1、 DNA DNA分子的断裂和重新连接导致遗传信息的重新组合，分子的断裂和重新连接导致遗传信息的重新组合，称为重组（称为重组（recombinationrecombination）。重组的产物称为重组）。重组的产物称为重组DNADNA（recombinant DNArecombinant DNA），所有的），所有的DNADNA都是重组都是重组DNADNA。由于重。由于重组，一个组，一个DNADNA分子的遗传信息可以和另一个分子的遗传信息可以和另一个DNADNA分子的遗传分子的遗传信息结合在一起，也可以改变一条信息结合在一起，也可以改变一条DNADNA分子上遗传信息的分子上遗传信息的排列方式。排列
2、方式。DNADNA重组广泛存在于各类生物中，说明重组对重组广泛存在于各类生物中，说明重组对物种生存具有重要意义。通过重组实现基因的重新组合使物种生存具有重要意义。通过重组实现基因的重新组合使物种能够更快地适应环境，加快进化的过程。此外，物种能够更快地适应环境，加快进化的过程。此外，DNADNA重组还参与许多重要的生物学过程，比如重组在重组还参与许多重要的生物学过程，比如重组在DNADNA损伤损伤修复和突变中发挥重要作用。修复和突变中发挥重要作用。第一节：重第一节：重 组组DNADNA重组包括同源重组（重组包括同源重组（homologous recombinationhomologous rec
3、ombination）和位点特异性重组（和位点特异性重组（site-specific recombinationsite-specific recombination）。）。同源重组是更为普遍的一种重组机制，它可以发生在任同源重组是更为普遍的一种重组机制，它可以发生在任何两种具有相同或相似序列之间，涉及到两个何两种具有相同或相似序列之间，涉及到两个DNADNA分子分子在相同区域的断裂和重新连接。位点特异性重组发生在在相同区域的断裂和重新连接。位点特异性重组发生在DNADNA分子特定的序列之间，需要特异性的蛋白质识别并分子特定的序列之间，需要特异性的蛋白质识别并催化特异序列之间的重组。位点特异性
4、重组发生的几率催化特异序列之间的重组。位点特异性重组发生的几率相对较小。相对较小。一、同源重组一、同源重组（homologous recombination）同源重组（同源重组（homologous recombinationhomologous recombination）发生在）发生在两个同源两个同源DNADNA分子之间。真核细胞减数分裂过程中，分子之间。真核细胞减数分裂过程中，同源染色体彼此配对，同源染色体同源染色体彼此配对，同源染色体DNADNA片段发生交片段发生交叉与互换。这是发生在真核生物中的同源重组。叉与互换。这是发生在真核生物中的同源重组。同源重组在接合、转导或转化后外源同源重
5、组在接合、转导或转化后外源DNADNA整合到细整合到细菌基因组中。菌基因组中。Robin HollidayRobin Holliday提出的遗传重组模提出的遗传重组模型是人们从分子水平上认识重组的基础。型是人们从分子水平上认识重组的基础。First Meiotic Interphase(cells contain 4N DNA content)Bivalent sister chromatidsalign with each other,thisact is termed synapsis.Synapsed sister chromatidsare termed a synaptonemal
6、complex)Figure 5-55,page 185两条同源两条同源DNADNA分子彼此并排对齐，相互配对分子彼此并排对齐，相互配对DNADNA中两中两个方向相同的单链在个方向相同的单链在DNADNA内切酶的作用下内切酶的作用下,在相同位在相同位置上同时切开。在切口处置上同时切开。在切口处发生链的交换发生链的交换，形成所谓，形成所谓的的连接分子连接分子（joint moleculejoint molecule），也称），也称HollidayHolliday结结构（构（Holliday structureHolliday structure）。分支点可以发生移动，）。分支点可以发生移动，称为
