第七章
遗传变异的机理 II
重组
第一节 一般同源重组
同源 DNA序列之间的重组称为
一般重组。重组的过程要经历
一个 DNA断裂和重接的过程。
一, 重组的 Holliday模型
11-18
二, 重组过程中的酶
一般性重组中涉及到三个重组基因的作用：
recA,recB,recC。 另外还要单链结合蛋白 SSB
的作用 。
由 recB,C基因编码的蛋白质复合体使
DNA双链的一条链打开缺口, 并使螺旋部分松
开 。 SSB结合到单链区使之稳定, recA的蛋白也
能结合到单链上, 引导双链形成, 使原双链中
相应的单链被置换 。 交叉的移动由 ATP水解来推
动 。 切口由连接酶封口 。
Homologous
DNA
Strand
nicking
exchange
Ligate
nicked
strands
go
on
Cross strand
exchange
structure
重组过程的步骤和酶, (a) 一对 同源双链； (b)由 recB,C
核酸酶在第一对 DNA双链的一条链打开缺口，并使螺旋部
分松开。 SSB结合到单链区使之稳定,recA的蛋白也能结合
到单链上，引导双链形成，使原双链中相应的单链被置换；
(c)另一对 DNA双链的一条链打开缺口并与 第一对 DNA双链
的一条链配对； (d) 切口由连接酶封口； (e) 开始 180o旋转的
结构
(a) (b) (c) (d) (e)
第二节 专一性重组
? 专一性重组指只发生在
特定位置上的重组。
一, 噬菌体的整合作用
λ噬菌体的整合和切割酶能专一性地识别
λDNA和 E.coli染色体上的特定位点, 使 λ与宿主
染色体之间发生重组
λ整合切割酶特异切割 POP’和 BOB’后, 能
在 O区产生一个粘性末端, 在 λ整合酶的作用和
宿主整合因子的参与下, λDNA整合进 E.coli的
染色体中, 为专一性重组 。
BOP,POB,gal
整合和切割酶 λ整合酶，宿主整合因子
λ
BOB,
gal bio
POP,
POP,
λ
Packaging Injection
E.coli DNA attB
attP
E.coli 重组位点
λ重组位点
λDNA
λ整合和切割酶
λ噬菌体
的整合作用
G C T T T T T T A T A C T A A
C G A AA AA A T A T GA T T
P
B
P,
B,
Att的核心区 O
λ整合切割酶特异切割 POP’和 BOB’后，
能在 O区产生一个粘性末端，在 λ整合酶
的作用和宿主整合因子的参与下 λDNA整
合进 E.coli的染色体中
λ整合切割酶
λ整合切割酶
二, 对基因表达具调控作用的重组
利用位置特异性重组控制基因表达：沙门氏
菌的相转变：表面鞭毛有 H1和 H2型 。
由于反向重复区的重组会导致插入序列的
翻转 。 翻转重组的过程大约 1次 /1000次分裂 。
由此造成 H2和 H1基因交替表达, 使 H1和 H2两
种表面鞭毛相转变的频率很高 。
P
IR(L) IR(R)
hin H2 rH1
H2 鞭毛 H1阻遏物
P
H1
HIN H2 rH1
P
P
hin H2 rH1
HIN
蛋白
H1
H1 鞭毛
P
反向重复区的
重组会导致插
入序列的翻转
由此造成 H2
和 H1基因交
替表达。
三, 一般重组与专一性重组的区别
插入式重组,λ噬菌体整合到宿主染色体上和沙门氏菌控制
鞭毛形态的正反方向插入重组涉及遗传因子的加入 。
替换式重组,一般性重组中两个染色体交换了一部分 。
区别,
1,DNA同源部位的大小,λDNA和 E.coli DNA只有附着点 alt
的核心区 O是同源的, 而在一般重组中, 两个染色体是同源的
2,重组部位的大小,一般重组中, 虽然整个染色体同源,
