第九章 转座因子的遗传分析

转座因子的发现与分类原核生物中的转座因子真核生物中的转座因子转座作用的分子机制与遗传学效应主要内容第一节转座因子的发现与分类转座因子的发现DNA转座反转录转座子一、转座因子的发现1914年，Emerson在研究玉米果皮色素遗传中发现：花斑果皮产生宽窄不同红白相间的花斑。花斑条纹的突变产生在于突变基因的不稳定性，但不知其因。1938年，Rhoades在研究玉米糊粉层色素遗传时，首次报道一个基因的遗传不稳定性受到一个独立基因的控制。但也未揭示其遗传机制。40年代初，McClintock在研究玉米花斑糊粉层和植株色素产生的遗传基础时，发现色素变化与一系列染色体重组有关。并且染色体的断裂或解离有一个特定位点(Ds)。但Ds并不能自行断裂受一个激活因子Ac所控制。Ac表现很特殊，可以离开原座位运动到同一个或不同染色体的另一座位，McClintock把Ac和Ds称为控制因子或转座因子。“控制因子”假说1961年Jacob和Momod发表乳糖操纵子模型和控制基因理论，McClintock的“控制因子”假说开始重新引起人们的注意。60年代未期Shapiro在细菌中也发现了可转座的遗传因子后，转座因子被人们所接受。McClintock（1902-1992）于1983年获得诺贝尔医学生理学奖。二、DNA转座复制型转座非复制型转座保守型转座1、复制型转座转座子被复制，转座的DNA序列实际上是原转座子的一个拷贝。转座子中移动的部分被拷贝，一个拷贝仍然保留在原来的位置上，而另一个则插入到一个新的部位，这样转座过程伴随着转座子拷贝数的增加。转座酶、解离酶如：TnA转座子家族（Tn3和Tn1000等）2、非复制型转座转座因子作为一个物理性实体，直接由一个部位转移到另一个部位。如：Tn10与Tn53、保守型转座保守型转座是另一种非复制型的转座过程。该过程中转座元件从供体部位被切除并通过一系列的过程插入到靶部位，在该过程中每个核苷键皆被保留。该转座过程与λ的整合机制类似，并且转座酶与λ整合酶家族有关。三、反转录转座子由RNA介导，通过反转录酶将转座子RNA拷贝为cDNA后再整合到宿主基因组中形成转座，称为反/逆转座子或反转录转座子。包括反转录转座子和反转录病毒。只在真核生物基因组中发现。RNAcDNARNA整合宿主靶DNA反转录病毒插入序列转座子转座噬菌体第二节原核生物中的转座因子1、插入序列（insertedsequence，IS)20世纪60年代末Starlinger在大肠杆菌中发现半乳糖基因的突变体，称为gal-。实验证明这种突变体是由于DNA片段插入而产生的，这一插入序列是最先发现的最小的一种转座因子，称为IS1。IS的特性插入序列在大肠杆菌中的拷贝数长度（bp）末端反向重复（bp）靶DNA中产生重复片段大小IS15-8份在染色体768239IS25份在染色体，1份在质粒1327415IS35份在染色体，1份在质粒1400383或4IS41-2份在染色体14001811IS特点(1)长度在768-5700bp；(2)本身没有表型效应，只携带转座酶基因；(3)两端几个到几十个bp的核苷酸顺序完全相同或相近。但方向相反，称为反向重复序列（IR）。(4)插入后引起靶DNA序列多数为5～11bp的正向重复。(5)一般情况下转座频率为10-4～10-3/世代，恢复频率为10-7～10-6/世代。CCCAGACGGGTCTGCCCAGACGGGTCTG正向重复GTCTGGGCAGACCC反向重复IS结构模式图含有IS的质粒经变性后形成颈环（或哑铃状）结构变性后单链复性IRIRISIRIR当一个IS插入靶DNA后，其两端会出现一小段正向重复序列（约5-11个核苷酸对。2、转座子（transposon，Tn）一类较大的转座因子:2000～25000bp.含有与转座有关的基因外，还带有抗药基因以及其它基因，从而赋于宿主细菌一定的表型。