遗传学：6 真核生物的遗传分析

u真核生物基因组真核生物基因组u真菌类的四分子分析与作图真菌类的四分子分析与作图u真核生物重组的分子机制真核生物重组的分子机制u异常分离与基因转变异常分离与基因转变u体细胞交换与基因定位体细胞交换与基因定位u体细胞融合与基因定位体细胞融合与基因定位u真核生物基因的删除、扩增与重排真核生物基因的删除、扩增与重排6 真核生物的遗传分析真核生物的遗传分析GenomeGenome基因组基因组Tetrad analysisTetrad analysis四分子分析四分子分析Holliday modelHolliday modelHollidayHolliday模型模型Gene conversionGene conversion基因转变基因转变Somatic crossing overSomatic crossing over体细胞交换体细胞交换u真核生物基因组真核生物基因组p一个物种单倍体的染色体数一个物种单倍体的染色体数目及其所携带的全部基因目及其所携带的全部基因p一个物种单倍体基因组所含一个物种单倍体基因组所含DNA总量称为总量称为C值值(C-value)n每种生物各有其相对恒定的每种生物各有其相对恒定的C值值n不同物种的不同物种的C值之间有很大差别值之间有很大差别n能营独立生活的最小的生物能营独立生活的最小的生物支原体支原体(Mycoplasma)的的C值不到值不到106 bpn一些显花植物和两栖类动物的一些显花植物和两栖类动物的C值则可值则可多达多达1011 bpn相差相差10万倍万倍p在一些低等生物中，随在一些低等生物中，随着生物进化，增加了生着生物进化，增加了生物体的结构和功能的复物体的结构和功能的复杂性，基因组也相应地杂性，基因组也相应地增大，即增大，即C值值。如蠕虫。如蠕虫的的C值大于霉菌、藻类、值大于霉菌、藻类、真菌、细菌和支原体真菌、细菌和支原体p随着进一步的进化，在随着进一步的进化，在其他生物中则看不到这其他生物中则看不到这种规律种规律C C值同生物的进化有什么关系值同生物的进化有什么关系? ?n显花植物和两栖类动物显花植物和两栖类动物的基因组最大的基因组最大n两栖类动物两栖类动物C值，小的值，小的109 bp，大的，大的1011 bpn软骨鱼、硬骨鱼甚至昆软骨鱼、硬骨鱼甚至昆虫和软体动物的基因组都虫和软体动物的基因组都大于包括人类（大于包括人类（109）在）在内的哺乳动物的基因组内的哺乳动物的基因组n爬行类和棘皮动物的基爬行类和棘皮动物的基因组大小同哺乳动物几乎因组大小同哺乳动物几乎相等相等C值悖理值悖理(Cvalue paradox)pC C值悖理值悖理：生物基因组的大小或：生物基因组的大小或C C值同生物在值同生物在进化上所处的地位及复杂性之间无严格的对应进化上所处的地位及复杂性之间无严格的对应关系的现象关系的现象p解释解释：n基因组的部分或完全加倍基因组的部分或完全加倍n转座转座n反转录已加工假基因反转录已加工假基因nDNA DNA 复制滑动复制滑动n不等交换和不等交换和DNADNA扩增扩增n过量非编码过量非编码DNADNA被清除的速率不同被清除的速率不同N值悖理值悖理(N value paradox)pN值悖理值悖理：物种的基因数目与生物进化程度或生物复杂性的不对应性：物种的基因数目与生物进化程度或生物复杂性的不对应性n啤酒酵母啤酒酵母 12 Mb6000个基因个基因n线虫线虫97 Mb19000个基因个基因n果蝇果蝇120 Mb13600个基因个基因n水稻水稻389 Mb37544个基因个基因n人人3300 Mb25000个基因个基因p果蝇基因组比线虫基因组大，进化地位比线虫高，而编码基因反而果蝇基因组比线虫基因组大，进化地位比线虫高，而编码基因反而比线虫少比线虫少p人的基因组应该是最复杂的，人的进化地位最高，但编码的基因还人的基因组应该是最复杂的，人的进化地位最高，但编码的基因还没有水稻基因组编码的基因多没有水稻基因组编码的基因多p显然，要理解每一个物种发育、代谢、生长、繁殖、行为等等的本显然，要理解每一个物种发育、代谢、生长、繁殖、行为等等的本质，仅用基因组的序列测定的结果是不能直接地回答这些问题的质，仅用基因组的序列测定的结果是不能直接地回答这些问题的p解释：解释：n可变剪切可变剪切 重复基因重复基因 结构域数目结构域数目真核生物基因组真核生物基因组DNADNA序列的复杂度序列的复杂度p真核生物基因组真核生物基因组DNA C值和值和N值悖理现象都表值悖理现象都表明其明其DNA序列的复杂度序列的复杂度p可通过复性动力学来检测基因组可通过复性动力学来检测基因组DNA序列的复序列的复杂性杂性n通过通过DNA变性和复性反应动力学分析变性和复性反应动力学分析DNAn复性速率取决于互补复性速率取决于互补DNA序列之间的随机碰序列之间的随机碰撞，所以撞，所以DNA复性是一个双分子二级反应复性是一个双分子二级反应n单链复性速率：单链复性速率：d dC C/ /d dt t=-=-kCkC2 2 C