更原始的生命形式，式，是生命起源研究的起一块体重要基是生命起源研究的起一块体重要基石。石。2）实践意义

19、）实践意义 是基因工程的重要载体是基因工程的重要载体（vector），能把外源基因），能把外源基因（目的基因）目的基因）送到宿主细胞中去克隆扩增或克隆表达。送到宿主细胞中去克隆扩增或克隆表达。质粒是可以改造的，可以剪切、剪接质粒是可以改造的，可以剪切、剪接的，的，基因工程的重要任务之一就是严格基因工程的重要任务之一就是严格改造质粒的同时，控制质粒不传递，若改造质粒的同时，控制质粒不传递，若一个致癌质粒可以传递就会传到处都是。一个致癌质粒可以传递就会传到处都是。作为基因工程载体的作为基因工程载体的3个特点：个特点：A.都能独立自主的复制；都能独立自主的复制；B.都能便利的加以检测（抗生素抗性）；

20、都能便利的加以检测（抗生素抗性）；C.都能容易引进宿主细胞中去，也易从都能容易引进宿主细胞中去，也易从宿主细胞中分离纯化（提质粒）。宿主细胞中分离纯化（提质粒）。质粒符合上述质粒符合上述3个条件。个条件。基因工程中主要使用人工构建的质粒。基因工程中主要使用人工构建的质粒。（二）质粒的分类（二）质粒的分类 按质粒的复制机理，分为按质粒的复制机理，分为2类类：1）严谨控制型（）严谨控制型（stringent contrd type）(1)拷贝数少，一般拷贝数少，一般10个，分子量大个，分子量大(2)复制受限复制受限(3)这类质粒可以自传递；这类质粒可以自传递；(4)严谨控制机理（低拷贝原因），认为

21、严谨控制机理（低拷贝原因），认为是该质粒可以产生阻逼蛋白，反馈抑制是该质粒可以产生阻逼蛋白，反馈抑制自身自身DNA合成。合成。2）松弛控制型（）松弛控制型（relaxed control type）(1)拷贝数多，拷贝数多，10-200个，分子量小；个，分子量小；(2)复制不受细菌复制不受细菌DNA复制系统限制，复制系统限制，3）分子量小，不具备自传递能力；）分子量小，不具备自传递能力；4）基因工程使用松弛型（高拷贝数质）基因工程使用松弛型（高拷贝数质粒，以获得列多的基因产物。粒，以获得列多的基因产物。（三）质粒的功能（三）质粒的功能 质粒的功能主要通过质粒本身携带的基质粒的功能主要通过质粒本

22、身携带的基因偏码蛋白质表现出来。携带质粒的宿因偏码蛋白质表现出来。携带质粒的宿主细胞可表现出相应表型。主细胞可表现出相应表型。1.性质粒性质粒 即雄性细菌即雄性细菌F质粒，它本身转质粒，它本身转到到F-宿主细胞时，使后者变成宿主细胞时，使后者变成F+，改变，改变宿主细菌性别。宿主细菌性别。2.抗生素抗性抗生素抗性 抗药性（抗药性（R）质粒使细菌）质粒使细菌产生抗生素抗性，这种抗药性抗性基因产生抗生素抗性，这种抗药性抗性基因也可以转移到缺乏这种抗药基因的细菌也可以转移到缺乏这种抗药基因的细菌体内，使之产生抗药性。体内，使之产生抗药性。3.产生毒素的质粒产生毒素的质粒 如如col质粒能产生大肠质粒

23、能产生大肠杆菌素因子（杆菌素因子（colicin），杀死不含该毒素），杀死不含该毒素的亲缘细菌。的亲缘细菌。（四）质粒的基本特性（四）质粒的基本特性 1.自主复制自主复制 复制调控系统由质粒上的复制起点复制调控系统由质粒上的复制起点（ori），质粒的），质粒的rep基因和基因和cop基因组成。基因组成。Rep蛋白启动质粒的复制，蛋白启动质粒的复制，cop基因本基因本身或其表达产物可抑制复制作用，从而身或其表达产物可抑制复制作用，从而控制质的拷贝数。控制质的拷贝数。2.质粒的不相容性质粒的不相容性当某种质粒在宿主细胞内存在时，将阻当某种质粒在宿主细胞内存在时，将阻止其他类质粒进入细胞寄宿。止其他