7、分支迁移（称为分支迁移（branch migrationbranch migration），分支迁移的），分支迁移的结果是在两个结果是在两个DNADNA分子中形成异源双链区分子中形成异源双链区（heteroduplexheteroduplex）。）。1.Holliday model 链交换所形成的连接分子必须进行拆分，才能形成链交换所形成的连接分子必须进行拆分，才能形成两个独立的双链分子。这需要再产生两个切口。反两个独立的双链分子。这需要再产生两个切口。反应结果要看切开的是哪一对链，如果切口发生在当应结果要看切开的是哪一对链，如果切口发生在当初未切的两条链上，那么原来的初未切的两条链上，那么原
8、来的4 4个链就全被切开，个链就全被切开，就会释放出剪接重组就会释放出剪接重组DNA(splice recombinant DNA)DNA(splice recombinant DNA)分子。分子。如果切口发生在当初被切的两条链上，连接分子如果切口发生在当初被切的两条链上，连接分子拆分后将形成补丁重组体（拆分后将形成补丁重组体（patch recombinantpatch recombinant）。）。分开的两个分开的两个DNADNA分子除保留了一段异源双链分子除保留了一段异源双链DNA DNA 外，外，均完整无缺。因此，连接均完整无缺。因此，连接DNADNA分子无论如何拆分，分子无论如何拆分
9、，所形成的两个独立的所形成的两个独立的DNADNA分子总有一段异源双链区，分子总有一段异源双链区，但是异源双链区两侧的重组未必同时发生。但是异源双链区两侧的重组未必同时发生。SynapsedchromatidsRecombinationjointHeteroduplex DNAABBAABABABBAHolliday intermediatesABBAA BA BA BA BEndonucleasesaka.resolvases(e.g.RuvC)Products beforeDNA repairHolliday Intermediate(see Photo inLehninger pg 96
10、2)Termed“patch recombinants”2.Meselson-RaddingMatthew Meselson Matthew Meselson 和和 Charles Radding Charles Radding对对Holliday Holliday 模型进模型进行了修改。行了修改。HollidayHolliday模型要求在两个并排对齐的同源模型要求在两个并排对齐的同源DNADNA分分子的对应位点形成单链切口，子的对应位点形成单链切口，从而产生游离的单链末端。然从而产生游离的单链末端。然而，而，在在Meselson-RaddingMeselson-Radding遗传重组模型中，
11、仅在一个双螺旋遗传重组模型中，仅在一个双螺旋上产生单链切口。利用切口处上产生单链切口。利用切口处3-OH3-OH合成的新链把原有的链合成的新链把原有的链逐步置换出来，使之成为以逐步置换出来，使之成为以55P P为末端的单链区。随后游为末端的单链区。随后游离的离的DNADNA单链侵入另一条单链侵入另一条DNADNA双螺旋中，取代它的同源单链并双螺旋中，取代它的同源单链并与其互补链配对形成异源双链区，被置换的单链形成与其互补链配对形成异源双链区，被置换的单链形成D D环环（D-loopD-loop）。）。D D环单链区随后被切除环单链区随后被切除,两个两个DNADNA分子分子在在DNADNA连接酶
12、连接酶的作用下形成的作用下形成HollidayHolliday交叉。与交叉。与HollidayHolliday不同，此不同，此时只在一条时只在一条DNADNA分子上出现异源双链区。如果发生分子上出现异源双链区。如果发生分支迁移，在两条双螺旋上均出现异源双链区。随分支迁移，在两条双螺旋上均出现异源双链区。随后发生的连接分子的拆解与后发生的连接分子的拆解与HollidayHolliday模型一样。模型一样。3.3.重组的双链断裂模型重组的双链断裂模型 DNA DNA双链断裂（双链断裂（double-stand break,DSBdouble-stand break,DSB）也会）也会引发同源重组。
13、根据该模型，重组时两个彼此配对引发同源重组。根据该模型，重组时两个彼此配对的的DNADNA分子的中的一个发生双链断裂，而另一个保持分子的中的一个发生双链断裂，而另一个保持完整。双链断裂后，在核酸外切酶的作用下，切口完整。双链断裂后，在核酸外切酶的作用下，切口被扩大，并且形成被扩大，并且形成2 2个个33单链末端。其中一个单链单链末端。其中一个单链末端侵入未打开的双螺旋的同源区，并取代其中的末端侵入未打开的双螺旋的同源区，并取代其中的一条链，形成一条链，形成D D环。随着侵入链被环。随着侵入链被DNADNA聚合酶延伸，聚合酶延伸，D D环不断扩大，当环不断扩大，当D D环的长度超过断裂环的长度超