分为简单转座子和复合转座子。Tn的特征转座子抗性标记长度/bp反向重复序列长度/bp末端重复序列的方向靶DNA产生的重复长度/bpTn3氨苄青霉素497538反向5Tn5卡那霉素54009反向9Tn9氯霉素263823正向9Tn10四环素930023反向9Tn3转座子(a)不含IS，为简单转座子。(b)含有3个基因：编码β-内酰胺酶的氨苄青霉素抗性基因（ampR），转座酶基因（tnpA）和编一种阻遏物的调节基因（tnpR）。(c)两端为IR。Tn3（简单转座子）的结构模式图调节基因使宿主菌获得一定特性ampRtnpAtnpRIRIR转座酶基因氨苄青霉素抗性基因Tn10转座子Tn10的两侧IR为IS，为复合转座子。带有四环素抗性基因Tn10的结构模式图含转座酶基因不含转座酶基因IR3、转座噬菌体（mutatorphage）:Mu1963年，Taylor发现，它是大肠杆菌的温和噬菌体，38000bp的线状DNA。Mu的特点：几乎可以插入宿主染色体任何一个位置上。而且游离Mu和已经插入的Mu基因次序是相同的。另外它的两端没有粘性末端，插入某基因中就引起该基因突变。第三节真核生物中的转座子酵母菌的转座子果蝇的转座子玉米的转座子人类基因组中的转座子1、酵母菌的转座子目前在酵母中研究得较清楚的转座子是Ty系列（transponsonyeast，Ty）。Ty1为5900bp，两端含有两个称为δ的正向重复序列，正向长末端重复序列(LTR)的长度约340bp。Ty插入酵母菌染色体后，受体上就会出现5bp的正向重复序列，这和细菌中转座子作用相似。但它通过RNA中间产物进行转座----反转录转座子.型a型a型aaaaaaa啤酒酵母的两种接合型的控制基因α和a基因都可以转座。特殊性：只能转座到MAT座位上。属于复制型转座2、果蝇的转座子从20世纪70年代以来，在黑腹果蝇的一些品系间杂交子代出现某些异常现象：如卵巢发育不全、分离比异常、高突变率、染色体畸变等。这种现象称为杂种劣育。F1（杂种劣育）这是因为在P品系的细胞中有导致杂种劣育的遗传因子，称为P因子。P因子的组成4个外显子：ORF0、ORF1、ORF2、ORF33个内含子：1，2，32个反向重复序列：31bpP（2907bp）123123相对分子质量66kDa相对分子质量87kDaM品系果蝇缺失该阻遏蛋白杂交后代的细胞质的贡献主要来源于母本果蝇的转座子插入后在靶DNA序列形成8bp正向重复序列;切离：P因子可以从原来的位置上消失，这一过程称为切离（excision）。P因子的位置和数目：不同果蝇品系的基因组中P因子的位置、数目均不相同（30~50copy）。引起插入突变：P因子的插入而发生突变的基因有白眼（w）、焦刚毛（sn）、黄体（y）等。其他转座子：Copia、412、279、Tip、FB等。正向重复反向重复反转座子DNA转座子3、玉米的转座子美国遗传学家BarbaraMcClintock发现玉米籽粒色斑不稳定遗传现象，于1951年第一次提出转座子的概念，当时她把这种可以转移的染色体因子称为抑制基因（inhibitor，I）。DNAtransposableelementAc-Ds家族Ds：dissociate解离因子，在9号染色体上，是转座酶基因有缺失的Ac元件，需有Ac的存在才起作用，为非自主元件。Ac：activator激活因子，在9号染色体的另一染色体上，该元件为4563bp。具有活性的转座酶基因，可自主移动，为自主元件。AcDs结构示意图转座酶编码转座酶基因缺失玉米的转座子的类型自主转座子：Ac(可自主移动)非自主性转座子：Ds(不可自主移动)转座子非复制型转座玉米的解离因子Ds（dissociate）9Ac基因缺失时，Ds不能转座Ac基因存在时，能激活Ds转座Ds插入某基因后使得该基因突变Ds也可以从该基因中移走，使得该基因发生回复突变玉米的转座子的特点玉米中除了Ds一Ac系统以外，至少还有5个转座子系统都是由2个成分组成，这也是玉米等植物和其他真核生物转座子的一个重要的区别。