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1、 v转座因子的发现与分类 v原核生物中的转座因子 v真核生物中的转座因子 v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 v转座因子的发现 vDNA转座 v反转录转座子 一 转座因子的发现 v1914 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 v1938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 v40年代初 McClintock在研究玉 米花斑糊粉层和植株色素产生的遗
2、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 vAc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 v1961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 v60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 vMcClintock 1902 1992 于 1983年获得诺贝尔医学生理学奖 二
3、 DNA转座 v复制型转座 v非复制型转座 v保守型转座 1 复制型转座 v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 v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 v转座酶 解离酶 v如 TnA转座子家族 Tn3和Tn1000 等 2 非复制型转座 v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 v如 Tn10与Tn5 3 保守型转座 v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 v
4、该转座过程与 的整合 机制类似 并且转座酶与 整合酶家族有关 三 反转录转座子 v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 v包括反转录转座子和反转录病毒 v只在真核生物基因组中发现 RNA cDNA RNA 整合宿主 靶DNA 反转录病毒 v插入序列 v转座子 v转座噬菌体 第二节 原核生物中的转座因子 1 插入序列 inserted sequence IS v20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 v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
5、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768239 IS25份在染色体 1份在质粒 1 327415 IS35份在染色体 1份在质粒 1 400383或4 IS41 2份在染色体1 4001811 IS 特点 v 1 长度在768 5700bp v 2 本身没有表型效应 只携带转座酶基因 v 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 v 4 插入后引起靶DNA序列多数为5 11bp的正向重复 v 5 一般情况下转座
6、频率为10 4 10 3 世代 恢复频率为10 7 10 6 世代 CCCAGAC GGGTCTG CCCAGAC GGGTCTG 正向重复 GTCTGGG CAGACCC 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 IR IR IS IRIR 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 v一类较大的转座因子 2000 25000bp v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 v分为简单转座子和复合转座子 Tn
7、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 bp Tn3氨苄青霉素497538反向5 Tn5卡那霉素54009反向9 Tn9氯霉素263823正向9 Tn10四环素930023反向9 Tn3转座子 v a 不含IS 为简单转座子 v b 含有3个基因 编码 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 v 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 ampR tnpA tnpR IRIR 转座酶基因 氨苄青霉素 抗性基因 Tn10转座子
8、 vTn10的两侧IR为IS 为复合转座子 v带有四环素抗性基因 Tn10的结构模式图 含转座含转座 酶基因酶基因 不含转座不含转座 酶基因酶基因 IR 3 转座噬菌体 mutator phage Mu v1963年 Taylor发现 它是大肠杆菌的温和噬菌体 38000bp的线状DNA vMu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 v酵母菌的转座子 v果蝇的转座子 v玉米的转座子 v人类基因组中的转座子 1 酵母菌的转座子 v目前在酵母中研究得较清楚的
9、转座子是Ty系列 transponson yeast Ty vTy 1为5900bp 两端含有两个称为 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 v但它通过RNA中间产物进行转座 反转录转座子 型 a型 a型 aa a aa aa 啤酒酵母的两种接 合型的控制基因 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
10、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 ORF3 3个内含子 1 2 3 2个反向重复序列 31bp P 2907bp 1 2 3 1 2 3 相对分子质 量66kDa 相对分子质 量87kDa M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 v插入后在靶DNA序列形成8bp正向重复序列 v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 vP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
11、50copy v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 v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Barbara McClintock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 DNA transposable element Ac Ds家族 vDs 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
12、 vAc 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 Ac Ds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 9 Ac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 v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
13、植 物和其他真核生物转座子的一个重要的区别 v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 v长散在重复序列 LINE v短散在重复序列 SINE v反转录病毒类转座子序列 vDNA转座子序列 长散在重复序列 LINE v可自主性转座的反转录转座子 vL1 6500bp 以富含A序列终止 两个阅读框 ORF1和ORF2 v与人类疾病有关 如 两个缺失突变的L1 插入到 凝血因子 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 基因 1 种 Duchenne 型肌营养不良 D
14、MD 基因 3 种 多发 性结肠腺癌 APC 基因 1 种 和 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 v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 vAlu家族 成员丰富 约300bp 两端具有短正向重复 序列 有一Alu 位点 第四节 转座机制与遗传学效应 v转座机制 v转座子的遗传学效应 一 转座的机制 vDNA转座机制 1 复制型转座 2 非复制型转座 v反转录转座子的转座机制 1 反转录转录病毒的转转座机制 2 Ty1 copia类类反转转座子的转转座机制 3 人类类LINE反转转座子的转转座机制
15、 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 v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 v例 Tn10非复型转座 转座酶结合在Tn的两个末端供体
16、 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 重复重复 序列序列 R U5 80 100bp gag 编码病毒的编码病毒的 核心蛋白核心蛋白 约2000bp pol 编码反转录编码反转录 酶和整合酶酶和整合酶 约2900bp env 编码病毒的编码病毒的 包装膜蛋白包装膜蛋白 约1800bp U3 170 1260bp R 重复重复 序列序列 10 80bp RNA病毒的线性基因组 1 反转录病毒的转座机制 v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2bp b 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 vTy1 两端 为正向重复序列 LTR 约 340bp