14、过断裂DNADNA分子上被降分子上被降解的区域，解的区域，断裂断裂DNADNA分子的另一分子的另一33单链末端就与单链末端就与D D环的单链区退环的单链区退火，并作为引物被火，并作为引物被DNADNA聚合酶延伸。结果，断裂受体聚合酶延伸。结果，断裂受体DNADNA分子上被降解的区域就以另一分子上被降解的区域就以另一DNADNA分子上的同源区分子上的同源区为模板得到了修复，同时形成两个分支点，分支点会为模板得到了修复，同时形成两个分支点，分支点会沿着沿着DNADNA移动，发生分支迁移。最终移动，发生分支迁移。最终HollidayHolliday结构被结构被拆分，形成两个独立的拆分，形成两个独立的
15、DNADNA分子，从而结束重组事件。分子，从而结束重组事件。同样地，依据拆分同样地，依据拆分HollidayHolliday结构时所剪切的结构时所剪切的DNADNA链，链，可以最终决定可以最终决定DNADNA分子重组位点两侧的基因是否发生分子重组位点两侧的基因是否发生交换。交换。Holliday Holliday 中间体是否真的存在？从细菌和动物细中间体是否真的存在？从细菌和动物细胞中可以分离出正在发生重组的质粒和病毒胞中可以分离出正在发生重组的质粒和病毒DNADNA。从它们的电镜照片上，我们可以发现与从它们的电镜照片上，我们可以发现与HollidayHolliday中中间体类似的交叉和间体类
16、似的交叉和围绕着交叉点旋转形成的围绕着交叉点旋转形成的Holliday异构体异构体。因此，无论重组的起始机制是什。因此，无论重组的起始机制是什么，两个相连的么，两个相连的DNADNA分子之间的交叉点都要发生迁分子之间的交叉点都要发生迁移，并且移，并且HollidayHolliday结构要围绕交叉点发生旋转形成结构要围绕交叉点发生旋转形成异构体。异构体。4.4.大肠杆菌的遗传重组大肠杆菌的遗传重组通过遗传分析，在大肠杆菌细胞中已经发现了通过遗传分析，在大肠杆菌细胞中已经发现了3 3种重种重组途径，即组途径，即RecBCDRecBCD、RecE RecE、RecFRecF途径。以下步骤途径。以下步
17、骤为这为这3 3种途径所共有：（种途径所共有：（1 1）产生一个具有）产生一个具有33OHOH末端的单链末端的单链DNADNA片段；（片段；（2 2）单链）单链DNADNA侵入其同源双侵入其同源双链链DNADNA分子；（分子；（3 3）形成）形成HollidayHolliday中间体，并发生分中间体，并发生分支迁移；（支迁移；（4 4）内切核酸酶对中间体进行切割，连接）内切核酸酶对中间体进行切割，连接后产生重组体；（后产生重组体；（5 5）三种重组途径均需要）三种重组途径均需要RecARecA蛋蛋白。白。与与Meselson-RaddingMeselson-Radding模型一样，细菌中的重组
18、也是由模型一样，细菌中的重组也是由单链切口发动的。然而，在大肠杆菌中引发重组的单单链切口发动的。然而，在大肠杆菌中引发重组的单链末端是链末端是3-OH3-OH末端，而不是末端，而不是5-P5-P末端。在这里我末端。在这里我们主要介绍由们主要介绍由RecBCDRecBCD酶复合体发动的重组途径，这也酶复合体发动的重组途径，这也是大肠杆菌中最重要的重组途径。是大肠杆菌中最重要的重组途径。RecBCDRecBCD具有多种酶活性具有多种酶活性，其主要的酶活性包括：，其主要的酶活性包括：ssDNAssDNA外切酶活性、外切酶活性、dsDNAdsDNA外切酶活性和解旋酶活性。外切酶活性和解旋酶活性。解旋酶
19、能够在解旋酶能够在SSBSSB存在情况下使双链存在情况下使双链DNADNA解螺旋。解螺旋。RecBCDRecBCD与与dsDNAdsDNA的末端结合，然后以大约每秒的末端结合，然后以大约每秒1 000 1 000 bp bp 的速度解开的速度解开DNADNA双链，同时降解解旋产生的双链，同时降解解旋产生的ssDNAssDNA。RecBCDRecBCD对两条单链的降解速度是不一致的，它优先对两条单链的降解速度是不一致的，它优先降解降解33末端链。一个正在被末端链。一个正在被RecBCDRecBCD加工的加工的DNADNA的末的末端会形成一个单链环和一个端会形成一个单链环和一个55端拖尾。端拖尾。
