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1、第七章 转座因子的遗传分析,第一节 转座子的发现和分类,1914年 Emerson 在研究玉米果皮色素遗传过程中，发现一种花斑果皮的突变类型。 发生多次回复突变，产生宽窄不同、红白相间的花斑。花斑的产生在于基因的不稳定性,1938年 Rhoades 研究玉米籽粒糊粉层色素遗传,有色籽粒纯种自交后代表现出一种意外的修饰的孟德尔分离比 有色：斑点：白色=12：3：1（显性上位） 两对基因 色素基因 A1/a1 斑点基因 Dt/dt,A1: 控制色素形成 Dt: 控制产生斑点,产生斑点的一种可能是在体细胞中产生了回复突变a1A1,但大量的斑点需要很高频率的回复突变。Rhoades能在a1a1Dt_（
2、花斑）特殊无性生殖植物的花中找到相应的花药，其花粉应携带回复突变产生色素的基因型，而他用这些花粉与a1a1的植株测交， 结果所有的后代完全是有颜色的。表明在亲本中每个斑点实际上是回复突变的。,Rhoades Genetics 1938 23 377,McClintock 19401950 研究了玉米胚乳的紫色、白色以及白色背景上带有的紫色斑点这些表型之间的相互关系 花斑表型是不稳定的，推断“花斑”表型并不是一般的基因突变产生的，而是由一种控制因子的存在所导致的。,A (anthocyan) 花色素 C (color) 决定红色和紫色的发生 R (red) 红色，以A、C为先决条件 Pr (pu
3、rple) 紫色，以A、C、R为先决条件 I (inhibitor) 抑制C基因的作用,McClintock认为 玉米带有野生型C基因，则胚乳呈紫色; C基因的突变阻断了色素的合成，胚乳呈白色; 在胚乳发育过程中，突变发生回复导致斑点的产生,McClintock认为，已知有色基因C 可使籽粒呈现色，但在C旁有一个基因叫Dissociator（Ds） Ds可以移动并插入到C基因中 当Ds从C上移走后，C作用恢复，出现颜色； Ds从C上移走的早，花斑就大，反之就小；因此花斑的大小是Ds从C上移走的早晚引起的。 Ds的移动还受另一个因子Activator（Ac）的控制，当Ac存在时，Ds可移动，Ac
4、丢失，则Ds不能移动。,1951年McClintock提出转座（Transposition）和跳跃基因(jumping gene)的新概念,Shapiro 1967年,在E.coli中发现了转座因子（transposable element）。 他在半乳糖操纵子(gal K,T,E ）中发现了一种突变。它有以下的特点： (1) 能回复突变； (2) 用诱变剂对其处理并不能提高回复突变率; 想到gal-的突变可能也是部分DNA的插入（突变）和切离（回复突变）所致。,gal-的突变确实是DNA的插入引起的突变。 这一插入序列是最先发现的最小的一种转座因子，称为IS1。 至此，转座因子的概念才被遗传
5、学界公认。 接着在细菌中发现了一系列的转座子 Tn,转座因子,是基因组内一段相对独立的、可移动序列，它们不必借用噬菌体或质粒的形式就可以从基因组的一个部位直接转移到另一个部位，这个过程称为转座（transposition）。 转座子每次移动时携带着转座必需的基因一起在基因组内跃迁，所以转座子又称跳跃基因（jumping gene）。,（1） 基因组内移动； （2） 不依赖于供体与受体间的序列关系； （3） 一般仅移动转座子序列本身。,转座子的转座特点,转座因子分类,DNA转座子 直接以DNA序列某些区段作为转座成分 反转录转座子 以RNA介导转座,DNA转座,根据转座机制不同分为： 复制型转座
6、 转座过程中，转座子被复制，一个拷贝保留在原位点，另一份拷贝插入到新的位点 非复制型转座 转座因子直接从一个位点移动到受体DNA一个靶位点 保守型转座 实质是一种非复制型转座，转座因子所有碱基均被保留插入到靶位点,第二节 原核生物中的转座因子,插入序列 转座子 转座噬菌体,一、插入序列,最简单的转座因子，不含任何宿主基因的可转座的DNA序列（insertion sequences, IS）。 IS元件是独立的结构单位，每个元件只编码为自身转座所需要的蛋白质。 IS元件的末端为短的反向末端重复序列（inverted terminal repeats）。,末端反向重复序列(Inverted rep
7、eats, IR),IR,IR,在插入部位，IS DNA总是和很短的正向重复序列（direct repeats, DR)相连。但在插入之前靶部位只有这两个重复序列中的一个。转座后在转座子的两侧各存在一个此序列的拷贝。 转座的结果是靶部位序列形成了两个正向重复序列。,转座子两侧DR形成机制（Tn3）,反向重复序列标明了转座子的末端。 所有类型转座子的转座皆需转座酶（transposase）对末端的识别。,除IS1之外，所有的IS元件皆含有一个单一的长编码区，其起始于一端的反向重复序列之内，而刚好终止于另一端的反向重复序列之前或之内，它编码转座酶。,二、转座子 Tn,Tn是一类较大的转座子，除了含
8、有与转座作用有关的基因外，还带有抗药基因以及其他基因。 Tn分子一般在200025000 bp，两端反向重复序列 某些Tn的反向重复序列是已知的IS，带有IS的Tn也称为复合型转座子，如Tn5、Tn10、Tn903 不含有IS的Tn称为简单转座子，如Tn3 没有IS序列，体积庞大的转座子称为TnA家族,三、转座噬菌体,Taylor 1963年 mutator phage （Mu） DNA噬菌体 38000 bp 线状DNA 是一种温和噬菌体 但并不像噬菌体一样，只整合到宿主的一定的位置，而是几乎可以插入宿主染色体任何一个位置上。 含有与转座有关的基因和反向重复序列。,第三节 真核生物中的转座因
