第三章,可移动的遗传因子(转座子) 和染色体外遗传因子,Barbara McClintock 1902-1992,Emerson (1914) 在研究玉米果皮色素遗传时，发现一种特殊的突变类型：花斑果皮，产生宽窄不同，红白相间的花斑 花斑条纹不稳定，可以发生多次回复突变，但不知道原因一、转座因子的发现和鉴定,20世纪40年代初，McClintock开始研究玉米植株和糊粉层色素产生的遗传基础，她发现，色素的变化与一系列染色体重组有关 她观察到，染色体的断裂或解离(dissociation)有一个特定的位点，命名为Ds 但Ds不能自行断裂，受一个激活因子Ac(activator)所控制Ac可以象普通基因一样遗传但有时可以离开原来的座位，移动到同一染色体的另一个位置上，也可以移动到不同染色体上若玉米带有野生型C基因，则胚乳呈紫色； C基因的突变阻断了紫色素的合成，那么胚乳呈白色 在胚乳发育的过程中，突变发生回复导致斑点的产生回复突变发生在早期发育阶段，紫斑就比较大 McClintock推测原来的C突变（无色素）是由一个“可移动的控制因子”引起的，称解离因子（dissociator，Ds），它可以插入到C基因中（即转座）。
另一个可移动的控制因子是激活因子（activator，Ac），它的存在可激活Ds转座，进入C基因或其他基因，也能使Ds从基因中转出，使突变基因产生“回复突变”，这就是Ac-Ds系统,,DNA transposable element,本章内容,一、转座子 1.分类 2.转座机制 3.转座的遗传效应 二、质粒 1.质粒遗传学类型 质粒DNA特性 特殊细菌质粒 三、遗传重组 1.同源重组 2.位点特异性重组 3.等位基因间重组,概述 在原核生物和真核生物基因组中存在着可以从一个部位转移到另一个部位的一些序列，这些序列称为转座子存在病毒、细菌和真核细胞的质粒或基因组中 转座子transposon也称跳跃基因jumping gene,第一节 转座子 Section I transposon,,一、转座子的分类和结构特征,转座子的共同特点：,①两端有ITR； ②转座后靶位点重复是正向重复； ③编码与转座有关的蛋白质； ④可在基因组中移动1.插入序列（IS）: IS家族的结构： ①两端都有短的正向重复序列（direct repeats, DR）， ②略长的反向重复序列（inverted repeats，IR）以及1kb左右的编码区， ③它仅编码和转座有关的转座酶。
对靶的选择有三种形式：随机选择，热点选择和特异位点的选择插入序列（insertion sequence，IS）,在染色体和质粒（包括F因子）中，都含有 这类较小的转座子，长度为750～1500bp，只带 有与其转座作用相关的基因2.复合转座子（composite tranaposon） 复合转座子含有一个中心区域和位于两侧的臂arm 除了和自身转座有关的基因外，中心序列含有抗药性基因等遗传信息 复合转座子两端的臂由IS序列组成有的二侧组件相同（如Tn903），有的不同（如Tn10）有的方向相同（如Tn9），有的方向相反（如Tn903，10，5）有的皆有功能（如Tn903，10），有的仅右侧组件有功能由耐药基因和两个相同的IS序列组成复合 转座子构型(倒转重复或正向重复)3.Tn A家族,TnA是复制型转座的转座子 长约5kb左右，中部的编码区不仅编码抗性基因，还编码转座酶和解离酶 两端具有末端反向重复序列，而不是IS，长约38bp左右，任一个缺失都会阻止转座 靶位点具有5bp的正向重复序列 TnA家族都带有抗性标记,2018/9/18,,20,2018/9/18,,21,它是一种溶菌和溶源周期性交替方式生成的噬菌体，可诱发大肠杆菌突变。