C：单链：单链DNADNA浓度，浓度，t t：时间，：时间，k k：复性：复性常数常数nC C0 0t t函数：函数：C C/ /C C0 0=1/(1+=1/(1+kCkC0 0t t) )n50%50%单链复性时，单链复性时，C C/ /C C0 0= =，则：则：C C0 0t t=1/=1/k kn单拷贝基因，基因组愈大，复杂性单拷贝基因，基因组愈大，复杂性( (即：即：DNADNA长度长度) )愈大，愈大，k k愈愈小，小， C C0 0t t愈大，愈大，即即C C0 0t t与非重复序列基因组大小呈正比与非重复序列基因组大小呈正比p整个基因组：整个基因组：7.8108 bpA: 25% C0t= 0.0013B: 30% C0t= 1.9C: 45% C0t= 630 以上数值是从复性动力学曲线上查得。以上数值是从复性动力学曲线上查得。 求求A、B、C的复杂性和各自的重复频率？的复杂性和各自的重复频率？pC0t A = 0.001325% = 0.000325 B = C = pDNA复杂性复杂性 A= 4.21060.000325/4 = 340 bpB = C = p重复频率重复频率 A= 7.810825% /340 = 5105B = C = E. coli C0t= 4.0n C0t除与基因组大小正比外，还与基因组序列的重复次数有除与基因组大小正比外，还与基因组序列的重复次数有关：关： C0t与重复次数与重复次数呈反比呈反比p非重复序列：基因组中只有非重复序列：基因组中只有1313个拷贝个拷贝p中度重复序列：长度约为中度重复序列：长度约为300 bp300 bp，重复约，重复约101010102 2，如假基因，珠蛋白基因；，如假基因，珠蛋白基因；10103 310105 5 ，常以回文方式出现，常以回文方式出现p高度重复序列：长度约为高度重复序列：长度约为6200 bp6200 bp，重复，重复10106 6以上，如卫星以上，如卫星DNADNA真核生物基因组序列分三大类真核生物基因组序列分三大类另一类中度重复序列，重复另一类中度重复序列，重复10103 3-10-105 5，常，常以回文方式出现以回文方式出现卫星卫星DNA(satellite DNA)DNA(satellite DNA)p由重复单位由重复单位510 bp510 bp组成，有的长达组成，有的长达100 bp100 bp，成串排列，成串排列，重复次数重复次数10105 510107 7，一般位于异染色区，可能与染色体，一般位于异染色区，可能与染色体运动有关运动有关p是高等真核生物基因组重复程度最高的成分，由非常是高等真核生物基因组重复程度最高的成分，由非常短的串联多次重复短的串联多次重复DNADNA序列组成序列组成p一般占了基因组一般占了基因组10%10%30%30%。因为它的低复杂性，有时。因为它的低复杂性，有时称为简单序列称为简单序列DNADNA，又因为其不寻常的核苷酸组成，又因为其不寻常的核苷酸组成，它经常在浮力密度梯度离心中从整个基因组它经常在浮力密度梯度离心中从整个基因组DNADNA中分中分离成一个或多个离成一个或多个“卫星卫星”条带，故称为卫星条带，故称为卫星DNADNA卫星卫星DNADNA分布于着丝粒附分布于着丝粒附近的异染色质区，可能与近的异染色质区，可能与染色体的运动有关染色体的运动有关u真菌类的四分子分析与作图真菌类的四分子分析与作图p 四分子四分子(tetrad)(tetrad)n在真菌和单细胞藻类中，单一减数分裂的在真菌和单细胞藻类中，单一减数分裂的4 4个产物（子囊孢子）以个产物（子囊孢子）以特定的方式留在一起，称为四分子特定的方式留在一起，称为四分子n子囊孢子在子囊中的排列顺序与减数分裂中期赤道板上的染色单子囊孢子在子囊中的排列顺序与减数分裂中期赤道板上的染色单体排列顺序一致体排列顺序一致n线性四分子线性四分子(linear tetrad)(linear tetrad)：子囊孢子以线性方式排列的四分子：子囊孢子以线性方式排列的四分子n无序四分子无序四分子(unordered tetrad)(unordered tetrad)：子囊孢子无序排列的四分子：子囊孢子无序排列的四分子p 四分子分析四分子分析(tetrad analysis)(tetrad analysis)n对四分子进行遗传学分析对四分子进行遗传学分析p 八分子八分子(actad)(actad)n减数分裂的四个产物又经一次有丝分裂所生成的八个产物减数分裂的四个产物又经一次有丝分裂所生成的八个产物n八分子是双倍的四分子，对它的分析与对四分子的分析是一样的八分子是双倍的四分子，对它的分析与对四分子的分析是一样的粗糙脉孢菌的生活史粗糙脉孢菌的生活史粗糙脉孢菌减数分裂粗糙脉孢菌减数分裂中等位基因的分离中等位基因的分离粗糙脉胞菌（粗糙脉胞菌（Neurospora crassa）的特点）的特点p是遗传分析的好材料是遗传分析的好材料n个体小，生长快，易于培养，数个体小，生长快，易于培养，数量多量多n它的染色体结构和功能类似于高它的染色体结构和功能类似于高等动植物，且能进行有性生殖等动植物，且能进行有性生殖n是单倍体，没有显隐性的问题，是单倍体，没有显隐性的问题，基因型直接在表现型上反映出来基因型直接在表现型上反映出来n一次只分析一个减数分裂的产物，一次只分析一个减数分裂的产物，手续简便。