20、RecBCDRecBCD的酶活性受重组热点的酶活性受重组热点ChiChi的调节。的调节。ChiChi位点大肠位点大肠杆菌基因组中的一种不对称的杆菌基因组中的一种不对称的8 bp8 bp核苷酸序列，核苷酸序列，5-5-GCTGGTGG-3GCTGGTGG-3，ChiChi位点能够改变位点能够改变RecBCDRecBCD的酶活性，的酶活性，它是大肠杆菌重组过程的必需组分，是重组的热点。它是大肠杆菌重组过程的必需组分，是重组的热点。一旦一旦RecBCDRecBCD识别出识别出ChiChi序列，序列，RecBCDRecBCD核酸酶活性便发核酸酶活性便发生变化，其生变化，其3535外切酶活性受到抑制，外
21、切酶活性受到抑制，5353外切酶活性被激活，由原来优先降解外切酶活性被激活，由原来优先降解33末端链，改末端链，改变为只降解变为只降解55末端链。但是它的解旋酶活性未受到末端链。但是它的解旋酶活性未受到影响。影响。RecBCD RecBCD酶活性变化的结果是产生酶活性变化的结果是产生33末端带有末端带有ChiChi位点的位点的ssDNAssDNA。单链的侵入（单链的侵入（strand invasionstrand invasion）由）由RecARecA蛋白介导。蛋白介导。RecARecA是一种单链是一种单链DNADNA结合蛋白，参与大肠杆菌中所有结合蛋白，参与大肠杆菌中所有的同源重组事件。它
22、催化一个双链的同源重组事件。它催化一个双链DNADNA分子的分子的3 3末端末端单链区侵入另一个双链单链区侵入另一个双链DNADNA分子，形成异源双链区，分子，形成异源双链区，同时置换出同源单链，形成同时置换出同源单链，形成HollidayHolliday结构。结构。RecARecA介导的链交换可以分为三个阶段介导的链交换可以分为三个阶段：RecARecA聚集在聚集在ssDNAssDNA上形成丝状结构的联会前阶段；上形成丝状结构的联会前阶段；RecARecAssDNAssDNA丝装结构寻找同源双链丝装结构寻找同源双链DNADNA分子并与之配对的联会阶分子并与之配对的联会阶段，在这一阶段可能形成
23、三股螺旋（段，在这一阶段可能形成三股螺旋（triplextriplex）结构，）结构，入侵的入侵的ssDNAssDNA位于完整螺旋的大沟之中；发生链的交位于完整螺旋的大沟之中；发生链的交换，形成连接分子的阶段，入侵的单链置换出双链换，形成连接分子的阶段，入侵的单链置换出双链中的同源单链，产生一个长的异源双链区。中的同源单链，产生一个长的异源双链区。分支迁移和分支迁移和Holliday中间体的拆分中间体的拆分分支迁移由结合在分支迁移由结合在HollidayHolliday分支点上的分支点上的RuvARuvA和和RuvBRuvB蛋蛋白催化。白催化。RuvARuvA以四聚体的形式识别并结合到以四聚体
24、的形式识别并结合到HollidayHolliday分支点上。分支点上。RuvBRuvB蛋白为催化分支迁移的解旋酶，但蛋白为催化分支迁移的解旋酶，但RuvBRuvB自身不能有效地与自身不能有效地与DNADNA结合，它需要与结合，它需要与RuvARuvA一起一起起作用。起作用。RuvCRuvC蛋白催化断裂反应，切开极性相同的两蛋白催化断裂反应，切开极性相同的两条单链，拆分条单链，拆分Holliday Holliday 中间体。中间体。5.5.真核细胞的同源重组真核细胞的同源重组 发生在减数分裂过程中的同源重组有两方面的重发生在减数分裂过程中的同源重组有两方面的重要作用。一是确保同源染色体能够正确配
25、对，而同要作用。一是确保同源染色体能够正确配对，而同源染色体的联会是生殖细胞形成时染色体数目减半源染色体的联会是生殖细胞形成时染色体数目减半的基础。另外，减数分裂重组也常常引起非姊妹染的基础。另外，减数分裂重组也常常引起非姊妹染色单体之间的交换，结果是亲本色单体之间的交换，结果是亲本DNADNA分子上的等位基分子上的等位基因在下一代发生了重新排列。因在下一代发生了重新排列。减数分裂重组是由染色体减数分裂重组是由染色体DNADNA双链断裂启动的。在双链断裂启动的。在减数分裂的前期减数分裂的前期I I同源染色体开始配对的时候，同源染色体开始配对的时候，Spo11Spo11蛋白在染色体的多个位置上切
