轉(zhuǎn)座因子的遺傳分析

1、本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容 第1節(jié) 轉(zhuǎn)座因子的發(fā)現(xiàn)與分類 第2節(jié) 原核生物中的轉(zhuǎn)座因子 第3節(jié) 真核生物中的轉(zhuǎn)座因子 第4節(jié) 轉(zhuǎn)座作用的分子機制 第5節(jié) 轉(zhuǎn)座因子的遺傳學效應(yīng)及其應(yīng)用 第第1節(jié)節(jié) 轉(zhuǎn)座因子的發(fā)現(xiàn)與分類轉(zhuǎn)座因子的發(fā)現(xiàn)與分類 1914年，Emerson在研 究玉米果皮色素遺傳 過程中，發(fā)現(xiàn)一種花 斑果皮的突變類型。 （1） 玉米花斑的發(fā)現(xiàn)玉米花斑的發(fā)現(xiàn) 1938年，Rhoades研究玉米籽粒糊粉層色素遺傳，首 次報道一個基因的遺傳不穩(wěn)定性受到一個獨立基因的 控制，但也未揭示其遺傳機制 符合孟德爾分離比符合孟德爾分離比 且基因不連鎖且基因不連鎖 有色：有色：A1/a1 斑點：斑點：Dt

2、/dt A1，a1的不穩(wěn)定性的不穩(wěn)定性 a1a1Dt_中，發(fā)生回復突變，即a1A1； 對a1a1Dt_(花斑)進行測交，后代完全有色（理論上 應(yīng)為部分有色），表明在親本a1是一種回復突變率 很高的基因， 其不穩(wěn)定性與Dt基因密切相關(guān)。 Rhoades已發(fā)現(xiàn)了某些基因的不穩(wěn)定性，而且這種不 穩(wěn)定性是由另一個獨立的因子所控制。但仍未揭示 這種不穩(wěn)定性的遺傳學機制。 1940-1950年，McClintock 研究了玉米胚乳的紫色、白 色以及白色背景上帶有的紫 色斑點這些表型之間的相互 關(guān)系 McClintock的實驗的實驗 花斑表型是不穩(wěn)定的， 推斷“花斑”表型并 不是一般的基因突變 產(chǎn)生的，而是

3、由一種 控制因子的存在所導 致的。 A(anthocyan) 花色素 C(color)決定紅色和紫色的發(fā)生 R(red)紅色，以A、C為先決條件 Pr(purple)紫色，以A、C、R為先決條件 I(inhibitor)抑制C基因的作用 控制玉米糊粉的基因控制玉米糊粉的基因 McClintock認為花斑表型是不穩(wěn)定的，并推斷“花 斑” 表型并不是一般的基因突變產(chǎn)生的，而是由于 某種控制因子的存在所導致的； 玉米帶有野生型C基因，則胚乳呈紫色；C基因的突 變阻斷阻斷了色素的合成，胚乳呈白色；在胚乳發(fā)育過 程中，突變發(fā)生回復導致斑點的產(chǎn)生。 McClintock的解釋的解釋 有色基因C可使籽粒呈現(xiàn)

4、顏色，但在C旁由一個“可移 動的遺傳因子”，即Dissociator (Ds)，Ds可以移動并插 入到C基因中； 當Ds從C上移走后，C作用恢復，出現(xiàn)顏色；花斑的大 小是Ds從C上移走的早晚引起的，移走的早，花斑就大， 反之就小； Ds的移動還受另一個控制因子Activator (Ac)的控制，當 Ac存在時，Ds可移動；Ac丟失，則Ds不能移動。 顯性顯性 隱性隱性 顯性基因丟失，顯性基因丟失， 表象出隱性性狀表象出隱性性狀 無色無色 Ds從從 C 基因切離基因切離 后，出現(xiàn)有色斑點后，出現(xiàn)有色斑點 McClintock于 1951年提出轉(zhuǎn)座因子學說轉(zhuǎn)座因子學說：生物 基因組中存在轉(zhuǎn)座子，這