24、类质粒进入细胞寄宿。不相容性是由于两种质粒中具有类似的不相容性是由于两种质粒中具有类似的阻遏物及质粒阻遏物及质粒DNA随机复制而导致的结随机复制而导致的结果。果。3.质粒的转移性质粒的转移性 在自然条件下，在些质粒可以通过细菌在自然条件下，在些质粒可以通过细菌接合作用在细菌细胞间传递。基因工程接合作用在细菌细胞间传递。基因工程中常用的质粒载体缺乏转移所需的基因中常用的质粒载体缺乏转移所需的基因（mob基因），不能通过接合作用在细基因），不能通过接合作用在细胞间传递，但可采用人工方法转化到细胞间传递，但可采用人工方法转化到细菌细胞中。菌细胞中。4.质粒中的选择性标记质粒中的选择性标记常用的选择性

25、标记是抗生素抗性基因，如：常用的选择性标记是抗生素抗性基因，如：(1)氨苄青霉素氨苄青霉素(2)四环素四环素(3)氯霉素氯霉素 实验中常用的质粒载体有一个或两个抗生素实验中常用的质粒载体有一个或两个抗生素抗性基因。抗性基因。第三节 遗传重组 1、概念：、概念：遗传重组遗传重组(genetic recombination):减数分裂时，通过同源染色体的交换和非同减数分裂时，通过同源染色体的交换和非同源染色体的独立分配，使子代细胞的遗传源染色体的独立分配，使子代细胞的遗传信息产生了重新组合，这种现象称为遗传信息产生了重新组合，这种现象称为遗传重组。重组。2、作用：、作用：(1)遗传重组使有利的和不

26、利的突变分开遗传重组使有利的和不利的突变分开(2)保持遗传的稳定性保持遗传的稳定性3、分类：、分类：根据重组过程中涉及根据重组过程中涉及DNA序列和蛋白质因序列和蛋白质因子的要求不同，可将重组分为子的要求不同，可将重组分为四类：四类：同源重组同源重组 位点特异性重组位点特异性重组 转座作用转座作用 异常重组异常重组一、同源重组一、同源重组(一一)同源重组的产生同源重组的产生 同源重组指发生在两条双链同源重组指发生在两条双链DNA的同源序的同源序列之间，涉及的是大片段同源列之间，涉及的是大片段同源DNA序列的序列的交换。交换。(二二)同源重组的分子机制同源重组的分子机制(三三)同源重组的酶学同源

27、重组的酶学(四四)同源重组的途径同源重组的途径二、位点特异性重组二、位点特异性重组位点特异性重组指不依赖于位点特异性重组指不依赖于位点特异性重组指不依赖于位点特异性重组指不依赖于DNADNA序列的同源性，序列的同源性，序列的同源性，序列的同源性，而依赖于能与某种酶相结合的特异而依赖于能与某种酶相结合的特异而依赖于能与某种酶相结合的特异而依赖于能与某种酶相结合的特异DNADNA序列的重序列的重序列的重序列的重组。组。组。组。这些特异的酶能催化这些特异的酶能催化这些特异的酶能催化这些特异的酶能催化DNADNA链的断裂和重新连接，链的断裂和重新连接，链的断裂和重新连接，链的断裂和重新连接，能发动位点

28、特异性重组作用。能发动位点特异性重组作用。能发动位点特异性重组作用。能发动位点特异性重组作用。区别：区别：(1):同源重组中同源重组中DNA链的断裂可能是随机链的断裂可能是随机的的 而位点特异性重组是在某些特异而位点特异性重组是在某些特异DNA序列序列位点发生重组。位点发生重组。(2)：同源重组后在染色体内的：同源重组后在染色体内的DNA序列一序列一般仍按原来的排列次序，但在位点特异性般仍按原来的排列次序，但在位点特异性重组中重组中DNA节段的相对位置发生了移动，节段的相对位置发生了移动，即即DNA序列发生重排，得到不同序列发生重排，得到不同 的结果。的结果。l l genome integration.Recombination always occurs at exactly the same sequence within two recombination sites,one on the phage DNA,and the other on the bacterial DNA.