课件1-辽宁医学院欢迎您课件.ppt
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1、第三章第三章 可移动的遗传因子(转座子)可移动的遗传因子(转座子)和染色体外遗传因子和染色体外遗传因子 生化教研室生化教研室 肖建英肖建英主要内容主要内容第一节第一节 转转 座座 子子第二节第二节 质质 粒粒第三节第三节 遗传重组遗传重组第一节第一节 转转 座座 子子l 转座子转座子(transposons)概念:概念:在原核生物与真核生物基因组中存在在原核生物与真核生物基因组中存在着可从一个染色体位点转移到另一位点着可从一个染色体位点转移到另一位点的一些的一些DNA序列。序列。转座子是基因组突变的主要因素之一。转座子是基因组突变的主要因素之一。一、转座子的分类和结构特征一、转座子的分类和结构
2、特征(一)原核生物转座子的类型:(一)原核生物转座子的类型:1、插入序列、插入序列(insertion sequences,IS)最简单的转座子。最简单的转座子。二个分离的反向末端重复序列二个分离的反向末端重复序列 (inverted terminal repeats,ITR)一个转座酶(一个转座酶(transposase)编码基因编码基因 IRTransposase GeneIR2、复合转座子复合转座子 类转座子类转座子 由由IS类转座组件构成的复合体。类转座组件构成的复合体。IRIRTransposase Gene有用基有用基因因组成:组成:两端为两端为IS 中间编码抗生素物质中间编码抗生
3、素物质3、复杂转座子、复杂转座子类转座子(类转座子(Tn A家族)家族)携带转座和耐药等基因的独立体家族。携带转座和耐药等基因的独立体家族。组成:两端为组成:两端为ITR,而不是,而不是IS 中间编码区含中间编码区含转座酶编码基因,及转座酶编码基因,及 抗生素抗性和解离酶等编码基因。抗生素抗性和解离酶等编码基因。4、转座噬菌体、转座噬菌体类转座子类转座子(二)真核生物转座子的类型:(二)真核生物转座子的类型:1、酵母菌中的转座子、酵母菌中的转座子Ty因子:因子:2、果蝇中的转座子、果蝇中的转座子P因子、因子、FB因子等:因子等:3、玉米中转座子、玉米中转座子玉米调控元件玉米调控元件4、逆转录转
4、座子、逆转录转座子逆转录病毒、病毒超家族逆转录病毒、病毒超家族 及非病毒超家族。及非病毒超家族。l 转座子的共同特点:转座子的共同特点:两端有反向重复序列两端有反向重复序列 转座后靶位点是正向重复转座后靶位点是正向重复 编码与转座有关的蛋白编码与转座有关的蛋白转座酶转座酶 可以在基因组中移动可以在基因组中移动l 转座机制:转座机制:复制型转座复制型转座非复制型转座非复制型转座保守型转座保守型转座二、转座子机制二、转座子机制(一)转座中复制子融合形成共和体(一)转座中复制子融合形成共和体(cointegrate)一个含有两个质粒的细胞,质粒各有一个转座一个含有两个质粒的细胞,质粒各有一个转座子,
5、两个质粒可以融合在一起形成共和体,这一子,两个质粒可以融合在一起形成共和体,这一过程称过程称复制子融合(复制子融合(replicon fusion)。)。AB共和体共和体(二)转座子的复制过程(二)转座子的复制过程经几个世代经几个世代(三)转座作用模型(三)转座作用模型对称对称模型模型(四)转座作用模型(四)转座作用模型非对称非对称模型模型 三、转座效应三、转座效应1、转座的遗传效应:、转座的遗传效应:转座最典型的作用是引起不稳定的突变等位基因。转座最典型的作用是引起不稳定的突变等位基因。l 转座子导致突变,插入致基因失活是转座最转座子导致突变,插入致基因失活是转座最直接的效应。直接的效应。l
6、 转座也可干扰宿主基因与调控元件之间的关系,转座也可干扰宿主基因与调控元件之间的关系,或改变或改变DNA结构而影响基因表达。结构而影响基因表达。2、精确转座的结构效应:、精确转座的结构效应:转座事件可介导两侧的宿主转座事件可介导两侧的宿主DNA发生一系列发生一系列的基因重排。的基因重排。3、异常转座的效应:、异常转座的效应:异常转座包括:一端转座;异常转座包括:一端转座;部分转座部分转座 隐藏位点转座隐藏位点转座 协同转座协同转座 倒位转座倒位转座4、对宿主细胞活力的影响:、对宿主细胞活力的影响:影响细胞影响细胞DNA代谢,介导基因异常重排。代谢,介导基因异常重排。三种形式:三种形式:修复切割