5、些轉(zhuǎn)座因子既可以沿 染色體移動，也可以在不同染色體之間跳躍。 因此，轉(zhuǎn)座因子又可稱為跳躍基因（jumping gene），但未受到重視 。 （2）Mc Clintock的轉(zhuǎn)座因子學說的轉(zhuǎn)座因子學說 （3） 乳糖操縱子的發(fā)現(xiàn)乳糖操縱子的發(fā)現(xiàn) 1967年，Shapiro在E.coli中發(fā)現(xiàn)半乳糖操縱子(gal) dgal-的密度 dgal+的密度 發(fā)現(xiàn)半乳糖操縱子(gal) 出現(xiàn)一個多余的 DNA 環(huán)（IS1） 轉(zhuǎn)座因子被認可轉(zhuǎn)座因子被認可 2. DNA轉(zhuǎn)座因子轉(zhuǎn)座因子 轉(zhuǎn)座轉(zhuǎn)座(transposition)：基因組內(nèi)一段相對獨立的、可移 動序列，它們不必借用噬菌體或質(zhì)粒的形式就可以從 基因組的一

6、個部位直接轉(zhuǎn)移到另一個部位，這個過程 稱為轉(zhuǎn)座。 轉(zhuǎn)座子每次移動時攜帶著轉(zhuǎn)座必需的基因一起在基因 組內(nèi)躍遷，所以轉(zhuǎn)座子又稱跳躍基因(jumping gene) 轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)座特點轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)座特點 基因組內(nèi)移動 不依賴于供體與受體間的序列關(guān)系 一般僅移動轉(zhuǎn)座子序列本身 轉(zhuǎn)座因子分類轉(zhuǎn)座因子分類 DNA轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)座子 直接以DNA序列某些區(qū)段作為轉(zhuǎn)座成分 反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子 以RNA介導轉(zhuǎn)座 1. DNA轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)座子 復制型轉(zhuǎn)座復制型轉(zhuǎn)座 非復制型轉(zhuǎn)座非復制型轉(zhuǎn)座 保守型轉(zhuǎn)座保守型轉(zhuǎn)座 復制型轉(zhuǎn)座復制型轉(zhuǎn)座 概念：概念：轉(zhuǎn)座過程中，轉(zhuǎn)座子被復制，一個拷貝 保留在原位點，另一份拷貝插入到新的位點，

7、轉(zhuǎn) 座的DNA序列實際上是原轉(zhuǎn)座子的一個拷貝 轉(zhuǎn)座過程伴隨著轉(zhuǎn)座子拷貝數(shù)的增加 轉(zhuǎn)座酶、解離酶 如：TnA轉(zhuǎn)座子家族 非復制型轉(zhuǎn)座非復制型轉(zhuǎn)座 概念：概念：轉(zhuǎn)座因子作為一個物理性實體，直 接由一個位點轉(zhuǎn)移到另一個位點 保守性強 需要轉(zhuǎn)座酶 如：Tn10與Tn5 保守型轉(zhuǎn)座保守型轉(zhuǎn)座 概念：概念：保守型轉(zhuǎn)座是轉(zhuǎn)座元件從供體部位被切 除并通過一系列的過程插入到靶部位，在該過 程中每個核苷鍵皆被保留； 保守型轉(zhuǎn)座是另一種非復制型的轉(zhuǎn)座過程； 與 噬菌體整合機制非常相似，其轉(zhuǎn)座酶與 整合酶也相關(guān)。 概念：概念：由RNA介導，通過反轉(zhuǎn)錄酶將轉(zhuǎn)座子 RNA拷貝為cDNA后再整合到宿主基因組中形 成轉(zhuǎn)座，稱

8、為反/逆轉(zhuǎn)座子或反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子 類型：類型：反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子和反轉(zhuǎn)錄病毒 只在真核生物基因組中發(fā)現(xiàn) 2.反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子 反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子與反轉(zhuǎn)錄病毒基因組比較反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子與反轉(zhuǎn)錄病毒基因組比較 1.反轉(zhuǎn)錄病毒的基因組為RNA 分子，感染細胞時在反轉(zhuǎn) 錄酶的作用下將 RNA 拷貝為 DNA，然后整合到宿主基 因組中；反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子是DNARNA 整合宿主中； 2.反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子具有類似ERV的順序，沒有編碼外殼蛋白 的基因，不會包裝形成具有蛋白質(zhì)外殼的顆粒； 3.長散在核元件含有與反轉(zhuǎn)座有關(guān)的類反轉(zhuǎn)座基因； 4.短散在核元件本身無反轉(zhuǎn)座酶基因，但可借用宿主中 的反轉(zhuǎn)座酶實現(xiàn)轉(zhuǎn)座。 與轉(zhuǎn)座相關(guān) 第第2