26、断蛋白在染色体的多个位置上切断DNADNA。Spo11Spo11的切割位的切割位点在染色体上并非随机分布，而是多分布于染色体上核点在染色体上并非随机分布，而是多分布于染色体上核小体包装疏松的区域。小体包装疏松的区域。Spo11Spo11蛋白由两个亚基组成，每蛋白由两个亚基组成，每个亚基上特异的酪氨酸分别进攻个亚基上特异的酪氨酸分别进攻DNADNA分子两条单链上的分子两条单链上的磷酸二酯键，从而切断磷酸二酯键，从而切断DNADNA，并且在断裂处形成磷酸，并且在断裂处形成磷酸酪酪氨酸连接，所以氨酸连接，所以Spo11Spo11与拓扑异构酶及位点特异性重与拓扑异构酶及位点特异性重组酶具有同样的性质。
27、组酶具有同样的性质。在断裂处，在断裂处，MRXMRX酶复合体利用其酶复合体利用其5353的外切酶的外切酶活性降解活性降解DNADNA，生成，生成33单链末端，其长度通常可达单链末端，其长度通常可达1 1 KbKb或更长。或更长。MRXMRX酶复合体由酶复合体由Mre11Mre11，Rad50Rad50和和Xrs2Xrs2三个亚三个亚基组成，并以三个亚基的首字母命名。基组成，并以三个亚基的首字母命名。MRXMRX酶复合体还酶复合体还被认为能除去与被认为能除去与DNADNA相连的相连的Spo11Spo11。在真核细胞中已经发现了两种与细菌在真核细胞中已经发现了两种与细菌RecARecA蛋白同源蛋白
28、同源的蛋白质：的蛋白质：Rad51Rad51和和Dmc1Dmc1。这两种蛋白质在减数分裂。这两种蛋白质在减数分裂重组中发挥重要作用。重组中发挥重要作用。Rad51Rad51在进行有丝分裂和减数在进行有丝分裂和减数分裂的细胞中广泛表达，而分裂的细胞中广泛表达，而Dmc1Dmc1则仅在细胞进入减数则仅在细胞进入减数分裂时被表达。依赖分裂时被表达。依赖Dmc1Dmc1的重组倾向于发生在非姊妹的重组倾向于发生在非姊妹染色单体之间。减数分裂重组可能是通过促进同源染染色单体之间。减数分裂重组可能是通过促进同源染色体的交联，而帮助待分离的同源染色体间的联会的。色体的交联，而帮助待分离的同源染色体间的联会的。
29、除了鉴定出引起除了鉴定出引起DNADNA双链断裂的双链断裂的Spo11Spo11、生成、生成33单链末端的单链末端的MRXMRX以及介导链交换的蛋白质外，还发现以及介导链交换的蛋白质外，还发现了许多其他的蛋白质参与这一过程，例如，了许多其他的蛋白质参与这一过程，例如，Rad52Rad52和和Mus81Mus81。Rad52Rad52通过抵抗通过抵抗RPARPA的作用而启动的作用而启动Rad51Rad51蛋白丝蛋白丝的组装。因此，的组装。因此，Rad52Rad52与大肠杆菌的与大肠杆菌的RecBCDRecBCD蛋白有相蛋白有相似的活性，似的活性，RecBCDRecBCD蛋白可以帮助蛋白可以帮助R
30、ecARecA结合在原本被结合在原本被SSBSSB所结合的单链所结合的单链DNADNA上，而上，而Mus81Mus81蛋白可能是拆分蛋白可能是拆分HollidayHolliday中间体的酶。中间体的酶。二、位点特异性重组二、位点特异性重组 位点特异性重组是发生在位点特异性重组是发生在DNADNA上特定序列之间的重组，不依上特定序列之间的重组，不依赖于赖于DNADNA顺序的同源性，由能识别特异顺序的同源性，由能识别特异DNADNA序列的蛋白质介导，序列的蛋白质介导，并不需要并不需要RecARecA蛋白和单链蛋白和单链DNADNA。噬菌体噬菌体DNADNA侵入大肠杆菌细胞后，面临着裂解生长和溶原侵
31、入大肠杆菌细胞后，面临着裂解生长和溶原生长的选择。要进入溶原状态，游离的生长的选择。要进入溶原状态，游离的噬菌体噬菌体DNADNA要插入到要插入到宿主的染色体宿主的染色体DNADNA中去，这个过程称为整合（中去，这个过程称为整合（integrationintegration）。）。由溶原生长进入裂解生长，由溶原生长进入裂解生长，DNADNA又必须从宿主染色体上切除又必须从宿主染色体上切除下来，这个过程称为外切（下来，这个过程称为外切（excisionexcision）。这里，整合和外切均）。这里，整合和外切均需要通过细菌需要通过细菌DNADNA和和DNADNA特定位点之间的重组来实现，这些位特
