生工微生物遺傳轉(zhuǎn)座因子

關(guān)于生工微生物遺傳轉(zhuǎn)座因子主要內(nèi)容6.1轉(zhuǎn)座子概述6.2細菌轉(zhuǎn)座子的類型和結(jié)構(gòu)6.3細菌轉(zhuǎn)座子的遺傳效應(yīng)和應(yīng)用第2頁,共33頁，2024年2月25日，星期天6.1轉(zhuǎn)座子概述6.1.1概念轉(zhuǎn)座因子（transposableelement,TE）是細胞中能改變自身座位的一段DNA序列，它可以從復制子的一個座位跳躍到另一個座位，已從同一個細胞的一個復制子跳躍到另一個復制子，DNA片斷的這種運動稱為轉(zhuǎn)座。這段會跳躍的DNA片斷稱為轉(zhuǎn)座子。第一個轉(zhuǎn)座因子是美國遺傳學家McClintock于20世紀50年代通過對玉米的遺傳研究中發(fā)現(xiàn)的，現(xiàn)在認為轉(zhuǎn)座子存在于地球上所有的生物。轉(zhuǎn)座子學說使McClintock榮獲1983年諾貝爾生理醫(yī)學獎。第3頁,共33頁，2024年2月25日，星期天是基因組內(nèi)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個部位直接轉(zhuǎn)移到另一個部位。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（jumpinggene）。轉(zhuǎn)座子是基因組的正常組成成分，不以獨立的形式存在（如噬菌體或質(zhì)粒DNA）。轉(zhuǎn)座的發(fā)生不依賴于轉(zhuǎn)座子和靶位點之間任何的序列同源性。轉(zhuǎn)座以很低的頻率發(fā)生（睡美人），而且轉(zhuǎn)座子的插入是隨機的.6.1.2轉(zhuǎn)座子的特點第4頁,共33頁，2024年2月25日，星期天6.1.3轉(zhuǎn)座子的分類兩個基本類型：DNA轉(zhuǎn)座子：一種是以編碼蛋白質(zhì)的DNA序列的形式存在，其編碼的蛋白能直接操作DNA，從而使轉(zhuǎn)座子能夠在基因組內(nèi)繁殖其自身。RNA作為中介：與反轉(zhuǎn)錄病毒有關(guān)，并且它們可移動的特性來自于它們能由RNA轉(zhuǎn)錄物產(chǎn)生DNA拷貝，這種DNA拷貝然后被整合到基因組的新位點。第5頁,共33頁，2024年2月25日，星期天6.2細菌轉(zhuǎn)座子細菌中可轉(zhuǎn)座的遺傳因子可分為四類插入序列轉(zhuǎn)座子接合型轉(zhuǎn)座子某些溫和性噬菌體第6頁,共33頁，2024年2月25日，星期天6.2.1插入序列最簡單的轉(zhuǎn)座子，被稱為插入序列IS（insertionsequences,IS）。IS元件是細菌染色體和質(zhì)粒的正常組成部分，表示法一般按照發(fā)現(xiàn)的順序或發(fā)現(xiàn)人的意愿，用阿拉伯數(shù)字表示，如IS1,IS2等。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)。第7頁,共33頁，2024年2月25日，星期天IS元件具有一個典型的結(jié)構(gòu)，它的末端為反向重復序列，而與其相連的宿主DNA的末端為短的正向重復序列。IS結(jié)構(gòu)第8頁,共33頁，2024年2月25日，星期天在插入部位，ISDNA總是和很短的正向重復序列（directrepeats）相連。但在插入之前靶部位只有這兩個重復序列中的一個。轉(zhuǎn)座后在轉(zhuǎn)座子的兩側(cè)各存在一個此序列的拷貝。轉(zhuǎn)座的結(jié)果是靶部位序列形成了兩個正向重復序列。第9頁,共33頁，2024年2月25日，星期天當在一段DNA序列中見到這種結(jié)構(gòu)類型時，可被用來鑒別轉(zhuǎn)座子。反向重復序列標明了轉(zhuǎn)座子的末端。所有類型轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)座皆需轉(zhuǎn)座酶（transposase）對末端的識別。所有的IS元件皆含有一個單一的長編碼區(qū)，其起始于一端的反向重復序列之內(nèi)，而剛好終止于另一端的反向重復序列之前或之內(nèi)，它編碼轉(zhuǎn)座酶。第10頁,共33頁，2024年2月25日，星期天6.2.2細菌轉(zhuǎn)座子(Tn)將帶有抗性基因并能在不同DNA分子間移動的遺傳單位叫做細菌轉(zhuǎn)座子（bacterialtransposon,Tn）一般帶有抗性基因，容易被鑒定，所以研究得較為深入Tn還帶有其它基因，如乳糖發(fā)酵基因、胞外腸毒素基因等第11頁,共33頁，2024年2月25日，星期天6.2.3細菌轉(zhuǎn)座子的分類復合轉(zhuǎn)座子有兩個完全相同或類似的插入序列（IS）和某種抗藥性基因組成的復合因子兩個IS在Tn中做反向或正向排列，IS可單獨轉(zhuǎn)座，也可帶動整個Tn轉(zhuǎn)座。