9、節(jié)節(jié) 原核生物中的轉(zhuǎn)座因子原核生物中的轉(zhuǎn)座因子 原核生物的轉(zhuǎn)座因子類型：原核生物的轉(zhuǎn)座因子類型： 插入序列（insertion sequence，IS） 轉(zhuǎn)座子（transposon，Tn） 轉(zhuǎn)座噬菌體（Muphage，Mu） 1. 插入序列插入序列 插入序列：插入序列：原核生物中其中最簡單的轉(zhuǎn)座因子，不 含任何宿主基因的可轉(zhuǎn)位的 DNA 序列； 是細菌染色體或質(zhì)粒 DNA 的正常組成部分 一個細菌細胞常帶有多個 IS 序列 攜帶有介導自身轉(zhuǎn)座的轉(zhuǎn)座酶 IS元件是獨立的結(jié)構(gòu)單位，每個元件只編碼為自身轉(zhuǎn) 座所需要的蛋白質(zhì)； IS元件的末端為短的反向末端重復序列末端重復序列(IR)：在同一 多核苷

10、酸鏈內(nèi)下游存在著與上游某一段序列的互補序 列反向的序列。 ATGGGATCTTTAAAGATCCCAT TACCCTAGAAATTTCTAGGGTA 反向重復序列反向重復序列 轉(zhuǎn)座：轉(zhuǎn)座：可以從染色體 的一個位置轉(zhuǎn)移到另 一位置，或從質(zhì)粒轉(zhuǎn) 移到染色體上 形成兩個正形成兩個正 向重復序列向重復序列 一個正向重一個正向重 復序列復序列 含有含有IS的質(zhì)粒經(jīng)變性后形成頸環(huán)（或啞鈴狀）結(jié)構(gòu)的質(zhì)粒經(jīng)變性后形成頸環(huán)（或啞鈴狀）結(jié)構(gòu) IS的特點的特點 長度在768-5 700 bp； 本身沒有表型效應(yīng)，只攜帶轉(zhuǎn)座酶基因； 兩端幾個到幾十個bp的核苷酸順序完全相同或相近， 但方向相反，稱為反向重復序列(IR

11、)； 插入后引起靶DNA序列多數(shù)為5-11bp的正向重復； 一般情況下，轉(zhuǎn)座頻率為10-4-10-3/世代，恢復頻率 為10-7-10-6/世代。 2.轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)座子(transposon, Tn) 一類較大的轉(zhuǎn)座子：2000-25000bp，兩端反向重復序列； 含有與轉(zhuǎn)座有關(guān)的基因外，還帶有抗藥基因以及其它基 因； 分為簡單轉(zhuǎn)座子和復合轉(zhuǎn)座子； 某些Tn的反向重復序列是已知的IS，帶有IS的Tn也稱為復 合型轉(zhuǎn)座子，如Tn5、Tn10、Tn903；不含有IS的Tn稱為簡 單轉(zhuǎn)座子，如Tn3。 沒有 IS 序列的、體積龐大的轉(zhuǎn)座子 TnA 家族 復合轉(zhuǎn)座子復合轉(zhuǎn)座子 簡單轉(zhuǎn)座子簡單轉(zhuǎn)座子 Tn3

12、轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)座子 不含IS，為簡單轉(zhuǎn)座子； 含有3個基因：編碼-內(nèi)酰胺酶的氨芐青霉素抗性基因 (ampR)，轉(zhuǎn)座酶基因(tnpA)和編碼一種阻遏物的調(diào)節(jié)基 因(tnpR)； 兩端為IR。 Tn5轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)座子 主序列主序列 抗生素基因 編碼轉(zhuǎn)座有關(guān)的酶：編碼轉(zhuǎn)座有關(guān)的酶： 一種（蛋白一種（蛋白 1 ）為轉(zhuǎn)）為轉(zhuǎn) 座酶，另一種（蛋白座酶，另一種（蛋白 2 ）為轉(zhuǎn)座抑制蛋白）為轉(zhuǎn)座抑制蛋白 與與IS50R只差只差 別一個堿基別一個堿基 TnA 轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)座子 38 bp 38 bp 3.轉(zhuǎn)座噬菌體轉(zhuǎn)座噬菌體(mutator phage, Mu) 是大腸桿菌的溫和噬菌體，38 000 bp的線狀DNA； M

