實驗五轉座子引起的插入突變

1、實驗五 轉座子引起的插入突變 冷落四十年的轉座子理論 1983年,美國遺傳學家巴巴拉麥克林托克 （BMcClintock）由于發(fā)現(xiàn)了可移動的遺傳 物質，被授予諾貝爾醫(yī)學獎。 人們把麥氏的成就比之為一百年前另一位偉大 的遺傳學家孟德爾的成就。 研究玉米 玉米是經(jīng)典遺傳學研究中采用的一個理想的供 試對象。因為它的籽粒和葉子有顏色變化。這 種顏色變化是由遺傳結構的基本改變引起的。 為了探究遺傳機構變化的內(nèi)在機制，麥克林托 克年復一年地在田間仔細地觀察玉米籽粒和玉 米葉子的顏色發(fā)生的一代又一代的復雜變化； 然后，將采下的材料帶回實驗室，觀察玉米染 色體的斷裂和重組情況。 30歲那年，麥克林托克在某些玉

2、米籽粒中發(fā)現(xiàn) 了玉米色素顯現(xiàn)著一些稀奇古怪 的模式。她觀 察到玉米籽粒顏色的遺傳很不穩(wěn)定，有時籽粒 上還出現(xiàn)一些斑斑點點。 她通過耐心的記錄和仔細的分析，發(fā)現(xiàn)使籽粒 著色的色素基因是在某一特定代上“接上”或 “拉斷”的。 1951年，在冷泉港生物學專題討論會上，麥克 林托克遞交了自己的學術論文，向科學界同行 報告了她的新理論。她提出遺傳基因可以轉移， 能從染色體的一個位置跳到另一個位置，甚至 從一條染色體跳到另一條染色體上。她把這種 能自發(fā)轉移的遺傳基因稱為“轉座因子” 。 “轉座因子”除了具有跳動的特性之外，還具 有控制其他其因開閉的作用，因此“轉座因子” 又可叫做“控制因子”。 轉座系統(tǒng)

3、例如SG是一個產(chǎn)生紫色色素的結構基因，它 附近的一個控制因子D（稱為離解因子或分 化變異因子）以一定的速率關閉SG，使玉米 籽粒不能產(chǎn)生紫色色素，而成為黃色。DS從 SG附近跳開，SG所受的控制作用即被解除， 玉米籽粒又變成紫色。而DS跳到遠離AC處， 或者AC本身跳開，DS即不受AC的控制，它又 可以發(fā)揮對結構基因SG的抑制作用，使玉米 籽粒成為黃色。這些控制因子跳動得如此之快， 使得受它們控制的顏色基因時關時開，于是玉 米籽粒便出現(xiàn)了斑斑點點。 轉座理論不被接受 在當時，占統(tǒng)治地位的染色體遺傳學理論認為， 生物細胞內(nèi)的遺傳物質比較穩(wěn)定，遺傳基因以 一定的順序在染色體上作線性排列，彼此之間

4、的距離也非常穩(wěn)定。常規(guī)的交換和重組只發(fā)生 在等位基因之間，并不擾亂這種距離。除了在 顯微鏡下可見的、發(fā)生頻率極為稀少的染色體 倒位和相互易位等畸變可以改變基因的位置外， 人們還從未認識到，也難以設想出基因會從一 處跳躍到另一處。 60年代中期，關于遺傳物質的轉移，人們在細 菌中發(fā)現(xiàn)了轉化和轉導現(xiàn)象。 60年代后期，當人們運用遺傳工程這種強有力 的新工具時，終于在細菌中發(fā)現(xiàn)了“轉座子” ， 從而開始激起人們對麥克林托克研究工作 的興 趣。許多研究很快與麥氏的早期研究所提出的 相似現(xiàn)象聯(lián)系起來。 終被接受 整個70年代，分子遺傳學家找到了愈來愈多的 可移動的或可轉移的遺傳因子， 又稱之為“跳 躍基