32、定位点之间的重组来实现，这些位点称为点称为attatt位点（位点（attachment siteattachment site）。）。如果受到诱导（如果受到诱导（inductioninduction），原噬菌体将从细菌基因组中切除），原噬菌体将从细菌基因组中切除（excisionexcision）。原噬菌体的切除需要两种噬菌体编码的蛋白质：）。原噬菌体的切除需要两种噬菌体编码的蛋白质：整合酶（整合酶（IntInt）和切除酶（）和切除酶（XisXis），另外还需要几种细菌蛋白，比），另外还需要几种细菌蛋白，比如如IHFIHF和和FisFis。所有这些蛋白质都结合到。所有这些蛋白质都结合到attL
33、attL和和attRattR的的P P和和PP臂上，臂上，而而attLattL和和attRattR中央的核心序列并排对齐排列促进原噬菌体的切除。中央的核心序列并排对齐排列促进原噬菌体的切除。第二节第二节 转转 座座 在生物的基因组中存在一类特殊的在生物的基因组中存在一类特殊的DNADNA序列，它们能够作为序列，它们能够作为独立的单位从基因组的一个位置移动到另一个位置，这种能够独立的单位从基因组的一个位置移动到另一个位置，这种能够改变自身位置的改变自身位置的DNADNA序列被称为转座子（序列被称为转座子（transposonstransposons）。）。所有的转座子都有两个基本特征。首先，转座
34、子的两端为反所有的转座子都有两个基本特征。首先，转座子的两端为反向重复序列（向重复序列（inverted repeatinverted repeat）。第二，转座子至少含有一）。第二，转座子至少含有一个编码转座酶（个编码转座酶（transposasetransposase）的基因。很多转座子还携带有）的基因。很多转座子还携带有与转座不相关的基因，例如抗生素抗性基因、毒性基因等。与转座不相关的基因，例如抗生素抗性基因、毒性基因等。这些基因位于转座子内，随转座子一起从一个这些基因位于转座子内，随转座子一起从一个DNADNA分子移动到分子移动到另一个另一个DNADNA分子，对基因组的进化产生了十分重
35、要的影响。分子，对基因组的进化产生了十分重要的影响。根据转座子的结构及其转座机制，可将其分为根据转座子的结构及其转座机制，可将其分为3 3个家族，即个家族，即DNADNA转座子、类病毒反转录转座子和非病毒反转录转座子。转座子、类病毒反转录转座子和非病毒反转录转座子。DNADNA转座子在转座的过程中一直保持转座子在转座的过程中一直保持DNADNA的形态，后两种反转录转座的形态，后两种反转录转座子的移位都需要一个暂时性的子的移位都需要一个暂时性的RNARNA中间体。中间体。一、一、DNADNA转座子转座子（一）细菌的（一）细菌的DNADNA转座子转座子1.1.插入序列插入序列(insertion
36、sequences,IS)(insertion sequences,IS)插入序列是最简单的转座子。典型的插入序列长插入序列是最简单的转座子。典型的插入序列长7507501500 bp1500 bp，具有，具有101040 bp40 bp长的末端反向重复长的末端反向重复序列。序列。ISIS元件的两个末端并非是十分精确的反向重元件的两个末端并非是十分精确的反向重复序列。复序列。所有的所有的ISIS元件都含有一个编码区，它编码的转座元件都含有一个编码区，它编码的转座酶能识别酶能识别ISIS元件的末端重复序列，为一种介导转元件的末端重复序列，为一种介导转座过程关键蛋白质组分。转座酶对座过程关键蛋白质
37、组分。转座酶对ISIS元件两个边元件两个边界的识别保证了界的识别保证了ISIS元件作为一个整体在基因组中元件作为一个整体在基因组中移动。移动。ISIS元件位于细菌的染色体上，也存在于噬菌体和质粒元件位于细菌的染色体上，也存在于噬菌体和质粒的的DNADNA分子中。在大肠杆菌的染色体中发现了几个拷贝分子中。在大肠杆菌的染色体中发现了几个拷贝的的IS1IS1、IS2IS2和和IS3IS3。F F因子中没有因子中没有IS1IS1，但有一个拷贝的，但有一个拷贝的IS2IS2和两个拷贝的和两个拷贝的IS3IS3。当质粒和染色体上具有相同的。当质粒和染色体上具有相同的ISIS元件时，质粒可以通过同源重组整合
38、到宿主细胞的元件时，质粒可以通过同源重组整合到宿主细胞的染色体上。染色体上。2.复合转座子复合转座子(composite transposon)中心区携带有抗药性标记中心区携带有抗药性标记(Drug marker)(Drug marker)，两侧有，两侧有被称为模块（被称为模块（modulemodule）的）的ISIS元件或类元件或类ISIS元件。元件。每个每个ISIS元件都有以倒转重复序列为末端的一般结元件都有以倒转重复序列为末端的一般结构，所以复合转座子也是以同样的倒转重复序列为构，所以复合转座子也是以同样的倒转重复序列为末端的。有些复合转座子两侧末端的。有些复合转座子两侧ISIS序列是相
