第四章DNA的轉(zhuǎn)座分子生物學

第四章DNA的轉(zhuǎn)座

（DNAtransposition）目前一頁\總數(shù)六十一頁\編于十七點一、轉(zhuǎn)座成分概述1.轉(zhuǎn)座子(元)或轉(zhuǎn)座元件(transposonortransposableelement):即能夠反復(fù)插入到基因中許多位點的特殊DNA片段，它們可從一個位點轉(zhuǎn)移到另一個位點，從一個復(fù)制子到另一個復(fù)制子（在轉(zhuǎn)移時原來位置上的這些結(jié)構(gòu)依然存在或不存在）。目前二頁\總數(shù)六十一頁\編于十七點2.特點：

?不必借助同源序列就可移動的DNA片段，即轉(zhuǎn)座作用與供體和受體之間的序列無關(guān)。

?原核生物和真核生物均有轉(zhuǎn)座子。

?轉(zhuǎn)座序列可沿染色體移動，甚至在不同染色體間跳躍。目前三頁\總數(shù)六十一頁\編于十七點3.種類與特征（1）類型：

A簡單轉(zhuǎn)座子或（插入序列insertionsequenceIS）

B復(fù)合轉(zhuǎn)座子

C巨型轉(zhuǎn)座子

（2）特征：a）兩端有20～40bp的反向重復(fù)序列(IR)b）具有編碼轉(zhuǎn)座酶（transposase）的基因c）復(fù)合轉(zhuǎn)座子除轉(zhuǎn)座酶基因外還有1~數(shù)個基因。

d）轉(zhuǎn)座酶催化轉(zhuǎn)座子插入新位點。目前四頁\總數(shù)六十一頁\編于十七點A插入序列?最簡單，是細菌染色體、質(zhì)粒和某些噬菌體的正常組分，是一個自主的單位，每種IS均編碼自身轉(zhuǎn)座所需的蛋白質(zhì)。?

命名：IS＋編號（鑒定類型）長度700～2000bp目前五頁\總數(shù)六十一頁\編于十七點每種IS元件具有不同序列，但有共同的組織形式插入序列IS1的結(jié)構(gòu)目前六頁\總數(shù)六十一頁\編于十七點目前七頁\總數(shù)六十一頁\編于十七點目前八頁\總數(shù)六十一頁\編于十七點B復(fù)合轉(zhuǎn)座子?

表示法：通常以Tn和后面加上數(shù)碼表示，如Tn903。?

結(jié)構(gòu):

a.除有轉(zhuǎn)座酶基因外還有其它表型基因，如：抗藥基因，使宿主具表型效應(yīng)。

b.兩側(cè)有重復(fù)序列。

c.有的轉(zhuǎn)座子的重復(fù)順序就是IS。?

功能：和IS一樣可以從一個位點轉(zhuǎn)座到另一個位點。目前九頁\總數(shù)六十一頁\編于十七點Tn1681大腸桿菌熱穩(wěn)定毒素I基因552bpIRIRIRIR復(fù)合轉(zhuǎn)座子結(jié)構(gòu)示意圖IS1IS1目前十頁\總數(shù)六十一頁\編于十七點目前十一頁\總數(shù)六十一頁\編于十七點a)Tn/TnAfamily

l

具有IR、轉(zhuǎn)座酶基因、調(diào)節(jié)基因（解離酶）、抗抗生素基因

2.5kb20kb

Tn3IRTnpATnpRAmpRIR38bp38bp轉(zhuǎn)座酶regulatorβ-內(nèi)酰胺酶

?

兩種類型目前十二頁\總數(shù)六十一頁\編于十七點b）兩端重復(fù)序列為IS的復(fù)合轉(zhuǎn)座子

e.g.IS插入到功能基因兩端，可能形成復(fù)合轉(zhuǎn)座因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(fù)合轉(zhuǎn)座子。一旦形成復(fù)合轉(zhuǎn)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(fù)合體移動。目前十三頁\總數(shù)六十一頁\編于十七點ISISISISLISR臂中心區(qū)臂transposition目前十四頁\總數(shù)六十一頁\編于十七點?

當兩個IS組件相同時，其中任一個都可行使轉(zhuǎn)座功能?

不同時，主要依靠一個?