但实际重组部位可大可小, 而特异重组中, 同源部位虽很小,
但重组一律包括整个 λDNA。
第十八章
遗传变异机理 III
转位因子
上世纪三十年代，
玉米遗传学家
Barbara McClintock
在研究中发现了 玉
米籽粒色斑 不稳定
遗传的现象，可能
是一种可转移的遗
传因子。
1948年 McClintock首先确认 和提出了 转座子的
概念，这一重大发现并未引起人们的重视,70
年代后在原核和真核生物中不断发现有转位因
子,
McClintock（
1902-1992）,
1944：美国国
家科学院院士
1945：美国
遗传学会主席
1983,Nobel
Prize, 35年后
将 转位因子的重
大发现归功于她
转位因子的概念,
?转位因子：调控因子, 跳跃基因, 徘徊基因,
运动基因, 转座子等 。 （ transposable elements）
?能从同一染色体的一个位置上转到另一
位置上, 也能转到不同的染色体上 。 转位
后会使那个位置附近的基因活性和结构发
生变化 。
第一节
原核生物的转位因子
一, 插入序列 Insertion sequence（ IS）
是一段 DNA,当 IS出现在一个
基因的中间时会打乱编码顺序或
钝化基因表达 。 有些 IS因子具有
转录转译的终止信号 。
1,IS因子引起的极性突变
IS因子最早在 E.coli的 半乳糖操纵子 (galactose
operon)中发现, 它涉及半乳糖代谢中的三个
基因,
K T E
P
K T E 转录
半乳糖激酶
gal genes
mRNA
转移酶 异构酶 启动基因
最早在有激酶缺陷的 E.coli突变体中发现有 IS因
子, 而且在 gal半乳糖操纵子的各个部位都有发生,
（ 1） 在任何一个激酶缺陷的突变体中, 其突
变位置可以位于 K中, 或位于 T或 E中, 能抑
制激酶基因表达的 T基因突变不会抑制 E的表
达 。 各个突变只能影响到同一操纵子中转
录下游其它结构基因的表达而不影响其
上游基因的表达 —— 极性突变
（ 2） 上述突变体能自发回复为野生型 （ 说明
突变不是由缺失引起 ） ；任何诱变剂不能提
高回复为野生型的频率,
说明不是由缺失, 无义突变, 移码
突变或点突变造成, 实验证明是由
IS因子引起的 。
2,IS因子的物理证据
?λdgal, λ缺陷性半乳糖转导噬菌体
λ噬菌体能经常插入到 E.coli 染色体的 gal操纵子旁,
除了产生正常的 λ外, 有时产生有缺陷的 λ颗粒 λdgal，
在这种颗粒上 λ原有的某些基因已掉在宿主染色体上
,但却带有 gal区段 （ λdefective galactose）
用同样方法得到, * λdgal— —— 带有 gal极性突变
的 λ缺陷性半乳糖转导噬菌体 。
证据,
（ 1） 将 λdgal+和 λdgal— 的 DNA作氯化铯离心后证明 dgal— 的
DNA比 dgal+的 DNA长 。 是由于插入了一大段 DNA引起的 。 在
一个既定位置上的一种插入往往是突然出现的, 是运动着的,
只有当 IS最终位于一个异常位置时, 如在结构基因内部, 才引
起突变 。
（ 2） 分子杂交图,
IS 800nts
λdgal—
λdgal+
3,IS的方向：其插入的方向可以有变化
λdgal+DNA两条链的碱基的组成不同, 会有不同的密度, 可以
分离开 。 来自两个独立的 IS插入突变的 λdgal— 的 DNA经变性分
离后, 两条相同密度的链之间能形成一种异质双链 DNA。
双链 DNA
单链区 单链区
单链区
单链区
由插入序列引起的两个突变的 λdgal—, 其相应
的链可形成异质双链 DNA
异质双链 DNA结构的解释模型
Mutant 1
??
?,?,
H
L
Mutant 2
?,?,
??
H
L
H
H
??