一般的二倍体生物的手续简便。一般的二倍体生物的合子是父母本两个不同减数分裂合子是父母本两个不同减数分裂产生的孢子相互结合的产物，不产生的孢子相互结合的产物，不易分析，测交的目的就是每次只易分析，测交的目的就是每次只研究一个减数分裂的产物，即配研究一个减数分裂的产物，即配子的比例，但实验手续烦杂，而子的比例，但实验手续烦杂，而且有时还不易做到且有时还不易做到p为线性四分子为线性四分子n可以简单明了地计算出可以简单明了地计算出分离比和重组率分离比和重组率n子囊中子囊孢子的对称子囊中子囊孢子的对称性可用以证明减数分裂性可用以证明减数分裂是一个交互过程是一个交互过程（reciprocal processreciprocal process）n四分子在子囊中的排列四分子在子囊中的排列顺序取决于减数分裂时顺序取决于减数分裂时着丝粒的取向，因此可着丝粒的取向，因此可把着丝粒作为一个座位把着丝粒作为一个座位（locuslocus）计算某一基因）计算某一基因与着丝粒之间的重组率。与着丝粒之间的重组率。这就是这就是着丝粒作图着丝粒作图着丝粒制图着丝粒制图(centromere mapping)p 绘制基因座与着丝粒绘制基因座与着丝粒之间距离的连锁图之间距离的连锁图p 制图原理制图原理：着丝粒与：着丝粒与基因座之间出现与不基因座之间出现与不出现交换所产生的八出现交换所产生的八分子，其等位基因的分子，其等位基因的构型不同，由此即可构型不同，由此即可得出着丝粒与基因座得出着丝粒与基因座间的重组率间的重组率营养缺陷型营养缺陷型p 从野外采集来的脉胞菌能在简单的培养基上生长和繁殖，从野外采集来的脉胞菌能在简单的培养基上生长和繁殖，一般称之为一般称之为野生型或原养型野生型或原养型（prototrophprototroph）p 在实验室中得到的突变型菌株，一定要在培养基中添加某在实验室中得到的突变型菌株，一定要在培养基中添加某一营养物质才能生长，一般称之为一营养物质才能生长，一般称之为营养缺陷型营养缺陷型（auxotrophauxotroph）p 一定要在培养基中添加赖氨酸才能生长，称之为一定要在培养基中添加赖氨酸才能生长，称之为赖氨酸依赖氨酸依赖型赖型（lysine dependentlysine dependent）p 把野生型记作把野生型记作LysLys或或，赖氨酸缺陷型记作，赖氨酸缺陷型记作LysLys或或p LysLys成熟后子囊孢子是成熟后子囊孢子是黑色的黑色的，LysLys是是灰色的灰色的Lys与与Lys杂交杂交p 所得子囊孢子，所得子囊孢子，4 4个是黑色的个是黑色的(+)(+)，4 4个是灰色的个是灰色的(-)(-)p 8 8个子囊孢子可有六个不同的排列方式（子囊型）个子囊孢子可有六个不同的排列方式（子囊型）非交换型非交换型(1) (1) (2) (2) 交换型交换型(3) (3) （(1)(1)的的2 2、3 3对交换）对交换）(4) (4) （(2)(2)的的2 2、3 3对交换）对交换）(5) (5) （(1)(1)的的2 2、4 4对交换）对交换）(6) (6) （(2)(2)的的2 2、4 4对交换）对交换）(1)和和(2)是怎样产生的呢？是怎样产生的呢？p 交换没有发生或发生在着丝粒与交换没有发生或发生在着丝粒与lyslys+ +/ /ys ys座位以外座位以外p 中期中期 I I 时，带有时，带有lyslys+ +的两条染色体移的两条染色体移向一极，带有向一极，带有lyslys的两条染色体移的两条染色体移向另一极。这样，就向另一极。这样，就lyslys+ +/ /lyslys这一这一对基因而言，在第一次分裂时就分对基因而言，在第一次分裂时就分离了，称为第一次分裂分离离了，称为第一次分裂分离p 中期中期 II II 时，着丝粒分裂，每一个染时，着丝粒分裂，每一个染色单体相互分开，两个色单体相互分开，两个lyslys+ +孢子排列孢子排列在一起，两个在一起，两个lyslys孢子排列在一起孢子排列在一起p 再经过一次有丝分裂，形成再经过一次有丝分裂，形成 或或 两种排列方式，着丝粒和基因两种排列方式，着丝粒和基因lyslys+ +/ /lyslys之间未发生过交换，所以之间未发生过交换，所以称为非交换型称为非交换型(3)(6)的形成的形成p 交换发生在着丝粒与基因交换发生在着丝粒与基因lyslys+ +/ /lyslys之间之间p 中期中期 I I 时，分配到每一子核的两条染色时，分配到每一子核的两条染色单体都是一个带有单体都是一个带有lyslys+ +，一个带有，一个带有lyslys，所以第一次分裂没有出现分离现象所以第一次分裂没有出现分离现象p 中期中期 