如Mu噬菌体 侵入的Mu可在溶源化过程插入寄主DNA任意部位，造成靶点倍生，原噬菌体两侧各有一个5bp的靶点重复序列,4. 转座噬菌体,2018/9/18,,22,Mu噬菌体的右末端由3kb组成的G片段（可倒转片段） 在不同的噬菌体的DNA取向不同 G（+）时，基因S和U表达，产物使之能够吸附大肠杆菌k12 G(-)时，基因S’和U’表达，产物使之能够吸附大肠杆菌C,Bar = 50 nanometers,原噬菌体: prophage,整合入宿主DNA中的噬菌体,G片段,2018/9/18,,23,真核生物转座子（了解）,真核细胞内只要存在转座酶，任何序列片段具有该酶识别的反向重复末端均可发生转移 最早发现的是玉米转座子，称为控制因子 通常以非复制方式转座,,二、转座子的转座机制,所有的转座子的转座机制很相似，可以归纳为 两步反应： ①转座子本身的复制（非复制型转座子没有此步）； ②靶序列的断裂及倍生2018/9/18,,25,基因靶序列的断裂及倍生.,ATGCA TACGT,内切酶在靶序列两边切出切口,靶序列,转座子,,,ATGCA,TACGT,,,,,转座子,,,,,ATGCA,TACGT,1.复制型转座 转座子复制转，转座子保留在原位点，另外一个拷贝插入到新位点。
与转座酶和解离酶相关 共联体生成和解离，靶序列的切割与复制二、转座机制,2.非复制型转座 将供体DNA转座因子两侧各切断一条单链并与靶序列的两个游离末端连接， 随后并没有复制过程，而是由转座酶将供体DNA转座因子的另一端也切断，因此在供体DNA留下一个致死性缺口 转座子的两条游离单链在靶位点退火接合，DNA聚合酶填平缺口 3.保守型转座： 一种非复制型转座，转座子从供体位点上切下来然后插入靶位点，供体位点恢复原状这种机制不仅可以转移转座子本身，还可以将供体的DNA从一个细菌转移到另外一个细菌与λ噬菌体的整合过程相似转座子的复制过程,转座中复制子融合为共同体,+,,,,,,,,转座子,共和体,,三、转座作用的模型（Ⅰ）,转座作用的模型（Ⅱ）,非复制型转座需链的断裂和重排,交叉结构切断后，释放出来时发生非复制型转座，它将转座子插入到靶DNA，转座子的两侧为正向重复序列，供体留下断裂的双链转座子不与靶DNA形成共同体Tn10转座需要的酶和转座频率的控制,转座酶与转座的频率相关，且可能通过同时识别末端反向重复序列和靶序列才发挥作用 转座频率对细胞和转座子都十分重要 甲基化酶在GATC中6-0-G引入甲基，可以抑制转座酶基因的转录以及转座酶与IS10R的结合。
多拷贝抑制,定义：IS10R插入到多拷贝质粒并转化到细菌时，细菌染色体上的Tn10转座率下降 机制：过量的OUT RNA确保在核糖体结合IN RNA之前与IN RNA互补配对，使其不能翻译顺式偏爱性,定义：只有编码转座酶的DNA模板存在时，IS10R开放读码框才会有效地转录并翻译转座酶是IS编码转座酶的普遍现象 机制： 一、蛋白质合成后（甚至在翻译过程中），转座酶与DNA紧密结合，以至于转座酶不可能会分散的别处 二、转座酶未与DNA结合时，可能不稳定顺式偏爱性和多拷贝抑制是Tn10的拷贝增加了但有不引起转座频率的增加，避免造成不应有的损伤① 转座引起插入突变; IS、Tn 和 Mu 噬菌体都可能引起插入突变 插入位点若在一个顺反子（cistron)的前端功能基因中，可能造成极性突变（移码或终止密码突变）指减低蛋白质合成速度的基因突变,三、转座效应,② 造成插入位点靶DNA的少量碱基对重复 IS1、Tn10： 造成9bp的重复 IS3： 造成3或4bp的重复 IS4： 造成11bp的重复③ 插入位点出现新基因 复合转座子带有抗性基因（如抗药性基因ampc)，可产生两方面效应：一个基因的插入突变；出现抗药基因。
