第六章遗传重组

1．简述同源重组的Meselson-Radding模型

根据Meselson-Radding模型，基因的重组以及转换与异源DNA链的形成有密切关系，具体过程分步论述如下：

（1）Holliday中间体的形成：

①切断:同源联会的两个DNA分子中任意的一个出现单链切口，切口可能由某些内切酶产生，也可能由使同源DNA接近并发生联会的蛋白质因子作用导致切口的产生。

②链置换:切口处形成的5'端局部解链，酶系统利用切口处的3'-OH合成新链，填补解链后形成的单链空缺。原有的链被逐步排挤置换出来。

③单链侵入:由链置换产生的单链区段侵入到参与联会的另一条DNA分子因局部解链而产生的单链泡中。局部解链可能是由于某种DNA结合蛋白的作用产生，也可能由DNA的呼吸作用产生。

④环状DNA单链切除:侵入的单链DNA与参与联会的另一条DNA分子中的互补链形成碱基配对，同时把与侵入单链的同源链置换出来，由此产生D形环状结构。D形环状结构的单链区随后被5'→3'外切酶切除降解掉。

⑤链同化:D形环状结构切除中产生的3'-OH断头与侵入单链的5'-P在DNA连接酶的作用下共价连接，形成非对称性异源双链区。异源双链区内往往含有错配碱基，这些错配碱基对面临着细胞内修复系统的修复作用，而修复的结果就有可能造成基因的转换。

⑥异构化:链同化进行过程中，DNA经过一定的扭曲旋转，形成Holliday中间体。 ⑦分支迁移:两条DNA分子之间形成的交叉点可以沿 DNA移动，这一过程叫分支迁移。迁移实际上是两条DNA分子之间交叉的同源单链互相置换的结果，迁移的方向可以朝向DNA分子的任意一端。分支迁移使两条DNA分子中都出现异源双链区，此时称之为对称性异源双链区。异源双链区的修复时间和方式与基因转换的发生与否有密切关系。

Holliday中间体的形成

（2）Holliday中间体的拆分及异源双链区的修复 ①Holliday中间体的拆分

Holliday中间体的形成只完成了重组的一半，由它联系在一起的两条DNA分子必须经过拆分回复到彼此分开的双螺旋分子状态。拆分需要内切酶在交叉点处形成一对缺口，然后以DNA连接酶进行连接。

Holliday中间体可以以两种交替方式进行拆分，拆分点两侧基因或是发生交互重组，或是无重组发生。 ②异源双链区的修复

单链断裂后的侵入以及分支迁移的过程导致了不对称异源区段和对称性异源区段的形成。由于异源区段的修复，发生了基因转换。所谓基因转换就是指由一个基因转变为其相应的等位基因的现象。这一过程与不对称碱基对的修复作用密切相关，不对称碱基对的修复方

式主要有两种，包括减数中修复和减数后修复。不对称碱基对C/T也可以有不同的修复方式，从而表现出不同的分离形式。 2．简述双链断裂修复模型 双链断裂重组模型认为，遗传信息的交换是由双链的断裂所引发的。参与重组的一对DNA分子之一的两条链被核酸内切酶切断，在核酸外切酶作用下扩展为一个缺口，并在(一种或几种)核酸外切酶的作用下产生3'单链黏性末端，这两个3'游离末端中的一个侵人到配对

DNA分子的同源区段，置换出“供体”双螺旋的一个单链而形成一段异源双链DNA，并同时产生一个D环(D-loop)。形成的D环由于利用3'游离末端为引物，在DNA聚合酶的作用下修补合成而扩展。最终D环的长度变得与“受体”染色体的缺口长度相当。当突出的单链到达缺口的另一端时，互补的两条单链退火。此时在缺口的两侧各有一段异源双链DNA，并且此缺口被D环单链DNA

，

所占据。通过以缺口3端为起始的修补合成来恢复缺口外双链的完整性。总的来说，可以通过两次单链DNA的合成而修复缺口。

，

如图所示为双链断裂修复模型 (1)两个DNA分子中一个DNA分子双链断裂，箭头指出5端

，，

发生降解。(2)3端侵人到另一DNA分子中并置换出同源链。(3)DNA聚合酶以3端为引物进

，

行修复直到和5末端连接(黑色箭头)。两个Holliday连接体形成。

两次以合成单链DNA而修复缺口的结果导致了在交换的两个单体之间形成了具有两个重组连接体的分子。也就是有两种Holliday中间体形成。是否发生重组依赖于在拆分时两个Holliday连接体是处于哪种构象（见Holliday中间体的拆分）。