II II 时，才发生分离，所以称为第二时，才发生分离，所以称为第二次分裂分离次分裂分离p 再经过一次有丝分裂形成再经过一次有丝分裂形成4 4个孢子时，排个孢子时，排列顺序是列顺序是 或或 ，这种情况是由于，这种情况是由于lyslys/ / lyslys与着丝粒之间发生了一次交换造成的，与着丝粒之间发生了一次交换造成的，所以所以(3)(6)(3)(6)是交换型是交换型重组率重组率p 在在(3)(6)(3)(6)的的 4 4 种子囊型中，其实种子囊型中，其实只只有两对孢子交换了位置，其余两对有两对孢子交换了位置，其余两对孢子维持原位孢子维持原位p 在在(3)(3)中，第二对与第三对交换了位中，第二对与第三对交换了位置，第一对与第四对维持原位置，第一对与第四对维持原位p 也就是说，也就是说，每发生一次交换，一个每发生一次交换，一个子囊中有半数孢子发生重组子囊中有半数孢子发生重组。所以，。所以，着丝粒与基因间的重组率为：着丝粒与基因间的重组率为：第二次分裂子囊数第二次分裂子囊数子囊总数子囊总数1/21/2100%100%例例p 前两种为非交换型，其频率几近相等，因而前两种为非交换型，其频率几近相等，因而A/aA/a与着丝粒之与着丝粒之间有间有(126+132)/300=86%(126+132)/300=86%无交换。其余的无交换。其余的4242个或个或14%14%为交换型，为交换型，即即A/aA/a与着丝粒之间有与着丝粒之间有14%14%的交换的交换p 14%14%是减数分裂出现交换的细胞百分数，而不是重组染色体是减数分裂出现交换的细胞百分数，而不是重组染色体百分数百分数p 重组百分数是交换细胞百分数的一半重组百分数是交换细胞百分数的一半，因此图距为：，因此图距为：MD = 14/2 = 7 m.u.MD = 14/2 = 7 m.u.无序四分子分析无序四分子分析p 酵母子囊孢子的排列是无序的，不能用上述方法分析酵母子囊孢子的排列是无序的，不能用上述方法分析p 两个基因两个基因a a和和b b，以，以a ba b + + + + 可得三种子囊型可得三种子囊型记住！记住！这些子囊是无序的这些子囊是无序的，虽然，虽然第一列可以看成两基因座的第一列可以看成两基因座的非交换型，但实际上不是非交换型，但实际上不是！孢子可以用任何序列写出。这些！孢子可以用任何序列写出。这些子囊只是根据它们包含子囊只是根据它们包含两种基因型两种基因型(ditype)(ditype)，还是，还是四种基因型四种基因型(tetratype)(tetratype)，以及二型中有无，以及二型中有无亲本组合亲本组合而分为三类：亲本二型，而分为三类：亲本二型，非亲二型和四型非亲二型和四型 连锁基因座连锁基因座a a和和b b间的关系间的关系p 无交换无交换 (no crossovers, NCO)p 一次单交换一次单交换 (a single crossover, SCO)p 双交换双交换 (double crossover, DCO)p 三次或多次交换三次或多次交换也可能出现，但是也可能出现，但是太少，可以忽略太少，可以忽略p NPD只存在于双交换中，只存在于双交换中，NPD的期望频率是的期望频率是DCO/4，所以双交，所以双交换频率为换频率为DCO=4NPDp 在双交换中四型频率在双交换中四型频率T1= 2NPD，在单交换中只有四型在单交换中只有四型T2=SCO，四型总频率为四型总频率为T= T1+T2=2NPD +SCO，所以，所以SCO=T2NPDp NCO = 1 (SCO+DCO)p 每次减数分裂的平均交换数是单每次减数分裂的平均交换数是单交换数与两倍双交换数之和交换数与两倍双交换数之和 = SCO + 2DCO = (T-2NPD) + 2(4NPD) = T + 6NPDp MD = 50 = 50 (T+6NPD)例例p 在在a b + +杂交杂交中，各类子囊的中，各类子囊的频率为：频率为：56% PD，41%T和和3%NPD。求基。求基因座之间的图距因座之间的图距p MD = 50 0.41 + (6 0.03)= 50 0.59= 29.5 m.u.p 重组率的计算重组率的计算n因因NPD子囊全都是子囊全都是重组孢子，重组孢子，T子囊一子囊一半是重组孢子，所半是重组孢子，所以以RF = T/2 + NPD= 0.205 + 0.03= 0.235nMD = 23.5 m.u.p 用用RF估计图距，低估估计图距，低估了了6 m.u.。这是由于。这是由于RF无法校正双交换所无法校正双交换所致致。只有在基因座距。