5、因” 。這些因子不僅存在于細菌中，同時 也存在于較高等的動物中。麥氏的理論又得到 了進一步的驗證。 麥克林托克30年代初做出的發(fā)現(xiàn)、40年代提出 的理論，到60年代末終于被重新提起，80年代 初為科學界普遍接受。她走在時代前面四十年， 同時也為此冷落奮斗了四十年。 冷落的原因和啟示 從轉座子理論和經(jīng)典遺傳學的關系來看，轉座子理論 推翻了經(jīng)典遺傳學關于基因是穩(wěn)定的這一傳統(tǒng)觀念， 是一種革命性的理論，因而不為經(jīng)典遺傳學家所接受。 從轉座子理論和分子遺傳學的關系來看，是由于前者 走在了時代前面，是一種超時代發(fā)現(xiàn)。科學界還沒有 做好接受它的準備。因而遭到分子遺傳學家的冷落。 從轉座子理論賴以建立的實驗

6、材料看，是由于它離開 了分子生物學的主流。麥克林托克雖然身在冷泉港生 物學實驗室，但她所采用的材料，與該室中極大多數(shù) 科學家不同。她沒采用病毒和細菌作材料，研究基因 的拼接、剪切和重組，而是采用玉米這樣的高等植物 作為研究對象。 值得慶幸的是，盡管麥克林托克采用了孟德爾 式的工作方式，利用了大體相同 的實驗材料 （都是高等植物），得出了相同性質的超時代 發(fā)現(xiàn)，也遭受了大體相同的命運，但她畢竟在 晚年看到了自己理論的勝利，并獲得了科學界 的最高獎勵 諾貝爾獎。 實驗目的 通過實驗進一步認識轉座子的遺傳學效應之 一轉座時可引起插入突變 實驗原理 DNA的轉座，或稱移位（transposition）

7、，是由 可移位因子（transposable element）介導的遺 傳物質重排現(xiàn)象。 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)轉座這一命名并不十分準確，因為 在轉座過程中，可移位因子的一個拷貝常常留 在原來位置上，在新位點上出現(xiàn)的僅僅是拷貝。 因此，轉座有別于同源重組，它依賴于DNA的 復制。 轉座子的分類和結構特征 簡單轉座子 轉座子（transposon，Tn）是存在于染色 體DNA上可自主復制和移位的基本單位。 最簡單的轉座子不含有任何宿主基因而常被 稱為插入序列（insertion sequence，IS）， 它們是細菌染色體或質粒DNA的正常組成部分。 一個細菌細胞常帶有少于10個IS序列。轉座子 常常被定位到

8、特定的基因中，造成該基因突變。 IS序列都是可以獨立存在的單元，帶有介導自 身移動的蛋白。 轉座子的分類和結構特征 復合式轉座子（composite transposon）是一 類帶有某些抗藥性基因（或其他宿主基因）的 轉座子，其兩翼往往是兩個相同或高度同源的 IS序列，表明IS序列插入到某個功能基因兩 端時就可能產(chǎn)生復合轉座子。一旦形成復合轉 座子，IS序列就不能再單獨移動，因為它們的 功能被修飾了，只能作為復合體移動。 轉座作用的機制 轉座時發(fā)生的插入作用有一個普遍的特征，那 就是受體分子中有一段很短的（3-12bp）、被 稱為靶序列的DNA會被復制，使插入的轉座子 位于兩個重復的靶序列之

9、間。不同轉座子的靶 序列長度不同，但對于一個特定的轉座子來說， 它所復制的靶序列長度都是一樣的，如IS1兩 翼總有9個堿基對的靶序列，而Tn3兩端總有 5bp的靶序列。 轉座作用的機制 轉座可被分為復制性和非復制性兩大類。 在復制性轉座中，所移動和轉位的是原轉座子 的拷貝。轉座酶（transposase）和解離酶 （resolvase）分別作用于原始轉座子和復制轉 座子。TnA類轉座主要是這種形式。 在非復制性轉座中，原始轉座子作為一個可移 動的實體直接被移位，IS序列、Mu及Tn5等都 以這種方式進行轉座。 轉座作用的遺傳學效應 轉座引起插入突變 轉座產(chǎn)生新的基因 轉座產(chǎn)生的染色體畸變 轉座引起的生物進化. 果蠅的轉座子 P因子 FB因子 Copia因子 F因子 細菌結合 實驗材料 菌株： 受體菌：FD1006-(lac proB)galE strr 供體菌：Tn5.Gml-Flac+pro+/(proB lac)Val- 培養(yǎng)基： LB培