13、u的特點： 幾乎可以插入宿主染色體任何一個位置上； 游離Mu和已經(jīng)插入的Mu基因次序是相同的； 兩端沒有粘性末端，插入某基因中就引起該基 因突變。 第第3節(jié)節(jié) 真核生物中的轉(zhuǎn)座子真核生物中的轉(zhuǎn)座子 酵母基因組中的轉(zhuǎn)座子 果蠅基因組中的轉(zhuǎn)座子 玉米基因組中的轉(zhuǎn)座子 人類基因組中的轉(zhuǎn)座子 1.酵母基因組中的轉(zhuǎn)座子酵母基因組中的轉(zhuǎn)座子 酵母的酵母的Ty系列系列(transposon yeast, Ty)轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)座子 Ty1為5 900 bp，兩端含有兩個稱為的正向重復序列； 重復序列長約340 bp，具有較高的A、T含量；含有一 個啟動子和一段被轉(zhuǎn)座酶識別的序列。 的正向的正向 重復序列重復序列 的

14、正向的正向 重復序列重復序列 Ty插入酵母菌染色體后，受體上就會出現(xiàn)5 bp的正向重 復序列，與細菌中轉(zhuǎn)座子作用相似。 可能發(fā)生類似于細菌中復制重組過程形成的小環(huán)，丟 失一個 ，而留在酵母中的 稱為 Solo 序列丟失序列丟失 Solo 的形成的形成 Ty因子的轉(zhuǎn)座是通過一 種RNA中間物進行的，類 似于反轉(zhuǎn)錄病毒的復制和 整合，所以Ty1因子也稱作 反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子 Ty1因子轉(zhuǎn)座時首先以 DNA為模板合成一個拷貝 的RNA，再通過反轉(zhuǎn)錄合 成一條新的Ty1因子，最后 這條新的Ty1轉(zhuǎn)座子再插入 到新的位點上。 屬于復制型轉(zhuǎn)座屬于復制型轉(zhuǎn)座 釀酒酵母的兩種接合型的 控制基因和a基因都可以 轉(zhuǎn)座

15、特殊性：只能轉(zhuǎn)座到MAT 座位上 2. 果蠅基因組中的轉(zhuǎn)座子果蠅基因組中的轉(zhuǎn)座子 雜種劣育：雜種劣育：在黑腹果蠅的一些品系間雜交子代出 現(xiàn)某些異?，F(xiàn)象：如卵巢發(fā)育不全、分離比異常、 高突變率、染色體畸變等。 P品系：品系：作為父方造成雜種劣育 M品系：品系：作為母方造成雜種劣育 P因子因子 P：M品系品系P品系品系 后代不育后代不育 P品系的細胞中有導致雜種劣育的遺傳因子稱 為P因子因子 全長2 907bp，兩端有31 bp 的IR區(qū)； P 因子有 4個編碼區(qū)（ 0、1、 2、3 ）、3個內(nèi)含子（ 1、2、 3） 體細胞中，內(nèi)含子1、2被切 除，外顯子0、1、2被翻譯 成轉(zhuǎn)錄阻遏蛋白轉(zhuǎn)錄活 性

16、的抑制因子 生殖細胞中，全部4個外顯 子被翻譯成轉(zhuǎn)座酶，導致P 因子轉(zhuǎn)座，配子敗育 M品系果品系果 蠅缺失阻蠅缺失阻 遏蛋白遏蛋白 M品系缺失阻遏蛋白品系缺失阻遏蛋白 果蠅的果蠅的 P因子與雜種劣育因子與雜種劣育 P因子插入后在靶DNA序列形成8bp正向重復序列； 切離：P因子可以從原來的位置上消失，這一過程 稱為切離(excision)； P因子的準確切離對遺傳具有重要的意義； P因子的位置和數(shù)目：不同果蠅品系的基因組中P因 子的位置、數(shù)目均不相同(30-50 copy)； 引起插入突變：P因子的插入而發(fā)生突變的基因有 白眼(w)、焦剛毛(sn)、黃體(y)等。 果蠅的轉(zhuǎn)座子（果蠅的轉(zhuǎn)座子（