如Spm-dSpm：两个成员（Spm因子和较小的dSpm因子），dSpm为Spm因子内部发生缺失后形成的转座子，但能独立转座。4、人类基因组中的转座子长散在重复序列(LINE)短散在重复序列(SINE)反转录病毒类转座子序列DNA转座子序列长散在重复序列(LINE)可自主性转座的反转录转座子L1：6500bp，以富含A序列终止，两个阅读框（ORF1和ORF2）。与人类疾病有关，如：两个缺失突变的L1插入到凝血因子Ⅷ基因中，阻断该基因的表达，引发了血友病A。随后又在凝血因子Ⅷ基因(1种)，Duchenne型肌营养不良(DMD)基因(3种)、多发性结肠腺癌(APC)基因(1种)和β珠蛋白基因(1种)中发现了其他6种L1插入片段。短散在重复序列(SINE)非自主性转座的反转录转座子（无反转座酶基因），能依赖L1或借用宿主中的反转座酶基因进行转座。Alu家族：成员丰富，约300bp，两端具有短正向重复序列，有一AluⅠ位点。；第四节转座机制与遗传学效应转座机制转座子的遗传学效应一、转座的机制DNA转座机制1）复制型转座2）非复制型转座反转录转座子的转座机制1）反转录病毒的转座机制2）Ty1/copia类反转座子的转座机制3）人类LINE反转座子的转座机制1、DNA转座机制1）复制型转座（Tn3转座子）A.切开：转座酶识别受体靶序列，切开两条单链形成粘性末端；B.连接：转座子与切开的受体DNA链结合形成共联体。C.复制：DNA聚合酶补齐缺口，由连接酶连接，形成两个正向重复序列。D.重组：在特定位点进行重组，共联体分离形成两部分，一个含有原来的转座子，另一个通过转座插入了转座子序列。转座酶共联体DNA聚合酶DNA连接酶通过重组分成两部分形成两个正向重复序列2）非复制型转座原理：断裂和重接反应使靶序列重构，只有靶位点发生重连，而供体链仍保持裂缺，不形成共联体。例：Tn10非复型转座转座酶结合在Tn的两个末端供体受体转移末端产生切口另一条链产生切口供体被释放Tn10非复型转座机制受体被交错切割产生切口Tn与靶位点融合复合体2、反转录转座子的转座机制重复序列RU580～100bpgag编码病毒的核心蛋白约2000bppol编码反转录酶和整合酶约2900bpenv编码病毒的包装膜蛋白约1800bpU3170～1260bpR重复序列10～80bpRNA病毒的线性基因组1）反转录病毒的转座机制反转录病毒将其RNA基因组的DNA拷贝插入宿主细胞的染色体中而产生的。正向重复序列长末端重复序列U3左端丢失2bpU5右端丢失2bp反转录整合4-6bp正向重复序列4-6bp正向重复序列a.整合酶在LTR的3’端切除2bpb.整合酶在靶DNA上产生交错切口c.整合酶将LTR的3’端与靶DNA的5’端相连正向重复序列反转录病毒DNA的整合2）Ty1/copia类反转座子的转座机制Ty1：两端δ为正向重复序列（LTR，约340bp）。含两个阅读框：TyA相当于gag基因，TyB相当于pol基因。但没有env基因。转座机制与反转录病毒的整合机制类同。δTyATyBδ5.7kbRNA5.0kbRNATyA蛋白移码TyA-B蛋白图23-68Ty因子末端有短的顺向重复顺序，Ty转录两个重叠的RNAs。它们含有两个阅读框，相当于反转录病毒的gag和pol基因3）人类LINE反转座子的转座机制LINE反转座子：有两个阅读框（ORF1和ORF2），其中ORF2相当于pol基因，3’端有一串腺苷酸（poly(A)）。缺少末端重复序列（LTR），其整合方式与反转录病毒不同。ORF1ORF2二、转座子的遗传学效应可引起基因突变——插入或切离；改变染色质的结构（缺失、倒位等）；可以插入新基因（ampR、terR等）；在靶序列上造成同向重复序列；产生新的变异，有利于进化。转座子靶DNA3和