DNA双链断裂引发的重组过程已经在酵母、细菌、噬菌体和低等真核生物的遗传实验中得到证明。因此可以这样认为：通过双链断裂引发重组过程是个普遍存在的机制。

3．简述极化子模型

极化子模型认为：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这样一个区域被称为一个极化子。有时一个极化子就相当于一个基因。

这是由于重组事件的起始阶段只有一条DNA分子中含非对称异源双链区，只是到后来由于异构化和分支迁移才使两条DNA分子上出现了对称性异源双链区。这样，越是靠近优先起始点的遗传标记，其发生基因转换的频率就越高;越是远离该点的标记，其转换频率越低。这就说明基因转变是有极性的。

4．简述细菌的转化的分子机制

转化的过程是供体DNA片段进入受体细胞后，双链DNA解链，只有一条链进入受体细胞和受体染色体发生重组，另一条链被分解掉，因此重组是发生在单链DNA片段和完整的双链DNA之间。供体单链与受体DNA之间结合形成一段异源双链区。如果两者序列不完全一致，则会产生错配核苷酸对，所以转化过程的最后结果取决于错配核苷酸对的校正修复。如果校正时被切除的是异源双链区中的属原供体单链的核苷酸，那么就无重组发生；如果被切除的是属原受体DNA的核苷酸，则发生重组，该细菌的后代细胞全部表现为重组体。如果无校正

修复作用发生，则该细菌经DNA复制和细胞后产生的两个细胞中，一个具有受体的基因型，另一个具有重组体的基因型。但是由于转化试验中所采用的选择条件一般只允许重组体细胞生长，因此在无校正作用时产生的菌落中绝大多数细胞为重组体。

5．子囊菌纲的一种真菌Ascobulus某座位上的一些突变产生浅色子囊孢子，称为a突变体。不同a突变体进行了以下的杂交，可产生具有黑色野生型子囊孢子的子囊，每一个杂交中有这样子囊的基因型如下：

a1×a2 a1×a3 a2×a3

a1 + a1 + a2 + + + a1 + a2 + + a2 + + + + + a2 + a3 + a3

试说明这些结果，a1,a2和a3三个突变位点的可能次序如何? 解答：

实验结果显示：每一孢子对基因型相同，表型相同。a1、a3分别发生基因转变，形成野生型基因，错配碱基对的修复发生于减数时。大量实验表明，大约有一半的子囊发生基因转变的同时伴随两侧遗传标记的重组，而且这种交换经常是位于转变位点的一侧，并常涉及到已经发生转变的那条染色单体。

题中a1、a3均发生基因转变，∴a1、a3距交换位点较近，另根据极化子模型靠近切割点的碱基，越容易出现不对称碱基对，出现修复的概率越高，所以a3更靠近切割位点，因此三个突变位点的顺序从切割位点开始，应为：a3 a1 a2。

6.在E.coli的色氨酸合成酶的蛋白质A的某一位点（位置223）上观察到下列氨基酸的替换：

Gly

Asp Cys

Ala

试回答下列问题：

a）假定每个氨其酸的替换只是由一个核苷酸的改变引起的，利用遗传密码表，指出什么密码子适合这一系列的变化？

b）你预期哪两种突变型结合能重组形成野生型Gly？ c）哪两个突变结合不能重组形成野生型？

d）上述氨基酸的改变中，哪一个表示碱基转换？哪一个代表碱基颠换？ 解答：

Ala 丙氨酸 Asp天冬氨酸 Gly甘氨酸 Cys半胱氨酸 从遗传密码表中查得上述氨基酸的密码子是： 丙氨酸（Ala） CG-

天冬氨酸（Asp） GAU GAC

甘氨酸（Gly） GG-

半胱氨酸（Cys） UGU UGC

因为甘氨酸密码子为GG- ，所以只要前两个密码子为GG，即可翻译出甘氨酸，遗传密码表中所列为mRNA序列，而重组发生于DNA序列中，所以应该根据mRNA的序列推出DNA序列上的核苷酸顺序，然后进行分析。因此，在这里只考察DNA中第一和第二碱基的重组即可。

Ala × Asp

亲本DNA CGA/GCT × CTA/GAT 或 CGG/GCC × CTG/GAC

子代DNA CTA/GAT CTA/GCT CTG/GAC CGG/GCC

mRNA GAU GCU GAC GCC

Ala × Cys

亲代DNA CGA/GCT × ACA/TGT 或 CGG/GCC × ACG/TGC

子代DNA CCA/GGT AGA/TCT CCG/GGC AGG/TCC

mRNA GGU GGC

Asp × Cys

亲代DNA CTA/GAT × ACA/TGT 或 CTG/GAC × ACG/TGC

子代DNA CCA/GGT ATA/TAT CCG/GGC ATG/TAC

mRNA GGU GGA

所以：Ala×Cys 与 Asp×Cys杂交都可产生野生型Gly