兩側(cè)的IS既可以是IR，又可以是DR狀態(tài)（IR多）目前十五頁\總數(shù)六十一頁\編于十七點C、轉(zhuǎn)座噬菌體Muphage

（巨型轉(zhuǎn)座子）

CrepressorforA,BB33kd與轉(zhuǎn)座有關(guān)A70kd轉(zhuǎn)座酶U,S毒性蛋白attL,attR與寄主同源，反向重復(fù)，轉(zhuǎn)座必需GinG區(qū)倒位酶G倒位區(qū)38kbattLCABSUattR150bp1.5kb

Pgin

以E.coli為寄主的溫和型噬菌體（溶源、裂解）目前十六頁\總數(shù)六十一頁\編于十七點

Mu的插入途徑a）侵入的Mu在溶源化過程中任意插入寄DNAb）進入裂解生長后，復(fù)制產(chǎn)生后代MuDNA幾乎全部插入寄主DNA中，并可繼續(xù)轉(zhuǎn)座（形成寄主DNA和Mu的共合體），噬菌體成熟時，切段共合體包裝目前十七頁\總數(shù)六十一頁\編于十七點1.轉(zhuǎn)座的一般模式二、轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)作機制與模式

轉(zhuǎn)座子插到新的位點上，靶DNA上產(chǎn)生交錯切口，所形成的單鏈末端與轉(zhuǎn)座子兩端的反向重復(fù)序列相連，由DNA聚合酶填補缺口，DNA連接酶封閉切口。轉(zhuǎn)座結(jié)束后，靶DNA發(fā)生一個正向重復(fù)序列。目前十八頁\總數(shù)六十一頁\編于十七點目前十九頁\總數(shù)六十一頁\編于十七點目前二十頁\總數(shù)六十一頁\編于十七點2.復(fù)制型轉(zhuǎn)座模式（replicativetransposition）

轉(zhuǎn)座子作為可移動的元件被復(fù)制，一個拷貝保留在供體原來的部位不變；另一個拷貝則插入到受體的位點上，結(jié)果供體和受體都有一個轉(zhuǎn)座子的拷貝。

需兩種酶：

轉(zhuǎn)座酶(transposase)：作用于靶位點和原來轉(zhuǎn)座子兩端。

解離酶(resolvase)：作用于復(fù)制后的拷貝。目前二十一頁\總數(shù)六十一頁\編于十七點目前二十二頁\總數(shù)六十一頁\編于十七點過程

a)共合體形成切口－連接－復(fù)制目前二十三頁\總數(shù)六十一頁\編于十七點

b)拆分靶位點的DR形成目前二十四頁\總數(shù)六十一頁\編于十七點3.非復(fù)制型轉(zhuǎn)座（nonreplicativetransposition)

轉(zhuǎn)座子從供體一個位點轉(zhuǎn)移到受體新位點處，供體

位點留下缺口，受到損傷（嚴重時致死）或宿主修復(fù)系

統(tǒng)識別修復(fù)。

只需轉(zhuǎn)座酶目前二十五頁\總數(shù)六十一頁\編于十七點目前二十六頁\總數(shù)六十一頁\編于十七點4.保守型轉(zhuǎn)座（conservativetransposition)

另一種非復(fù)制型。與λ整合機制相似其轉(zhuǎn)座酶與λ整合酶家族有關(guān)。目前二十七頁\總數(shù)六十一頁\編于十七點5.TnA轉(zhuǎn)座模式?

復(fù)制型轉(zhuǎn)座轉(zhuǎn)座酶(tnpA)、解離酶(tnpR)?

解離酶需要特異的內(nèi)部位點雙重功能：解離功能

tnpA及自身的阻遏物?

拆分位點–res

共合體拆分位點?

轉(zhuǎn)座結(jié)果產(chǎn)生5bp的正向重復(fù)序列目前二十八頁\總數(shù)六十一頁\編于十七點

目前二十九頁\總數(shù)六十一頁\編于十七點a)不依賴供體序列與靶位點間序列的同源性b)轉(zhuǎn)座不是簡單的轉(zhuǎn)移，涉及轉(zhuǎn)座子的復(fù)制Hotspots(熱點)Regionalpreference(在3kb區(qū)域內(nèi)的隨機插入)

d)某些轉(zhuǎn)座因子（Tn3）對同類轉(zhuǎn)座因子的插入具有排他性

（免疫性）e)靶序列在轉(zhuǎn)座因子兩側(cè)會形成正向重復(fù)f)轉(zhuǎn)座因子的切除與轉(zhuǎn)座將產(chǎn)生復(fù)雜的遺傳學效應(yīng)●

轉(zhuǎn)座的特點c)轉(zhuǎn)座插入的靶位點并非完全隨機（插入專一型）目前三十頁\總數(shù)六十一頁\編于十七點三、轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)座頻率的調(diào)控?