39、同的序列是相同的,另另一些例子中，模块高度同源但不相同。与一些例子中，模块高度同源但不相同。与ISIS序列一序列一样，复合转座子的转座也会在靶基因组中产生短的样，复合转座子的转座也会在靶基因组中产生短的正向重复。正向重复。3.Tn3Tn3 Tn3 Tn3代表另一类更为复杂的转座子。这类转座子的代表另一类更为复杂的转座子。这类转座子的两个侧翼序列不是两个侧翼序列不是ISIS或类或类ISIS序列，而是短的倒转重复序列，而是短的倒转重复序列；序列；Tn3Tn3的反向重复序列的长度是的反向重复序列的长度是38bp38bp。在两个倒。在两个倒转重复序列之间有转重复序列之间有3 3个基因。个基因。A ma
40、p of transposon Tn3.(二二)转座的分子机制转座的分子机制 转座子可以通过两种机制进行转座。一种是保守型转座转座子可以通过两种机制进行转座。一种是保守型转座（conservative transpositinconservative transpositin），一种是复制型转座），一种是复制型转座（replicative transpositionreplicative transposition）。在保守型转座中，转座元）。在保守型转座中，转座元件从供体位点上切除，然后插到靶位点上，因此这个机制又叫件从供体位点上切除，然后插到靶位点上，因此这个机制又叫做剪切粘贴转座（做剪切
41、粘贴转座（cut-and-paste transpositioncut-and-paste transposition）。在复）。在复制型转座中，转座子被复制，转座的制型转座中，转座子被复制，转座的DNADNA序列是原座因子的一序列是原座因子的一个拷贝，而不是它本身。因此，复制型转座伴随着转座子拷贝个拷贝，而不是它本身。因此，复制型转座伴随着转座子拷贝数的增加。数的增加。1.1.保守转座保守转座 某些细菌转座子，包括很多某些细菌转座子，包括很多ISIS元件和复合转座子，都元件和复合转座子，都是通过一种称为剪切粘贴机制进行转座的。这种相是通过一种称为剪切粘贴机制进行转座的。这种相对简单的机制是一
42、个保守的过程，即只有靶序列被复对简单的机制是一个保守的过程，即只有靶序列被复制，而原始的转座子则不发生复制。制，而原始的转座子则不发生复制。2.2.复制型转座复制型转座 进行复制型转座的转座子除了具有编码转座酶的进行复制型转座的转座子除了具有编码转座酶的基因外，还具有编码解离酶（基因外，还具有编码解离酶（resolvaseresolvase）的基因）的基因以及解离酶的作用位点，即内部解离位点以及解离酶的作用位点，即内部解离位点（internal resolution site,IRSinternal resolution site,IRS）。）。（三）转座频率的调控（三）转座频率的调控 转座频
43、率的调节对于转座子来说十分重要，一个转转座频率的调节对于转座子来说十分重要，一个转座子必须能维持一个最低转座频率才能存活，若频率座子必须能维持一个最低转座频率才能存活，若频率太高会损伤宿主细胞。因此，每个转座子都有调控其太高会损伤宿主细胞。因此，每个转座子都有调控其转座频率的机制。转座频率的机制。转座酶在转座过程中发挥着关键作用，一些转座子，转座酶在转座过程中发挥着关键作用，一些转座子，比如比如Tn10Tn10，可以通过控制转座酶的合成调控转座发生，可以通过控制转座酶的合成调控转座发生的频率。的频率。限制转座子转座频率的第二个途径是把转座过程局限制转座子转座频率的第二个途径是把转座过程局限在细
44、胞周期的某一特定阶段。限在细胞周期的某一特定阶段。Tn10Tn10的两个末端反向的两个末端反向重复序列，以及转座酶基因的启动子中各有一个重复序列，以及转座酶基因的启动子中各有一个GATCGATC位点。我们知道，新合成的位点。我们知道，新合成的DNADNA分子的分子的GATCGATC位点是半位点是半甲基化的。甲基化的。RNARNA聚合酶和转座酶与半甲基化序列的结聚合酶和转座酶与半甲基化序列的结合能力要比与完全甲基化序列的结合能力强。所以，合能力要比与完全甲基化序列的结合能力强。所以，半甲基化的半甲基化的DNADNA不但能够激活不但能够激活Tn10Tn10的转座酶基因的启的转座酶基因的启动子，还能