只有在基因座距离较小时方可用离较小时方可用RF作作为图距为图距p 用制图函数求图距用制图函数求图距把重组率代入制图函数把重组率代入制图函数中，求出图距中，求出图距MD = -50 ln(1-2RF) = -50ln0.53 = -50 0.635 = 31.74 m.u.p 该结果大于该结果大于29.5，原，原因是因是用制图函数求图用制图函数求图距时，考虑了多重交距时，考虑了多重交换，使其结果向上偏换，使其结果向上偏离离线性四分子分析和无序四分子分析结合使用线性四分子分析和无序四分子分析结合使用p 无序四分子分析可精确度量基因座之间的距离无序四分子分析可精确度量基因座之间的距离p 线性四分子分析可做着丝粒制图线性四分子分析可做着丝粒制图，也可忽略子囊孢子的排列顺序，按无，也可忽略子囊孢子的排列顺序，按无序四分子分析计算基因座之间的距离序四分子分析计算基因座之间的距离p 无序四分子分析计算基因座之间距离时，考虑三种可能性：无序四分子分析计算基因座之间距离时，考虑三种可能性：(1) 基因座分别在不同染色体上基因座分别在不同染色体上(2) 基因座位于同一条染色体的着丝粒两侧基因座位于同一条染色体的着丝粒两侧(3) 基因座位于同一条染色体的着丝粒同侧基因座位于同一条染色体的着丝粒同侧其中其中(1)和和(2)对于两个基因座来说全都是独立的交换型。而在对于两个基因座来说全都是独立的交换型。而在(3)中，着中，着丝粒与近侧基因座之间出现交换，将在同一子囊中出现两个基因座的交丝粒与近侧基因座之间出现交换，将在同一子囊中出现两个基因座的交换型，由此可以判断基因座之间的连锁关系换型，由此可以判断基因座之间的连锁关系p 在着丝粒制图时，若基因座与着丝粒之间距离较大，也需要在着丝粒制图时，若基因座与着丝粒之间距离较大，也需要用平均交换用平均交换次数次数校正其可能出现的双交换或多交换校正其可能出现的双交换或多交换例：两个连锁基因的作图例：两个连锁基因的作图Neurospora crassaan杂交结果杂交结果 5 1 90 5 90 1808实得子实得子囊囊 数数 TNPD PD T TNPD PD四分子四分子类类 别别分离发分离发生时期生时期四分子四分子基因型基因型次次 序序 子囊型子囊型+ a+ an +n + + +n an a+ + an +n a+ an a+ +n + an + an + +n a+ +n a+ +n a+ an +MIMIMIMIMIMIIMIIMIMIIMIIMIIMIIMIIMII两对基因杂交，如不考虑孢子排列，只考虑两对基因杂交，如不考虑孢子排列，只考虑性状组合时，子囊可以分为性状组合时，子囊可以分为3 3种四分子类型种四分子类型1. 亲二型(parental ditype , PD)，有两种基因型，并与 亲代相同。包括子囊型和2. 非亲二型(non-parental ditype ,NPD)，有两种基因型 都跟亲代不同，是重组型。包括子囊型和3. 四型（tetratype, T），有四种基因型，2种与亲代相 同，2种重组型，包括子囊型、和下图是从染色体交换和重组来理解各类子囊的形成原因下图是从染色体交换和重组来理解各类子囊的形成原因交换类型染色体图象重组四分子类型子囊型无交换四 线双交换单交换0%100%50% an an an a , a , n , n(PD), , na , na(NPD) , a , n , na(T)交换类型染色体图象重组四分子类型子囊型二 线双交换单交换四 线多交换50%0%100% an a , na , , n(T)a , n, a , n(PD), na , , na(NPD) an an an , na , a , n( T )50%三线双交换资料分析：1. 计算nic与着丝粒之间的重组率：%05. 52110005190521765421212总子囊数）（）（）（）（总子囊数总子囊数交换型子囊数M2. 计算ade与着丝粒之间的重组率：%30.9211000519090217653212总子囊数）（）（）（）（总子囊数M3. 判断 nic、ade 基因是独立分配还是连锁。如果两个基因是自由组合的话，则PDNPD =11而实验结果PD=808+90=898，NPD=1+1=2，PD远远大于NPD。说明这两个基因是相互连锁的。5.059.30nicadenicade5.059.30哪一种排列正确呢？如果我们把资料用另一种方式排列，得下表：按照分离时期排列nic / /ade 子囊数MIMIMIIMIIMIMIIMIMII(808+1) 809(90)90(5)5(90+5+1)961000RF(nic)=5.05%RF(ade)=9.30%若n和a各自独立的与着丝粒发生交换的话，则MII的子囊数应为9.30%5.05%1.841事实上：交换发生在着丝粒与ade间，n是MI,a是MII的子囊有90个。交换发生在着丝粒与n间，n是MII ，a是MI的子囊只有5个。比例相差悬殊，所以这两个基因处在着丝粒的同一侧。另从上表可见，在n与着丝粒发生交换时，a基因也一道与着丝粒发生了交换。即n是MII ，a也是MII共计96（=90+1+5)个子囊。同一交换使/n出现MII型分离，也使/a出现MII型分离，101次中有96次，证明n,a在着丝粒的同一侧。%2 . 