17、P因子）因子） Ac：activator激活因子激活因子 長4563 bp，轉(zhuǎn)錄生成長 3500 nt單一的RNA，含一個 長 807個密碼子的開放閱讀框。兩端具有長 11 bp 的反 向重復序列，在 Ac因子的插入位點上，兩段反向重復 序列之外各接有一段 8 bp的染色體 DNA 正向重復序列； 含有 4個內(nèi)含子和 5個外顯子 ， 可能編碼與轉(zhuǎn)座有關(guān) 的轉(zhuǎn)座酶； 具有活性的轉(zhuǎn)座酶基因，可自主移動，為自主元件。 3.玉米基因組中的轉(zhuǎn)座子（玉米基因組中的轉(zhuǎn)座子（Ac-Ds家族）家族） Ds：dissociate解離因子解離因子 Ds: dissociate解離因子，在9號染色體上， 是轉(zhuǎn)座酶基因

18、有缺失的Ac元件，需有Ac的 存在才起作用，為非自主元件； Ds具有11 bp的反向重復序列和8 bp的染 色體 DNA正向重復序列。 全長全長4563 bp，4個內(nèi)含子，個內(nèi)含子，5個外顯子個外顯子 11bp反向反向 重復序列重復序列 不能自不能自 動轉(zhuǎn)座動轉(zhuǎn)座 11bp反向反向 重復序列重復序列 4.人類基因組中的轉(zhuǎn)座子人類基因組中的轉(zhuǎn)座子 長散在重復序列(LINE) 短散在重復序列(SINE) 反轉(zhuǎn)錄病毒類轉(zhuǎn)座子 DNA轉(zhuǎn)座子 富含富含A 終止終止 兩個開放閱讀框兩個開放閱讀框 第第4節(jié)節(jié) 轉(zhuǎn)座作用的分子機制轉(zhuǎn)座作用的分子機制 復制型轉(zhuǎn)座機制復制型轉(zhuǎn)座機制 轉(zhuǎn)座子是以它的一個復制品轉(zhuǎn)移到

19、另一位置的， 而在原來位置上仍然保留著原有的轉(zhuǎn)座子； 轉(zhuǎn)座過程是發(fā)生在特定的位點遺傳重組過程 ； 伴隨著DNA的合成，所以是復制式的位點專一性 重組。 1.切開切開 在轉(zhuǎn)座酶的作用下，在受體質(zhì)粒在轉(zhuǎn)座酶的作用下，在受體質(zhì)粒 上的靶序列和識別位點處切開上的靶序列和識別位點處切開 2.連接連接 供體和受體結(jié)合成供體和受體結(jié)合成 為共聯(lián)體為共聯(lián)體 3.復制復制 由由 DNA 多聚酶進行修補復制多聚酶進行修補復制 補上缺口，由連接酶連接補上缺口，由連接酶連接 。 在在 IS 兩端形成了兩個正向重兩端形成了兩個正向重 復序列（復序列（ DR ） 4.重組重組 一個是原來含有轉(zhuǎn)座子的序列，一個是原來含有轉(zhuǎn)

20、座子的序列， 另一個是通過轉(zhuǎn)座插入了轉(zhuǎn)座另一個是通過轉(zhuǎn)座插入了轉(zhuǎn)座 子的序列子的序列 非復制型轉(zhuǎn)座機制非復制型轉(zhuǎn)座機制 2. 反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)座機制反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)座機制 （1） 反轉(zhuǎn)錄病毒的轉(zhuǎn)座機制反轉(zhuǎn)錄病毒的轉(zhuǎn)座機制 反轉(zhuǎn)錄病毒將其RNA基因組的DNA拷貝插入宿主細 胞的染色體中而產(chǎn)生的 反轉(zhuǎn)錄病毒DNA的整合 2. Ty1/copia類反轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)座機制類反轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)座機制 Ty1：兩端為正向重復序列(LTR，約340bp) 含有兩個閱讀框，沒有env基因 轉(zhuǎn)座機制與反轉(zhuǎn)錄病毒的整合機制類同 3.人類人類LINE反轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)座機制反轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)座機制 3端有一串腺苷酸(poly(A) 缺少末端重復序列(LTR)，其整合方式與反轉(zhuǎn)錄病 毒不同 第第5節(jié)節(jié) 轉(zhuǎn)座因子的遺傳學效應(yīng)及其應(yīng)用轉(zhuǎn)座因子的遺傳學效應(yīng)及其應(yīng)用 引起染色體結(jié)構(gòu)的改變 誘發(fā)基因突變與啟動子混編 調(diào)節(jié)基因表達 產(chǎn)生新的變異 轉(zhuǎn)座子標簽(transposon tagging) 1940-1950年，McClintock 研究了