7、所留下的切口修复切割所留下的切口 转座子内部的重排转座子内部的重排 转座子间的重排转座子间的重排5、转座子作为研究工具:、转座子作为研究工具:主要用于如下研究:主要用于如下研究:基因传送载体基因传送载体 结构重组结构重组 基因表达基因表达 基因突变基因突变 克隆克隆 基因作图基因作图四、原核生物和真核生物的转座子四、原核生物和真核生物的转座子(一)原核生物的转座子(一)原核生物的转座子1、插入序列(、插入序列(IS)与)与类复合转座子类复合转座子 二个分离的反向重复序列(二个分离的反向重复序列(ITR)一个转座酶(一个转座酶(transposase)编码基因编码基因 l 插入序列是最简单的转座
8、子。包括:插入序列是最简单的转座子。包括:l 类复合转座子由耐药性基因和两个相同的类复合转座子由耐药性基因和两个相同的IS组成。组成。ISIS抗生素抗性基因抗生素抗性基因IRIRTransposase Gene有用基有用基因因2、转座子、转座子A家族(家族(Tn A)类复杂转座子类复杂转座子组成:组成:长约长约5kb,两端为,两端为ITR,而不是,而不是IS 中间编码区含中间编码区含转座酶编码基因,及转座酶编码基因,及 抗生素抗性和解离酶等编码基因。抗生素抗性和解离酶等编码基因。u 不是不是IS类转座组件的复合体,而是携带转座类转座组件的复合体,而是携带转座和耐药等基因的独立体。和耐药等基因的
9、独立体。Tn A家族是由许多相关的转座子组成的。如:家族是由许多相关的转座子组成的。如:Tn 3、Tn 1、Tn 501等。等。3、转座噬菌体、转座噬菌体l 转座噬菌体是一种溶菌周期和溶源性交替转座噬菌体是一种溶菌周期和溶源性交替 方式的噬菌体,可诱发大肠杆菌突变。方式的噬菌体,可诱发大肠杆菌突变。u Mu噬菌体:噬菌体:既有温和噬菌体的特性,又有转座子的特性。既有温和噬菌体的特性,又有转座子的特性。噬菌体噬菌体DNA的多个拷贝转座到染色体的多个拷贝转座到染色体DNA的许的许多位点上,最终由这些染色体上的转座单位进行多位点上,最终由这些染色体上的转座单位进行噬菌体包装。噬菌体包装。Mu噬菌体基
10、因组右末端,存在由噬菌体基因组右末端,存在由3kb组成的组成的G片片段,或称可倒位片段。段,或称可倒位片段。G片段在不同的片段在不同的Mu噬菌噬菌体体DNA分子中取向不同。分子中取向不同。G片段携带两种不同基因:片段携带两种不同基因:G()取向时,基因()取向时,基因 S 和和 U 表达;表达;G()取向时,基因()取向时,基因 S和和 U表达。表达。图图 G片段片段 p68(二)真核生物的转座子(二)真核生物的转座子1、酵母菌中的转座子、酵母菌中的转座子Ty因子:因子:Ty因子是一大类转座子,长因子是一大类转座子,长6.3kb,两端各有一段,两端各有一段长长334bp的顺向重复序列,称为的顺
11、向重复序列,称为成分。成分。每个酵母细胞基因组大约有每个酵母细胞基因组大约有3035拷贝的拷贝的Ty因子,因子,有约有约100个独立存在的个独立存在的成分。成分。2、还原病毒与转座子:、还原病毒与转座子:还原病毒为单链还原病毒为单链RNA病毒,基因组病毒,基因组RNA长长710kb,有,有gag、pol、env三种基因。三种基因。还原病毒与转座子有相似性,可能由祖先转座子还原病毒与转座子有相似性,可能由祖先转座子衍生而来。衍生而来。3、非病毒返座子:、非病毒返座子:u 遗传信息的移动是从遗传信息的移动是从DNA到到DNA,这种转移过程称为这种转移过程称为转座(转座(transposition)