51000) 11 () 5590(2121)(PDNPDTNPDTanRF着丝粒nicade5.055.210.25 an a n a n 被低估的重组值从下表的分析可以将a间的重组值得到校正子囊型每一子囊被计算为重组子的染色单体数子囊数在所有子囊中被计算为重组子的染色单体数n na an na a234567 0 4 0 0 2 2 2 2 0 2 0 2 2 4 2 2 2 2 19059015 0 4 0 0 180 180 10 10 0 180 0 180 2 4 2 10 10 10总数 202 208 372被低估的重组值%95. 0%1004000372208202u真核生物重组的分子机制真核生物重组的分子机制p同源重组同源重组(homologous recombination)，又称普遍性重组，又称普遍性重组(generalized recombination)p它的发生依赖于较大范围的它的发生依赖于较大范围的DNA同源序列的联会，发生在同源染色同源序列的联会，发生在同源染色体非姊妹染色单体之间，而且染色体或体非姊妹染色单体之间，而且染色体或DNA分子之间相互交换对等分子之间相互交换对等的部分的部分p重组对之间需要序列同源性。参与这一过程的酶重组对之间需要序列同源性。参与这一过程的酶 (如大肠杆菌中的如大肠杆菌中的 RecA)无序列特异性无序列特异性p重组热点：某类序列发生重组的概率高于其他序列重组热点：某类序列发生重组的概率高于其他序列n染色质状态影响重组，如异染色质及其附近区域很少发生重组染色质状态影响重组，如异染色质及其附近区域很少发生重组n同源重组对同源区的长度要求：同源重组对同源区的长度要求：n大肠杆菌，至少要求大肠杆菌，至少要求2040 bp同源序列同源序列n哺乳动物，要求同源序列在哺乳动物，要求同源序列在150 bp以上以上n同源区越长越有利于同源重组同源区越长越有利于同源重组同源重组发生在减数分裂前期同源重组发生在减数分裂前期Holliday模型模型p 同源非姊妹染色单体联会同源非姊妹染色单体联会后，方向相同的两个单链在后，方向相同的两个单链在DNADNA内切酶作用下，在相同内切酶作用下，在相同位置同时切割位置同时切割p 切开的单链交换重接切开的单链交换重接p 在在DNADNA连接酶作用下形成连接酶作用下形成交联桥结构交联桥结构p 分支迁移分支迁移p HollidayHolliday连接体的变形画法连接体的变形画法p 绕交联桥旋转绕交联桥旋转180180，形成，形成HollidayHolliday连接体异构体连接体异构体p 通过两种方式切断单链，通过两种方式切断单链，恢复两个线性恢复两个线性DNADNA分子分子 Holliday模型，又称为双链侵入模型模型，又称为双链侵入模型p因为每一个因为每一个DNADNA分子的一条链侵入到另一个分子的一条链侵入到另一个DNADNA分子中分子中p这个模型要求这个模型要求两个两个DNADNA分子必须几乎同时在同一部位被切断并引发重组分子必须几乎同时在同一部位被切断并引发重组，很好地解释了两个重组很好地解释了两个重组DNADNA分子都是异源双链的现象分子都是异源双链的现象p但不能解释但不能解释当碱基被埋藏在双链当碱基被埋藏在双链DNADNA螺旋内部不能随意与另一个螺旋内部不能随意与另一个DNADNA分子配对时分子配对时是如何重组的是如何重组的p不能解释不能解释两个相似两个相似DNADNA分子在切断前分子在切断前是如何配对而排列在一起的是如何配对而排列在一起的p不能解释不能解释当两个当两个DNADNA分子不被排列在一起时分子不被排列在一起时是如何在同样部位切断的是如何在同样部位切断的p为回答这些问题，为回答这些问题，HollidayHolliday认为在认为在DNADNA分子上存在分子上存在某些特殊位点被重组某些特殊位点被重组酶识别酶识别，但至今没有足够证据证明该位点的存在，相反重组似乎是在整，但至今没有足够证据证明该位点的存在，相反重组似乎是在整个个DNADNA分子的任何部位随机发生分子的任何部位随机发生p该模型尽管存在这些缺陷，但被认为是一个标准模型，以后提出的其它该模型尽管存在这些缺陷，但被认为是一个标准模型，以后提出的其它重组模型都涉及到重组模型都涉及到HollidayHolliday连接体和分支迁移连接体和分支迁移，不同模型之间的区别仅在，不同模型之间的区别仅在HollidayHolliday连接体形成前连接体形成前单链侵入模型单链侵入模型p19751975年年MeslsonMeslson和和RaddingRadding对对HollidayHolliday模型进行了大胆修正模型进行了大胆修正双链断裂修复模型双链断裂修复模型p 同源染色体的一条双链断裂，同源染色体的一条双链断裂，外切酶转化为双链缺口，外切酶转化为双链缺口，具具33末端链的降解慢于具末端链的降解慢于具55末端链末端链，从而产生从而产生33黏性末端黏性末端p 暴露的暴露的3 3 链与同源完整链互链与同源完整链互补配对，双螺旋另一链被替代补配对，双螺旋另一链被替代p 