每個轉(zhuǎn)座子控制自身轉(zhuǎn)座的核心----控制轉(zhuǎn)座酶的水平不到一個轉(zhuǎn)座酶分子／世代／細胞1）、Tn10轉(zhuǎn)座機制?

Tn10為復(fù)合型轉(zhuǎn)座子?

IS10R元件提供轉(zhuǎn)座酶活性-----合成轉(zhuǎn)座酶的序列?

自發(fā)轉(zhuǎn)座頻率---10－7?

Tn10轉(zhuǎn)座酶水平是控制轉(zhuǎn)座的關(guān)鍵?

有兩種控制轉(zhuǎn)座的方式目前三十一頁\總數(shù)六十一頁\編于十七點

a）通過反義RNA的翻譯水平控制?

IS10R外側(cè)邊緣兩個啟動子?

PIN控制IS10R的轉(zhuǎn)錄－－弱啟動子?

POUT：強啟動子向右轉(zhuǎn)錄宿主DNA?

INRNA和OUTRNA有36bp的重疊穩(wěn)定性：

OUTRNA??INRNA?

大量OUTRNA作為INRNA的反義RNA目前三十二頁\總數(shù)六十一頁\編于十七點

b）甲基化作用控制轉(zhuǎn)座酶合成及其與DNA的結(jié)合?

Tn10轉(zhuǎn)座酶啟動子含有GATC序列（其它轉(zhuǎn)座子）?

E.coli中Dam甲基化酶作用使啟動子相對鈍化只能利用剛剛復(fù)制完成時出現(xiàn)少數(shù)轉(zhuǎn)座酶?

IS10R的末端IR也含有GATC，甲基化的GATC不能結(jié)合轉(zhuǎn)座酶?

Tn10在DNA剛剛復(fù)制后發(fā)生轉(zhuǎn)座目前三十三頁\總數(shù)六十一頁\編于十七點四、轉(zhuǎn)座子的某些遺傳學效應(yīng)1.轉(zhuǎn)座引起插入突變IS、Tn和Mu噬菌體都可能引起插入突變。

插入位點若在一個順反子（cistron)的前端功能基因中，可能造成極性突變（移碼或終止密碼突變）。指減低蛋白質(zhì)合成速度的基因突變目前三十四頁\總數(shù)六十一頁\編于十七點目前三十五頁\總數(shù)六十一頁\編于十七點2.造成插入位點靶DNA的少量堿基對重復(fù)

IS1、Tn10：造成9bp的重復(fù)。IS3：造成3或4bp的重復(fù)。IS4：造成11bp的重復(fù)。3.插入位點出現(xiàn)新基因

復(fù)合轉(zhuǎn)座子帶有抗性基因（如抗藥性基因ampc)，可產(chǎn)生兩方面效應(yīng)：一個基因的插入突變；出現(xiàn)抗藥基因。目前三十六頁\總數(shù)六十一頁\編于十七點4.引起染色體畸變

在一個染色體上（甚至不同染色體上）若有同一轉(zhuǎn)座子的兩個拷貝，其提供的相同重組位點，可導致缺失、倒位、插入。方向相同：產(chǎn)生缺失。方向相反：發(fā)生倒位。目前三十七頁\總數(shù)六十一頁\編于十七點目前三十八頁\總數(shù)六十一頁\編于十七點目前三十九頁\總數(shù)六十一頁\編于十七點目前四十頁\總數(shù)六十一頁\編于十七點通過轉(zhuǎn)座子介導的姐妹染色單體間的染色體內(nèi)異位交換

目前四十一頁\總數(shù)六十一頁\編于十七點5.切除效應(yīng)

指轉(zhuǎn)座子從原來位置上消失。

準確切除：使原插入發(fā)生恢復(fù)突變。

不準確切除：留下轉(zhuǎn)座子殘跡，產(chǎn)生插入突變，但

轉(zhuǎn)座子標志消失。目前四十二頁\總數(shù)六十一頁\編于十七點轉(zhuǎn)座子切離所造成的序列變異目前四十三頁\總數(shù)六十一頁\編于十七點

6.外顯子改組當二個轉(zhuǎn)座子被同一轉(zhuǎn)座酶識別而整合到染色體的鄰近位置時，則位于它們之間的序列有可能被轉(zhuǎn)座酶作用而轉(zhuǎn)座，如果這DNA序列中含有外顯子，則被切離并可能插入另一基因中，這種效應(yīng)稱為外顯子改組(exonshuffling)(圖)。外顯子改組將導致基因組中新基因的產(chǎn)生。