?,?,
结论,IS序列以相反
的方向插入在两个突
变体中 。
二,转座子 （ Transposon)
五十 年代在日本的医院中发现了细菌性痢疾的病原
菌, 它们对许多抗生素具有抗性, 还能转移到其他敏
感痢疾菌中 。 对医学是可怕的, 对遗传学研究是有意
义的, 发现是由抗性质粒引起的 。
转座子是一类具有抗性的可移动的遗传因子，它的
抗性基因两侧具有 IS因子，便于识别和转移。转座子
包括转座子基因和两侧的 IS因子。
转座子结构示意图
A BC X Y Z C,B,A,
A,B,C,X,Y,Z,C B A
转座子基因 IS IS
转座子 (a)
C
A B
C,
B,A,
Y
X Z
IR=2?IS
(b)
变性 前的
双链形式,
插入序列
的方向相
反
变性后经
链内退火
形成的棒
糖结构
第二节 真核生物的转位因子
五十年代, Mc Clintock在研究玉米时发现了转位因子
1,Ds因子：解离因子, 能在玉米基因组
内移动, 它的存在会使染色体上该位置发
生断裂的机会增加, 并由此改变邻近基因
的表达 。 当 Ds因子插入到玉米颗粒色素基
因 C的近旁或中间时, 就不能形成色素,
当 Ds转位离开后, C基因所受的抑制作用
会解除, 玉米又出现色素 。
c sh bz wx Ds+
Ds
Recessive phenotypes appear
C
Sh
Bz
Wx
Ds位置
Ds+ (缺少 Ds因子）
染色体发生断裂
断裂发生后，另一同源染色
体上的隐性基因表达，不能
形成色素
2,Ds因子不稳定, 它受另一调控因子 Ac的影响
?Ac存在,能解除 Ds对色素基因 C
的抑制作用,使 C基因表达, 颗粒出现
色素斑点 ;
?Ac激活因子丢失,Ds趋于稳定,
抑制了 C基因的表达, 玉米颗粒呈无
色
C Sh Ac
Ds Ac
Ac
(a)
(b)
(c)
(d)
玉米调控因子的作用模式,
(a) Ac激活因子的位置不稳定, 在无 Ds转位因子时, C基因不受抑制, 颗
粒呈深色 。
(b) 当 Ds因子插入 C基因时, C的色素表型受到抑制 。
(c) 每当 Ds转位后, C基因又可表达, 颗粒出现斑点 。
(d) 无 Ac激活因子时, Ds能稳定插入到 C基因中, 使颗粒为无色 。
由于 Ds和 Ac两因子频繁转位, 使玉米颗粒上出现散在斑点 。
Corn kernel showing spot of colored aleurone
produced by genetic trasposition involving the Ac-
Ds system
A comparison of the structure of an Ac element with
three Ds elements,all of which have been isolated
and sequenced,
转座位酶基因
谢 谢
同学们！
遗传变异的机理 II
重组
第一节 一般同源重组
同源 DNA序列之间的重组称为
一般重组。重组的过程要经历
一个 DNA断裂和重接的过程。
一, 重组的 Holliday模型
11-18
二, 重组过程中的酶
一般性重组中涉及到三个重组基因的作用：
recA,recB,recC。 另外还要单链结合蛋白 SSB
的作用 。
由 recB,C基因编码的蛋白质复合体使
DNA双链的一条链打开缺口, 并使螺旋部分松
开 。 SSB结合到单链区使之稳定, recA的蛋白也
能结合到单链上, 引导双链形成, 使原双链中
相应的单链被置换 。 交叉的移动由 ATP水解来推
动 。 切口由连接酶封口 。
Homologous
DNA
Strand
nicking
exchange
Ligate
nicked
strands
go
on
Cross strand
exchange
structure
重组过程的步骤和酶, (a) 一对 同源双链； (b)由 recB,C
核酸酶在第一对 DNA双链的一条链打开缺口，并使螺旋部
分松开。 SSB结合到单链区使之稳定,recA的蛋白也能结合
到单链上，引导双链形成，使原双链中相应的单链被置换；
(c)另一对 DNA双链的一条链打开缺口并与 第一对 DNA双链
的一条链配对； (d) 切口由连接酶封口； (e) 开始 180o旋转的
结构
(a) (b) (c) (d) (e)
第二节 专一性重组
? 专一性重组指只发生在
特定位置上的重组。
一, 噬菌体的整合作用
λ噬菌体的整合和切割酶能专一性地识别