侵入的侵入的33末端通过末端通过DNADNA聚合聚合酶及分支迁移而延伸，产生酶及分支迁移而延伸，产生HollidayHolliday连接体分子连接体分子p 复制复制DNADNA进一步取代起始双进一步取代起始双链断裂处丢失链断裂处丢失DNADNAp Holliday Holliday连接体被特殊的核酸连接体被特殊的核酸酶断裂，产生酶断裂，产生2 2个重组产物个重组产物联会复合体是重组的结果，而不是原因联会复合体是重组的结果，而不是原因p对酵母的研究结果证明，不论是同源重组还是位点专一性重组，对酵母的研究结果证明，不论是同源重组还是位点专一性重组，只有双链断裂才能起始重组只有双链断裂才能起始重组p双链断裂也发生在减数分裂早期，而且是在联会复合体形成之前双链断裂也发生在减数分裂早期，而且是在联会复合体形成之前同源染色体配对与联会复合体同源染色体配对与联会复合体的形成是两个独立的过程的形成是两个独立的过程p突变可以发生在染色体配对或是联会复合突变可以发生在染色体配对或是联会复合体形成的任一过程，并且彼此互不干涉体形成的任一过程，并且彼此互不干涉pZip2Zip2突变型中染色体可以配对，但不能形突变型中染色体可以配对，但不能形成联会复合体成联会复合体，所以同源染色体之间的识，所以同源染色体之间的识别不依赖于重组或是联会复合体的形成别不依赖于重组或是联会复合体的形成p在在rad50rad50突变体中，双链断裂后的突变体中，双链断裂后的55端与端与SpoSpo蛋白相连，只有蛋白相连，只有SpoSpo被移走后，核被移走后，核酸酶才能发挥作用酸酶才能发挥作用p并证明至少有并证明至少有9 9种其他蛋白质共同参与双种其他蛋白质共同参与双链断裂过程，一组蛋白将双链断裂端转变链断裂过程，一组蛋白将双链断裂端转变为为33羟基突出的单链末端；另一组蛋白羟基突出的单链末端；另一组蛋白使单链末端侵入同源双链使单链末端侵入同源双链DNADNA分子分子u异常分离与基因转变异常分离与基因转变p四分子分析中，一对等位基四分子分析中，一对等位基因杂交，形成因杂交，形成6 6种正常分离种正常分离类型：类型：nAAAAaaaaAAAAaaaa或或aaaaAAAAaaaaAAAAnAAaaAAaaAAaaAAaa或或aaAAaaAAaaAAaaAAnAAaaaaaAAAAaaaaaAA或或aaAAAAaaaaAAAAaan两种孢子的比例相等，即两种孢子的比例相等，即A A: :a a4:44:4p有些孢子分离比例异常，如有些孢子分离比例异常，如3: 53: 5、6: 26: 2和异常和异常4: 44: 4分离分离异常分离现象异常分离现象p两个吡哆醇突变株杂交两个吡哆醇突变株杂交: pdxp pdx p585个个F1子囊，子囊，4个与预期不一致个与预期不一致出现了野出现了野生型，但未发现双突变型生型，但未发现双突变型(pdxp dxp)p解释：解释：n不可能是突变，因为频率远比正常突不可能是突变，因为频率远比正常突变率高变率高npdxp分离为异常分离为异常3:1，但紧密连锁的，但紧密连锁的pdx基因却是正常基因却是正常2:2分离，好像是一分离，好像是一个基因转变为它的等位基因，这种现个基因转变为它的等位基因，这种现象称为象称为基因转变基因转变(gene conversion)p染色单体转变染色单体转变(chromatid conversion)，即减数分裂的，即减数分裂的4个产物中有一个产物发生了个产物中有一个产物发生了基因转变，出现基因转变，出现 6 : 2g 或或 2 : 6g 子囊子囊p半染色单体转变半染色单体转变(half-chromatid conversion)，即减数分裂的，即减数分裂的4个产物中，个产物中，有有1个产物的一半或两个产物的各一半出现基因转变，因而形成个产物的一半或两个产物的各一半出现基因转变，因而形成5: 3或或3: 5和异常和异常4:4 (即即3:1: 3:1)类型，基因转变只影响半个染色单体分离显然是发类型，基因转变只影响半个染色单体分离显然是发生在减数分裂后的生在减数分裂后的有丝分裂有丝分裂中，所以又称为中，所以又称为减数后分离减数后分离(post meiotic segregation)基因转变类型基因转变类型基因转变机制基因转变机制异源双链区存在着不配对碱基异源双链区存在着不配对碱基异源异源DNADNA不稳定不稳定修复系统识别、切除修复修复系统识别、切除修复杂种分子得到校正杂种分子得到校正一个杂种分子校正为，或校正为g g时的半染色单体转变，分离比为3: 53: 5两个杂种分子都被校正到（或g g）时，修复后出现6 6:2 :2g g（或2 2: 6: 6g g）的异常分离按原来两个亲本的遗传结构进行修复, 4, 4个产物恢复正常配对状态, , 子囊孢子分离正常两个杂种分子均未校正，复制后出现异常的4 4 : : 4 4 g g (或 3:1: 1:33:1: 1:3)分离共转变与极化子共转变与极化子p不仅涉及单个位点，而且涉及染色体区段不仅涉及单个位点，而且涉及染色体区段n子囊中可以发生几个基因同时发生转变的现象，称为子囊中可以发生几个基因同时发生转变的现象，称为共转变共转变(coconversion)。