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1、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
2、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。,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
3、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Tn5,3、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
4、,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。,RNA,cDNA,RNA,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（inserted sequence，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,IS 特点,(1) 长度在768-5
5、700bp； (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10-410-3/世代，恢复频率为10-7 10-6/世代。,CCCAGAC GGGTCTG,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,IR,IR,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: 20
6、0025000bp. 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,Tn3转座子,(a) 不含IS，为简单转座子。 (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）。 (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,IR,IR,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,3、转座噬菌体（mutator phage）: Mu,1963年，T
7、aylor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（transponson yeast，Ty）。 Ty 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
8、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,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,
9、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,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（3050copy）。 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,3、玉米的转座子,美国遗传学家Barbara McClintock发现玉米籽粒色斑
10、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）。,Ac-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。,Ac Ds结构示意图,转座酶,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
11、，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 L1：6
12、500bp，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(DMD) 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),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Alu位点。,；,第四节 转座机制与遗传学效应,转座机
13、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
14、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,Tn10非复型转座机制,2、反转录转座子的转座机制,RNA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2bp,U5右端丢失2bp,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,反转录病毒DNA的整合,2）Ty1/co
15、pia类反转座子的转座机制,Ty1：两端为正向重复序列（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。,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。,ORF1 ORF2,二、 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DNA,