λDNA和 E.coli染色体上的特定位点, 使 λ与宿主
染色体之间发生重组
λ整合切割酶特异切割 POP’和 BOB’后, 能
在 O区产生一个粘性末端, 在 λ整合酶的作用和
宿主整合因子的参与下, λDNA整合进 E.coli的
染色体中, 为专一性重组 。
BOP,POB,gal
整合和切割酶 λ整合酶，宿主整合因子
λ
BOB,
gal bio
POP,
POP,
λ
Packaging Injection
E.coli DNA attB
attP
E.coli 重组位点
λ重组位点
λDNA
λ整合和切割酶
λ噬菌体
的整合作用
G C T T T T T T A T A C T A A
C G A AA AA A T A T GA T T
P
B
P,
B,
Att的核心区 O
λ整合切割酶特异切割 POP’和 BOB’后，
能在 O区产生一个粘性末端，在 λ整合酶
的作用和宿主整合因子的参与下 λDNA整
合进 E.coli的染色体中
λ整合切割酶
λ整合切割酶
二, 对基因表达具调控作用的重组
利用位置特异性重组控制基因表达：沙门氏
菌的相转变：表面鞭毛有 H1和 H2型 。
由于反向重复区的重组会导致插入序列的
翻转 。 翻转重组的过程大约 1次 /1000次分裂 。
由此造成 H2和 H1基因交替表达, 使 H1和 H2两
种表面鞭毛相转变的频率很高 。
P
IR(L) IR(R)
hin H2 rH1
H2 鞭毛 H1阻遏物
P
H1
HIN H2 rH1
P
P
hin H2 rH1
HIN
蛋白
H1
H1 鞭毛
P
反向重复区的
重组会导致插
入序列的翻转
由此造成 H2
和 H1基因交
替表达。
三, 一般重组与专一性重组的区别
插入式重组,λ噬菌体整合到宿主染色体上和沙门氏菌控制
鞭毛形态的正反方向插入重组涉及遗传因子的加入 。
替换式重组,一般性重组中两个染色体交换了一部分 。
区别,
1,DNA同源部位的大小,λDNA和 E.coli DNA只有附着点 alt
的核心区 O是同源的, 而在一般重组中, 两个染色体是同源的
2,重组部位的大小,一般重组中, 虽然整个染色体同源,
但实际重组部位可大可小, 而特异重组中, 同源部位虽很小,
但重组一律包括整个 λDNA。
第十八章
遗传变异机理 III
转位因子
上世纪三十年代，
玉米遗传学家
Barbara McClintock
在研究中发现了 玉
米籽粒色斑 不稳定
遗传的现象，可能
是一种可转移的遗
传因子。
1948年 McClintock首先确认 和提出了 转座子的
概念，这一重大发现并未引起人们的重视,70
年代后在原核和真核生物中不断发现有转位因
子,
McClintock（
1902-1992）,
1944：美国国
家科学院院士
1945：美国
遗传学会主席
1983,Nobel
Prize, 35年后
将 转位因子的重
大发现归功于她
转位因子的概念,
?转位因子：调控因子, 跳跃基因, 徘徊基因,
运动基因, 转座子等 。 （ transposable elements）
?能从同一染色体的一个位置上转到另一
位置上, 也能转到不同的染色体上 。 转位
后会使那个位置附近的基因活性和结构发
生变化 。
第一节
原核生物的转位因子
一, 插入序列 Insertion sequence（ IS）
是一段 DNA,当 IS出现在一个
基因的中间时会打乱编码顺序或
钝化基因表达 。 有些 IS因子具有
转录转译的终止信号 。
1,IS因子引起的极性突变
IS因子最早在 E.coli的 半乳糖操纵子 (galactose
operon)中发现, 它涉及半乳糖代谢中的三个
基因,
K T E
P
K T E 转录
半乳糖激酶
gal genes
mRNA
转移酶 异构酶 启动基因
最早在有激酶缺陷的 E.coli突变体中发现有 IS因
子, 而且在 gal半乳糖操纵子的各个部位都有发生,
（ 1） 在任何一个激酶缺陷的突变体中, 其突
变位置可以位于 K中, 或位于 T或 E中, 能抑
制激酶基因表达的 T基因突变不会抑制 E的表
达 。 各个突变只能影响到同一操纵子中转
录下游其它结构基因的表达而不影响其
上游基因的表达 —— 极性突变
（ 2） 上述突变体能自发回复为野生型 （ 说明
突变不是由缺失引起 ） ；任何诱变剂不能提
高回复为野生型的频率,
说明不是由缺失, 无义突变, 移码
突变或点突变造成, 实验证明是由
IS因子引起的 。
2,IS因子的物理证据