共转变的频率大于独立转变的预期频率，两个基因距离越。共转变的频率大于独立转变的预期频率，两个基因距离越近，共转变频率越大，即在异源双链的同一区域内近，共转变频率越大，即在异源双链的同一区域内沿相同方向沿相同方向同时被修复同时被修复校正的概率越大。校正的概率越大。n导致并发系数大于导致并发系数大于1，即负干涉，即负干涉p不仅专一，而且有方向不仅专一，而且有方向n内切酶首先作用于基因的一端，从起点开始，基因转变频率由高到低形成内切酶首先作用于基因的一端，从起点开始，基因转变频率由高到低形成一个梯度，在染色体上呈现基因转变极化现象的区域称为一个一个梯度，在染色体上呈现基因转变极化现象的区域称为一个极化子极化子（polaron）n有时一个极化子就相当于一个基因有时一个极化子就相当于一个基因u体细胞交换与基因定位体细胞交换与基因定位p异核体异核体：在同一个细胞质中含有两种或多种不同基因型的细胞核的细胞、：在同一个细胞质中含有两种或多种不同基因型的细胞核的细胞、孢子或菌丝体孢子或菌丝体p大量异核体中的核仍保持单倍体状态，但有少数单倍体细胞核融合成为二大量异核体中的核仍保持单倍体状态，但有少数单倍体细胞核融合成为二倍体细胞核或倍体细胞核或合核体合核体(synkaryon)，利用分生孢子颜色突变的遗传标记来鉴，利用分生孢子颜色突变的遗传标记来鉴别一种菌落是二倍体还是异核体别一种菌落是二倍体还是异核体n构巢曲霉野生型构巢曲霉野生型(wy)分生孢子是绿色的分生孢子是绿色的n突变型：黄色分生孢子突变型：黄色分生孢子(wy)、白色分生孢子、白色分生孢子(wy)p由产生黄色孢子的某一营养缺陷型由产生黄色孢子的某一营养缺陷型(ABwy)和产生白色孢子的另一缺和产生白色孢子的另一缺陷型陷型(ABwy)组成的异核体的基因型为：组成的异核体的基因型为：ABwy/ ABwy，二倍体比异核体稳定，但是从大量二倍体分生孢子中也可以得到少数体细二倍体比异核体稳定，但是从大量二倍体分生孢子中也可以得到少数体细胞胞分离子分离子(segregant)重组体和非整倍体或单倍体的总称。在这里产生重组体和非整倍体或单倍体的总称。在这里产生非整倍体或单倍体的过程称为非整倍体或单倍体的过程称为单倍体化单倍体化(haploidization)，产生重组体的，产生重组体的过程称为过程称为体细胞交换体细胞交换(somatic crossing over)单倍体化与体细胞交换单倍体化与体细胞交换体细胞有丝分裂不分离导致表型分离，是产生分离子的途径之一体细胞有丝分裂不分离导致表型分离，是产生分离子的途径之一单倍体化单倍体化是在有丝分裂过程中染色体不分离的结果是在有丝分裂过程中染色体不分离的结果p2n1为三体，常失去一条染色体而成为二倍体为三体，常失去一条染色体而成为二倍体p2n1为单体，生长迟缓，且不稳定，进一步失去其他染色体而成为为单体，生长迟缓，且不稳定，进一步失去其他染色体而成为稳定的单倍体稳定的单倍体单倍体化示意图单倍体化示意图p杂合体细胞在有丝分裂后的子细胞核重建时，发生一条染色体丢杂合体细胞在有丝分裂后的子细胞核重建时，发生一条染色体丢失的现象称为失的现象称为有丝分裂染色体丢失有丝分裂染色体丢失(mitotic chromosome loss)，导致表型分离导致表型分离体细胞交换体细胞交换p构巢曲霉的体细胞在有构巢曲霉的体细胞在有丝分裂过程中，同源染丝分裂过程中，同源染色体间可发生染色体交色体间可发生染色体交换，即体细胞交换换，即体细胞交换p体细胞交换可导致原杂体细胞交换可导致原杂合二倍体的部分基因纯合二倍体的部分基因纯合化，这种现象也称为合化，这种现象也称为有丝分裂交换有丝分裂交换(mitotic (mitotic crossing over)crossing over)杂合二倍体的体细胞交换是产生分离子的第二个途径杂合二倍体的体细胞交换是产生分离子的第二个途径体细胞有丝分裂交换体细胞有丝分裂交换有丝分裂交换与基因定位有丝分裂交换与基因定位p依据体细胞同源染色体依据体细胞同源染色体的交换使得染色体远端的交换使得染色体远端的杂合基因纯合化的规的杂合基因纯合化的规律，来确定基因排列位律，来确定基因排列位置和距离置和距离p离着丝粒愈近的基因纯离着丝粒愈近的基因纯合的机会愈小，愈远的合的机会愈小，愈远的则大，而且着丝粒一端则大，而且着丝粒一端的基因纯合不影响着丝的基因纯合不影响着丝粒另一端基因的纯合粒另一端基因的纯合p上面是有丝分裂数据，下面是减数分裂定位数据，上面是有丝分裂数据，下面是减数分裂定位数据，两者定位数据相差甚远，但二者在顺序上是一致的两者定位数据相差甚远，但二者在顺序上是一致的p有丝分裂重组的频率比减数分裂的频率要低得多，有丝分裂重组的频率比减数分裂的频率要低得多，所以只是辅助分析所以只是辅助分析p体细胞融合体细胞融合p基因增减、重排基因增减、重排机理类似，不重复讲授机理类似，不重复讲授本章思考题本章思考题