④ 引起染色体畸变 在一个染色体上（甚至不同染色体上）若有同一转座子的两个拷贝，其提供的相同重组位点，可导致缺失、倒位、插入 方向相同：产生缺失 方向相反：发生倒位通过转座子介导的姐妹染色单体间的染色体内异位交换,⑥ 切除效应 指转座子从原来位置上消失 准确切除：使原插入发生回复突变 不准确切除：留下转座子残迹，产生插入突变，但 转座子标志消失转座子切离所造成的序列变异,⑦外显子改组 当两个近似的转座子被同一转座酶识别而整合到染色体的邻近位置时，则位于它们之间的序列有可能被转座酶作用而转座，如果这DNA序列中含有外显子，则被切离并可能插入另一基因中，这种效应称为外显子改组(exon shuffling)( 图) 外显子改组将导致基因组中新基因的产生双转座子插入所引起的外显子改组示意图,（1） 可使原来相距较远的基因组合在一起，形成一个操纵子 （2） 把原来两段分离的DNA序列连在一 起，产生一个新蛋白 （3） 启动子部位的插入可使基因打开或关闭 （4）过多转座（频率过高）对细胞不利，细胞在长期进化中形成 了一些不利于转座的代谢途径，可与转座过程平衡 （5） 转座基因插入时，大多数受体基因均被钝化，但也有基因被 激活。
这是因为转座子有自己的启动子，在使转位酶转录 的同时，也可使相邻基因转录）转座子效应的意义,,,2. 转座子作为研究工具 1）基因传递载体； 2）结构重组 3）基因突变 4）基因表达 5）克隆 6）基因作图,,四、逆转录病毒和逆转录转座子,逆转录转座子是真核生物转座子的重要类 型，以RNA介导的转座只发现在真核生物中， 它是由逆转录病毒以其RNA的基因组的DNA拷 贝序列插入到宿主细胞的染色体中而产生逆 转录转座子是宿主DNA基因组的组分，可在基 因组内转座，它在插入位点上产生正向重复短 序列1. 逆转录病毒基因组与逆转座子结构,逆转录转座子与逆转录病毒相似，但是env基因通常被破坏2. 逆转录病毒与转座,结果有： 1）原病毒像溶源性噬菌体DNA，成为宿主基因组的一部分； 2）细胞DNA序列可能与病毒序列重组 ，并经过转座作用插入性位点而改变细胞的性质第二节 质 粒（plasmid）,概述 质粒为多数细菌和某些真核生物细 胞的染色体外的双链环状DNA分子它的 大小范围从1kb至200kb以上不等1. F质粒（F plasmid）为性质粒；,一、质粒的遗传学类型,2. R质粒（R plasmid）为耐药性质粒；,3. Col质粒（Col plasmid）含有合成大肠杆菌 素（colicin）基因的质粒；,4. 噬菌体质粒（ phagemid，噬粒）能把完整的质粒引入某种噬菌体DNA成为嵌合体，其遗传行 为取决于某个复制子的强弱及是否受阻的情况,,,二、质粒的特性,（一）质粒的复制 质粒DNA的复制由细菌染色体的多种酶系 统来完成，不同的质粒在宿主细胞内采用的酶系 统不同，在宿主细胞中复制程度有很大差别。
质粒DNA在细菌中的复制类型有两种： 1.严谨型质粒复制； 2.松弛型质粒复制其复制的方式为半保留复制，并在复制周期内保持环状结构； 复制形式：单向复制、双向复制和单双向复制质粒的复制主要是通过θ型复制和滚环复制两种方式之一进行的，其中以θ型复制为主在θ型复制中，有单向复制和双向复制两种类型 革兰氏阴性细菌中多数质粒是以θ型方式复制，R1、R100等是单向复制，F、R6k等是双向复制类型质粒复制的方式,,质粒滚环复制示意图,在革兰氏阳性细菌中大多数质粒是以滚环方式复制二）质粒的不相容性 质粒的不相容性是指不同的细菌质粒不 能在相同细胞中同时存在的现象即当某种 质粒在宿主细胞内存在时，将阻止其他类质 粒进入细胞寄宿不相容性是由于两种质粒 中具有类似的阻遏物及质粒DNA随机复制所 致结果在自然条 件下，许多质 粒都可通过细 菌的接合作用 将质粒复制子 转移到新的宿 主细菌内，见右,（三）质粒的转移性,,,（四）质粒的选择性标记 用于人工转化、基因工程 常用的选择性标记是抗生素抗性 1、ampr：编码β-内酰胺酶 ，可使氨苄青霉素的抗菌作用消失 2、tetr：编码399aa的膜结合蛋白，阻止四环素进入细菌内。
3、camr ：编码四聚体细胞质蛋白，该蛋白催化氯霉素羟乙酰氧基衍生物的生成，此产物不能与核糖体50S亚基结合 目前，实验室中常用的质粒载体有一个 或两个抗生素抗性基因。