45、够增强转座子末端的活性。结果，在动子，还能够增强转座子末端的活性。结果，在DNADNA复制后的短暂期间，复制后的短暂期间，Tn10Tn10更容易发生转座。更容易发生转座。(四)真核生物DNA转座子 1.1.玉米的控制因子（玉米的控制因子（controlling element)controlling element)基因型为基因型为c/cc/c的玉米植株结白色的籽粒，而基因型的玉米植株结白色的籽粒，而基因型为为C/_C/_的植株结紫色籽粒。如果基因型为的植株结紫色籽粒。如果基因型为c/cc/c的籽粒发的籽粒发育的某个阶段，一个细胞的育的某个阶段，一个细胞的c c基因回复突变为基因回复突变为C
46、C，细胞，细胞将产生紫色素，最终在白色籽粒上形成一个紫色斑点。将产生紫色素，最终在白色籽粒上形成一个紫色斑点。在籽粒发育的过程中，如果回复突变发生得越早，紫在籽粒发育的过程中，如果回复突变发生得越早，紫色斑点就越大。色斑点就越大。McClintock McClintock认为原来的认为原来的c c突变是由一个突变是由一个“可移动可移动的控制因子的控制因子”（现在称转座子）引起的，称为（现在称转座子）引起的，称为DsDs，即解离因子（即解离因子（dissociatordissociator）。它可以插入到）。它可以插入到C C基因基因中。另一个可移动的控制因子是中。另一个可移动的控制因子是AcA
47、c，称激活因子，称激活因子（activatoractivator），它的存在能够激活），它的存在能够激活DsDs转座进入转座进入C C基基因或其它基因，也能使因或其它基因，也能使DsDs从基因中转出，使得突变从基因中转出，使得突变基因回复突变成野生型基因，这就是著名的基因回复突变成野生型基因，这就是著名的Ac-DsAc-Ds系统。系统。在在Ac-DsAc-Ds系统中，系统中，AcAc为自主转座子为自主转座子。自主性转座子。自主性转座子本身具有能够编码转座酶的基因，可以自主转座。本身具有能够编码转座酶的基因，可以自主转座。AcAc全长全长4 4，563 bp563 bp，两端是长，两端是长11
48、bp11 bp的反向重复序列。的反向重复序列。AcAc具有一个转录单元，产生一个具有一个转录单元，产生一个3.5 kb mRNA3.5 kb mRNA，编，编码一个由码一个由807807个氨基酸残基组成的转座酶。个氨基酸残基组成的转座酶。AcAc转座转座会产生会产生8 bp8 bp靶序列重复。靶序列重复。2.果蝇中的P因子 P P因子是果蝇中的转座子。与细菌中的插入序列相因子是果蝇中的转座子。与细菌中的插入序列相似，似，P P因子的两端为因子的两端为31 bp31 bp的反向重复序列，的反向重复序列，P P因子因子转座也会导致靶转座也会导致靶DNADNA复制产生复制产生8 bp8 bp正向重复
49、序列。正向重复序列。完整的完整的P P因子的长度是因子的长度是2,907 bp2,907 bp，其中央区编码的，其中央区编码的转座酶为细菌转座酶为细菌ISIS序列转座酶的类似物，因此，完整的序列转座酶的类似物，因此，完整的P P因子能够自主转座。因子能够自主转座。P P因子的转座属于因子的转座属于保守型转座保守型转座，能引起原能引起原P P位点断裂。带有内部缺失的位点断裂。带有内部缺失的P P因子经常出现。因子经常出现。在某些较短的在某些较短的P P因子失去了产生转座酶的能力，因此因子失去了产生转座酶的能力，因此不能自主转座，但可以被完整不能自主转座，但可以被完整P P因子编码的酶反式激因子编
50、码的酶反式激活。活。二、反转录转座二、反转录转座已研究过的所有真核生物，从酵母到人类，都含有反转录转已研究过的所有真核生物，从酵母到人类，都含有反转录转座子（座子（retrotransposonsretrotransposons）。反转录转座子是一类通过）。反转录转座子是一类通过DNA-DNA-RNA-DNARNA-DNA方式进行转座的可移动因子，即转座子转录产生相应方式进行转座的可移动因子，即转座子转录产生相应的的RNARNA，再经逆转录生成新的转座子，再经逆转录生成新的转座子DNADNA并整合到基因组中。并整合到基因组中。在整个人类基因组中广泛散布着反转录转座子，它在整个人类基因组中广泛散