?λdgal, λ缺陷性半乳糖转导噬菌体
λ噬菌体能经常插入到 E.coli 染色体的 gal操纵子旁,
除了产生正常的 λ外, 有时产生有缺陷的 λ颗粒 λdgal，
在这种颗粒上 λ原有的某些基因已掉在宿主染色体上
,但却带有 gal区段 （ λdefective galactose）
用同样方法得到, * λdgal— —— 带有 gal极性突变
的 λ缺陷性半乳糖转导噬菌体 。
证据,
（ 1） 将 λdgal+和 λdgal— 的 DNA作氯化铯离心后证明 dgal— 的
DNA比 dgal+的 DNA长 。 是由于插入了一大段 DNA引起的 。 在
一个既定位置上的一种插入往往是突然出现的, 是运动着的,
只有当 IS最终位于一个异常位置时, 如在结构基因内部, 才引
起突变 。
（ 2） 分子杂交图,
IS 800nts
λdgal—
λdgal+
3,IS的方向：其插入的方向可以有变化
λdgal+DNA两条链的碱基的组成不同, 会有不同的密度, 可以
分离开 。 来自两个独立的 IS插入突变的 λdgal— 的 DNA经变性分
离后, 两条相同密度的链之间能形成一种异质双链 DNA。
双链 DNA
单链区 单链区
单链区
单链区
由插入序列引起的两个突变的 λdgal—, 其相应
的链可形成异质双链 DNA
异质双链 DNA结构的解释模型
Mutant 1
??
?,?,
H
L
Mutant 2
?,?,
??
H
L
H
H
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?,?,
结论,IS序列以相反
的方向插入在两个突
变体中 。
二,转座子 （ Transposon)
五十 年代在日本的医院中发现了细菌性痢疾的病原
菌, 它们对许多抗生素具有抗性, 还能转移到其他敏
感痢疾菌中 。 对医学是可怕的, 对遗传学研究是有意
义的, 发现是由抗性质粒引起的 。
转座子是一类具有抗性的可移动的遗传因子，它的
抗性基因两侧具有 IS因子，便于识别和转移。转座子
包括转座子基因和两侧的 IS因子。
转座子结构示意图
A BC X Y Z C,B,A,
A,B,C,X,Y,Z,C B A
转座子基因 IS IS
转座子 (a)
C
A B
C,
B,A,
Y
X Z
IR=2?IS
(b)
变性 前的
双链形式,
插入序列
的方向相
反
变性后经
链内退火
形成的棒
糖结构
第二节 真核生物的转位因子
五十年代, Mc Clintock在研究玉米时发现了转位因子
1,Ds因子：解离因子, 能在玉米基因组
内移动, 它的存在会使染色体上该位置发
生断裂的机会增加, 并由此改变邻近基因
的表达 。 当 Ds因子插入到玉米颗粒色素基
因 C的近旁或中间时, 就不能形成色素,
当 Ds转位离开后, C基因所受的抑制作用
会解除, 玉米又出现色素 。
c sh bz wx Ds+
Ds
Recessive phenotypes appear
C
Sh
Bz
Wx
Ds位置
Ds+ (缺少 Ds因子）
染色体发生断裂
断裂发生后，另一同源染色
体上的隐性基因表达，不能
形成色素
2,Ds因子不稳定, 它受另一调控因子 Ac的影响
?Ac存在,能解除 Ds对色素基因 C
的抑制作用,使 C基因表达, 颗粒出现
色素斑点 ;
?Ac激活因子丢失,Ds趋于稳定,
抑制了 C基因的表达, 玉米颗粒呈无
色
C Sh Ac
Ds Ac
Ac
(a)
(b)
(c)
(d)
玉米调控因子的作用模式,
(a) Ac激活因子的位置不稳定, 在无 Ds转位因子时, C基因不受抑制, 颗
粒呈深色 。
(b) 当 Ds因子插入 C基因时, C的色素表型受到抑制 。
(c) 每当 Ds转位后, C基因又可表达, 颗粒出现斑点 。
(d) 无 Ac激活因子时, Ds能稳定插入到 C基因中, 使颗粒为无色 。
由于 Ds和 Ac两因子频繁转位, 使玉米颗粒上出现散在斑点 。
Corn kernel showing spot of colored aleurone
produced by genetic trasposition involving the Ac-
Ds system
A comparison of the structure of an Ac element with
three Ds elements,all of which have been isolated
and sequenced,
转座位酶基因
谢 谢
同学们！