12、;);被转移的遗传信息单元称为被转移的遗传信息单元称为转座子(转座子(transposon)u 遗传信息的移动是从遗传信息的移动是从DNA到到RNA再到再到DNA,这种这种RNA介导的转座作用称为介导的转座作用称为返座作用返座作用;被转移的遗传信息单元称为被转移的遗传信息单元称为返座子返座子。u 真核生物的非病毒返座子都起源于真核生物的非病毒返座子都起源于RNA pol和和的转录产物。的转录产物。前者为长散布重复序列,后者为短散布重复序列。前者为长散布重复序列,后者为短散布重复序列。4、玉米调控元件:、玉米调控元件:是真核生物中首先被发现的转座子。是真核生物中首先被发现的转座子。玉米调控元件有
13、几个家族,玉米调控元件有几个家族,每个家族分为两大类:每个家族分为两大类:一类是自发元件,另一类是非自发元件。一类是自发元件,另一类是非自发元件。五、逆转录病毒和逆转录转座子五、逆转录病毒和逆转录转座子 以以RNA介导的转座与逆转录病毒有关,被转移介导的转座与逆转录病毒有关,被转移的因子称为的因子称为逆转录转座子逆转录转座子。逆转录转座子是真核生物转座子的重要类型。逆转录转座子是真核生物转座子的重要类型。n 逆转录病毒与逆转录转座子的区别:逆转录病毒与逆转录转座子的区别:逆转录病毒是具有感染能力的病毒颗粒,可以逆转录病毒是具有感染能力的病毒颗粒,可以在细胞之间转移。在细胞之间转移。逆转录转座子
14、是宿主逆转录转座子是宿主DNA基因组的组分,可以基因组的组分,可以在基因组内转座,但不能在细胞之间转移。在基因组内转座,但不能在细胞之间转移。1、逆转录病毒基因组与逆转录转座子结构、逆转录病毒基因组与逆转录转座子结构(1)逆转录病毒:)逆转录病毒:两条正链两条正链RNA(二倍体)(二倍体)34个基因,由个基因,由gag、pol、env组成。组成。存在两种存在两种mRNA,一种为长的,一种为长的mRNA翻译翻译gag和和pol两种蛋白。两种蛋白。(2)逆转录转座子:)逆转录转座子:与逆转录病毒结构有许多相似之处,包括:与逆转录病毒结构有许多相似之处,包括:同向长末端重复序列、每个重复序列两侧是短
15、同向长末端重复序列、每个重复序列两侧是短反向重复序列、中央区域含反向重复序列、中央区域含gag和和pol的阅读框架。的阅读框架。但但env基因被破坏或没有,故逆转录转座子不能基因被破坏或没有,故逆转录转座子不能形成感染粒子。二者的活性机制是不同的。形成感染粒子。二者的活性机制是不同的。2、逆转录病毒与转座、逆转录病毒与转座u 逆转录产生的线形病毒逆转录产生的线形病毒DNA,由整合酶催化,由整合酶催化 插入宿主靶位点插入宿主靶位点DNA,这一整合过程与转座,这一整合过程与转座 子一样。子一样。病毒病毒DNA的末端相当重要,如发生突变的末端相当重要,如发生突变 则抑制整合。则抑制整合。u 逆转录病
16、毒感染细胞主要产生两种结果:逆转录病毒感染细胞主要产生两种结果:逆转录产生原病毒像溶源性噬菌体逆转录产生原病毒像溶源性噬菌体DNA一样,一样,成为宿主基因组的一部分;成为宿主基因组的一部分;细胞细胞DNA序列可能与病毒序列重组,并经过序列可能与病毒序列重组,并经过转座作用插入新位点,改变细胞的性质。转座作用插入新位点,改变细胞的性质。3、逆转录病毒与转导、逆转录病毒与转导u 逆转录病毒可转导真核细胞的序列,常被称逆转录病毒可转导真核细胞的序列,常被称为为转导逆转录病毒转导逆转录病毒。u 原病毒原病毒DNA整合在整合在C-onc基因附近,二者可基因附近,二者可融合在一起,转录后形成一条即含病毒序
17、列又含融合在一起,转录后形成一条即含病毒序列又含C-onc的的RNA,后者如含包装信号可被包装进,后者如含包装信号可被包装进病毒颗粒中,形成含有一条融合病毒颗粒中,形成含有一条融合RNA和一条正和一条正常病毒常病毒RNA的二倍体病毒颗粒。的二倍体病毒颗粒。二者分子之间发生重组将会产生二者分子之间发生重组将会产生转化逆转录转化逆转录病毒基因组。病毒基因组。病毒携带病毒携带V-onc,即具有转化能力。,即具有转化能力。第二节第二节 质质 粒粒 质粒(质粒(plasmid):):为多数细菌和某些真核细胞染色体外的环状双为多数细菌和某些真核细胞染色体外的环状双链链DNA分子分子。特点:特点:能在宿主细