目前四十四頁\總數(shù)六十一頁\編于十七點雙轉(zhuǎn)座子插入所引起的外顯子改組示意圖

目前四十五頁\總數(shù)六十一頁\編于十七點7.轉(zhuǎn)座引起的生物進化由于轉(zhuǎn)座作用，使一些原來在染色體相距甚遠的基因組合到一起，構(gòu)建成一個操縱子或表達單元，也可能產(chǎn)生一些具有新的生物學功能的基因和新的蛋白分子（如復(fù)合式轉(zhuǎn)座子）。目前四十六頁\總數(shù)六十一頁\編于十七點（1）可使原來相距較遠的基因組合在一起，形成一個操縱子。

（2）產(chǎn)生一個新蛋白，把原來兩段分離的DNA序列連在一起。（3）啟動子部位的插入可使基因打開或關(guān)閉。（4）過多轉(zhuǎn)座（頻率過高）對細胞不利，細胞在長期進化中形成了一些不利于轉(zhuǎn)座的代謝途徑，可與轉(zhuǎn)座過程平衡。

（5）轉(zhuǎn)座基因插入時，大多數(shù)受體基因均被鈍化，但也有基因被激活。（這是因為轉(zhuǎn)座子有自己的啟動子，在使轉(zhuǎn)位酶轉(zhuǎn)錄的同時，也可使相鄰基因轉(zhuǎn)錄）。五、轉(zhuǎn)座子效應(yīng)的意義目前四十七頁\總數(shù)六十一頁\編于十七點六、真核生物的轉(zhuǎn)座成分

a)轉(zhuǎn)座機制與細菌的轉(zhuǎn)座子類似遺傳信息：DNA→DNA?

玉米的Ac-Ds元件、果蠅的P元件和FB元件等b)轉(zhuǎn)作機制類似逆轉(zhuǎn)錄病毒遺傳信息：RNA→DNA→RNA?

如：逆轉(zhuǎn)錄病毒、果蠅的Copia元件、酵母的Ty元件根據(jù)轉(zhuǎn)座機制目前分為兩類：目前四十八頁\總數(shù)六十一頁\編于十七點

Ac和Ds這兩個因子都位于玉米的第九號染色體短臂，在色素基因C的附近。

Ac因子全長4.5kb，有5個外顯子，其產(chǎn)物是轉(zhuǎn)座酶。Ac因子兩端是長11bp的反向重復(fù)序列(IR)；

Ds因子長0.4-4kb，它的中間(在轉(zhuǎn)座酶基因中)有許多種長度不等的缺失,如Ds9只缺失194bp，而Ds6則缺失2.5kb，Ds的兩端也都有11bp的反向重復(fù)序列。

Ac和Ds的末端反向重復(fù)幾乎是一樣的，只有一個不同之處：Ac兩端最外邊的核苷酸是彼此不互補的T:G，而Ds是互補的T:A(圖)。目前四十九頁\總數(shù)六十一頁\編于十七點Ac-Ds轉(zhuǎn)座元件結(jié)構(gòu)示意圖。右邊示Ac及Ds元件的單鏈DNA末端反向重復(fù)配對所形成的莖環(huán)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可能對轉(zhuǎn)座有意義目前五十頁\總數(shù)六十一頁\編于十七點

由于缺失轉(zhuǎn)座酶，Ds因子不能自主移動，因此Ds因子是非自主移動的受體因子(dissociator)，而Ac則為自主移動的調(diào)節(jié)因子(activator

)，Ds的轉(zhuǎn)座依賴于Ac元件的存在。Ac、Ds的轉(zhuǎn)座屬于非復(fù)制機制，即不是復(fù)制一份拷貝后將拷貝轉(zhuǎn)移，而是直接從原來位置消失。

目前五十一頁\總數(shù)六十一頁\編于十七點玉米轉(zhuǎn)座因子對胚乳顏色的影響

目前五十二頁\總數(shù)六十一頁\編于十七點目前五十三頁\總數(shù)六十一頁\編于十七點

果蠅的P因子有兩種類型，一類是全長P因子，長2907bp，兩端有33bp的反向重復(fù)序列(IR)，有4個外顯子(4個ORF)，編碼轉(zhuǎn)座酶(圖)；另一類為缺失型P因子，它不能編碼轉(zhuǎn)座酶，它的轉(zhuǎn)座依賴于全長P因子。缺失型P因子都是由活性P因子的中段缺失衍生而來的，長度從500bp到1400bp不等。