9、子,酵母基因组中的转座子 果蝇基因组中的转座子 玉米基因组中的转座子 人类基因组中的转座子,酵母基因组中的转座子,Ty系列（transposon yeast） 5900 bp 两端含有两个称为的正向长末端重复,340 bp， 每个因子都含有一个启动子和一段被转座酶识别的序列。 插入位点形成5 bp的正向重复序列。 Ty因子的转座是通过一种RNA中间物进行的，其过程类似于反转录病毒的复制和整合，所以Ty1因子也称作反转录转座子,果蝇基因组中的转座子,“ 杂种劣育”（hybrid dysgenesis） 某些品系杂交子代出现某些异常 P品系：作为父方造成杂种劣育 M品系：作为母方造成杂种劣育 M（
10、）P（） 后代不育 原因：P品系的细胞中有导致杂种劣育的遗传因子称为P因子。全长2907 bp， 两端有31 bp的反向重复序列,果蝇中除了P因子 还有copia、412、279、Tip、FB等转座因子,玉米基因组中的转座子,Ac/Ds Spm/dSpm （suppressor-promotor-mutonsysytem spm） Mutator Helitrons Retrotransposon,Ac/Ds,1983年 Fedoroff Ac全长4565 bp 反向重复序列11bp 一般认为Ds是由Ac序列缺失的衍生物 Ac为自主性转座子，Ds为非自主性转座子,Ac基因组序列和转座酶的结构,
11、Kunze and Weil, 2002,Conard et al. Genetics 2007,Yan et al. Genetics 1999,人类基因组中的转座子,长散在重复序列（LINE） 6500 bp 短散在重复序列（SINE） 300 bp 反转录病毒类转座子 DNA转座子,第四节 转座作用的分子机制,DNA转座 复制型转座,复制型转座分子机制,非复制型转座,多数情况下,转座子的切除导致了双链断裂的产生，在绝大多数情况下，转座子被切除后留下的两个断裂末端是通过末端连接修复的,非复制型转座机制,Conard et al. Genetics 2007,Ds的形成,Yan et al.
12、 Genetics 1999,Short direct repeats,Conard et al. Genetics 2007,在DNA复制时或是刚刚完成复制，一条姐妹染色体上的Ac可以被转座酶识别并从原来位置切除，产生双链染色体断裂。多数情况下，断裂的末端通过末端连接直接被修复。,少数情况下，可以另一条姐妹染色体作为模板，分别从两端起始DNA的合成,在Ac转座子的内部有许多短的正向重复序列（short direct repeats，SDR），在复制过程中 在这些SDRs间的滑动错配导致了SDRs间的序列的缺失，有时第二次滑动错配的发生导致了填充DNA（filler DNA)的出现或是无直接的
13、SDRs脚印的出现。,Ds形成的模型,Conard et al. Genetics 2007,Yan et al. Genetics 1999,反转录转座子的转座机制,Ty1/Copia类反转座子转座机制,人类LINE反转座子的转座机制,第五节 转座因子的遗传学效应及其应用,引起染色体结构的改变 诱发基因突变与启动子混编 调节基因表达 产生新的变异 转座子标签（transposon tagging）,引起染色体结构的改变,Ac/Ds 转座引起的染色体结构的改变,正常转座：转座酶识别一个单独的转座子的两个末端，并使其转座。只是转座子位置的改变。 异常转座：转座酶识别两个转座子末端分别来自相互间紧
14、密连锁的两个转座子。由于两个转座子间的排列方向不同可以分别引起 Macrotransposition Reversed end transposition Sister chromatid transposition(SCT),Huang et al. the Plant Cell, 2008,改变了基因的位置,Huang et al. the Plant Cell, 2008,转座酶识别了位于不同姐妹染色体上的两个末端，引起了sister chromatid transposition，导致了一个双着丝粒染色体和一个无着丝粒的DNA片段的产生，在随后的细胞分裂中，无着丝粒的DNA片段丢失，而
15、双着丝粒染色体可在两个着丝粒中的任一点发生断裂,不同转座子上的5和3末端是正向的（directly orientation）,Zhang et al. the Plant Cell, 2010,示染色体桥和染色体断片,Huang et al. the Plant Cell, 2008,两个反向（inverted orientiation, IO)排列的转座子的不正常转座，类似于Double Ds， 发生了sister chromatid transposition，产生一个双着丝粒染色体和一个无着丝粒的DNA片段,不同转座子上的5和3末端是正向的（directly orientation）,不
16、同转座子上的5和3末端是反向的（reverse orientation）,转座酶识别位于同一姐妹染色单体上的两个不同转座子的末端，引起了reversed end transposition，导致了一个双着丝粒染色体和一个无着丝粒的环形DNA的产生，在随后的细胞分裂中，无着丝粒的环形DNA丢失，而双着丝粒染色体可在两个着丝粒中的任一点发生断裂,Huang et al. the Plant Cell, 2008,不同转座子上的5和3末端是反向的（reverse orientation） 由于断裂末端的插入位点的不同，reversed end transposition 也可以产生一个双着丝粒染色体和一个无着丝粒的DNA片段,Yu et al. the Plant Cell 2010,Zhang et al. the Plant Cell, 2010,断裂末端的插入不同的染色上，可以产生相互异位,Ac-induced ps1 allelic variation Bai et al