18、胞内独立复制,带有某些遗传信能在宿主细胞内独立复制,带有某些遗传信息,会赋予宿主细胞一些遗传性状。息,会赋予宿主细胞一些遗传性状。但质粒并不是它的宿主细胞所必需的。但质粒并不是它的宿主细胞所必需的。一、质粒的遗传学类型一、质粒的遗传学类型1、F 质粒:质粒:为性质粒,是一个小的超螺旋闭环为性质粒,是一个小的超螺旋闭环DNA(约(约95kb)。)。可将宿主染色体基因转移至另一宿主基因可将宿主染色体基因转移至另一宿主基因组中,其本身转移到缺乏组中,其本身转移到缺乏F 质粒的细胞。质粒的细胞。2、R 质粒:质粒:为耐药性质粒,由抗性转移因子为耐药性质粒,由抗性转移因子DNA和决定抗性因子和决定抗性因
19、子DNA两部分组成。两部分组成。后者含有对抗生素的抗性基因,使宿主细后者含有对抗生素的抗性基因,使宿主细菌产生对抗生素的抗性。菌产生对抗生素的抗性。3、col 质粒:质粒:含有合成大肠杆菌素基因的质粒,含有合成大肠杆菌素基因的质粒,能杀死不含大肠杆菌素的亲缘细菌。能杀死不含大肠杆菌素的亲缘细菌。4、质粒噬菌体(噬粒,、质粒噬菌体(噬粒,phagemid):):能把完整的质粒引入某种噬菌体能把完整的质粒引入某种噬菌体DNA成为成为一种嵌合体。一种嵌合体。嵌合体嵌合体DNA的遗传学行为取决于某一复制子的遗传学行为取决于某一复制子的强弱。的强弱。表现噬菌体行为表现噬菌体行为称称质粒噬菌体质粒噬菌体;
20、表现质粒的行为表现质粒的行为称称噬菌体质粒噬菌体质粒。二、质粒二、质粒DNA的特性的特性(一)质粒的复制(一)质粒的复制 依赖细菌染色体的多种酶系统。依赖细菌染色体的多种酶系统。1 1、严紧型质粒的复制:、严紧型质粒的复制:u 只在细胞周期的一定阶段进行复制,与细菌只在细胞周期的一定阶段进行复制,与细菌 的繁殖密切相关。的繁殖密切相关。u 需要蛋白质合成和需要蛋白质合成和 DNA DNA polpol 的存在的存在。u 每个细胞只有每个细胞只有 1 15个拷贝。个拷贝。2 2、松弛型质粒的复制:、松弛型质粒的复制:u 在整个细胞周期中随时都可进行复制。在整个细胞周期中随时都可进行复制。u 需用
21、需用DNA DNA polpol的存在。的存在。u 在细胞内有在细胞内有1010200200个以个以上上,甚至多达数千个。甚至多达数千个。质粒复制方式:质粒复制方式:均为半保留复制,并在复制周期内保持环状结构。均为半保留复制,并在复制周期内保持环状结构。质粒复制形式多样,包括:质粒复制形式多样,包括:单向复制、双向复制、单向与双向并存。单向复制、双向复制、单向与双向并存。(二)质粒的不相容性(二)质粒的不相容性l 质粒的不相容性是指细菌质粒不能在相同质粒的不相容性是指细菌质粒不能在相同 细胞中同时存在的现象。细胞中同时存在的现象。l 当某种质粒在宿主细胞内存在时,会阻止当某种质粒在宿主细胞内存
22、在时,会阻止 其它质粒进入细胞寄宿,这种质粒称为其它质粒进入细胞寄宿,这种质粒称为 不相容质粒。不相容质粒。(三)质粒的转移性(三)质粒的转移性l 通过细菌的结合作用,通过细菌的结合作用,F 质粒在不丢失本质粒在不丢失本 身的情况下,可从一个细胞转移到无身的情况下,可从一个细胞转移到无F 质质 粒的另一个细胞中。粒的另一个细胞中。图图 质粒转移过程质粒转移过程 p75(四)质粒中的选择性标记(四)质粒中的选择性标记常用的选择性标记是抗生素抗性基因,包括:常用的选择性标记是抗生素抗性基因,包括:1、氨苄青霉素抗性基因、氨苄青霉素抗性基因 2、四环素抗性基因、四环素抗性基因 3、氯霉素抗性基因、氯
23、霉素抗性基因cmr 或或 cat常用的质粒载体含有一个或两个抗生素抗性基因。常用的质粒载体含有一个或两个抗生素抗性基因。三、特殊细菌质粒三、特殊细菌质粒(一)(一)F 质粒质粒 性质粒性质粒 F 质粒是一种环状的质粒是一种环状的DNA分子,分子量分子,分子量94.5kb;F 质粒有整合进入细胞染色体而产生质粒有整合进入细胞染色体而产生Hfr细胞细胞 的能力;的能力;染色体上有染色体上有20多个整合位点,多个整合位点,F质粒对其亲和力质粒对其亲和力 不同,形成不同,形成Hfr 细胞株的频率也是不同的;细胞株的频率也是不同的;F 质粒的整合方向可以是顺时针,也可逆时针;质粒的整合方向可以是顺时针,
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