第12頁,共33頁，2024年2月25日，星期天復雜轉(zhuǎn)座子（TnA轉(zhuǎn)座子）長度約5000bp，兩端是長度30-40bp的末端反向重復序列（IR），或正向重復序列（DR），中央是轉(zhuǎn)座酶基因和抗藥性基因。總是作為一個整體單位進行轉(zhuǎn)座。IS：插入序列Tn:復合轉(zhuǎn)座子TnA：復雜轉(zhuǎn)座子IRISISIR第13頁,共33頁，2024年2月25日，星期天轉(zhuǎn)座子插入到一個新的部位的通常步驟是：在靶DNA上制造一個交錯的切口，然后轉(zhuǎn)座子與突出的單鏈末端相連接，并填充切口。交錯末端的產(chǎn)生和填充解釋了在插入部位產(chǎn)生靶DNA正向重復的原因。鏈的切口之間的交錯決定了正向重復的長度。6.2.4細菌轉(zhuǎn)座因子的插入機制第14頁,共33頁，2024年2月25日，星期天第15頁,共33頁，2024年2月25日，星期天6.2.5三種不同類型的轉(zhuǎn)座復制型轉(zhuǎn)座（replicativetransposition）：作為自身移動的一個部分，轉(zhuǎn)座子被復制，一個拷貝仍然保留在原來的位置上，而另一個則插入到一個新的部位，這樣轉(zhuǎn)座過程伴隨著轉(zhuǎn)座子拷貝數(shù)的增加。第16頁,共33頁，2024年2月25日，星期天剪-貼型轉(zhuǎn)座（非復制）轉(zhuǎn)座元件作為一個物理實體直接由一個部位轉(zhuǎn)移到另一個部位。第17頁,共33頁，2024年2月25日，星期天保守型轉(zhuǎn)座（非復制）保守型轉(zhuǎn)座是另一種非復制型的轉(zhuǎn)座過程，該過程中轉(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。該轉(zhuǎn)座過程與λ的整合機制類似，并且轉(zhuǎn)座酶與λ整合酶家族有關(guān)。第18頁,共33頁，2024年2月25日，星期天保守型轉(zhuǎn)座第19頁,共33頁，2024年2月25日，星期天6.2.6反轉(zhuǎn)座子和反轉(zhuǎn)錄病毒轉(zhuǎn)座元件或轉(zhuǎn)座子是基因組中可移動的獨立的DNA序列從DNA到DNA的轉(zhuǎn)移過程稱為轉(zhuǎn)座從DNA到RNA再到DNA的過程稱為反轉(zhuǎn)座。反轉(zhuǎn)座是經(jīng)RNA介導的轉(zhuǎn)座過程，是真核生物所特有的。第20頁,共33頁，2024年2月25日，星期天第21頁,共33頁，2024年2月25日，星期天反轉(zhuǎn)座子共有的可鑒定的特性為：插入位點會產(chǎn)生短的靶序列的正向重復。反轉(zhuǎn)錄病毒首先被觀察到的是以傳染性病毒顆粒的形式存在，并能在細胞間傳播；而反轉(zhuǎn)座子是被當作基因組中的一部分而被發(fā)現(xiàn)的，它們可以在基因組內(nèi)進行轉(zhuǎn)座，但不能在細胞間遷移。第22頁,共33頁，2024年2月25日，星期天7.2.7Mu噬菌體的轉(zhuǎn)座轉(zhuǎn)座噬菌體是具有轉(zhuǎn)座功能的一類可引起突變的溶源性噬菌體，無論是溶源狀態(tài)還是裂解狀態(tài)，總是整合到寄主染色體上。研究較多的是Mu噬菌體，同一般噬菌體不同，它可以整合到染色體的任一位點上。特點不是細菌基因組的成分，易于識別可誘導產(chǎn)生，易于制備第23頁,共33頁，2024年2月25日，星期天7.3細菌轉(zhuǎn)座子的遺傳效應(yīng)和應(yīng)用遺傳效應(yīng)插入突變（抗藥性、營養(yǎng)缺陷型）基因重排（缺失、擴增和倒位）極性效應(yīng)：不僅能破壞被插入的基因，還可大大降低位于遠離啟動子一端的基因的表達應(yīng)用隨機誘變：通過質(zhì)粒載體轉(zhuǎn)座子基因打靶技術(shù)標簽技術(shù)第24頁,共33頁，2024年2月25日，星期天轉(zhuǎn)座引起的DNA缺失第25頁,共33頁，2024年2月25日，星期天轉(zhuǎn)座引起的DNA倒位第26頁,共33頁，2024年2月25日，星期天確定微生物基因組功能應(yīng)用轉(zhuǎn)座子及其相關(guān)技術(shù),全面確定了微生物基因組功能特征,特別是分支菌屬基因組功能.例如,結(jié)核分支桿菌模式菌株的必需基因組及其相關(guān)功能均用此類方法得到確認第27頁,共33頁，2024年2月25日，星期天鑒別菌株及群體多樣性轉(zhuǎn)座子通常限制性地分布于特定的真菌菌株或群體中,可以作為特定菌株的診斷工具.已用于絲狀真菌群體多樣性分析.在醫(yī)藥工業(yè)方面已用于有益菌株的鑒別,在植物病理學方面已用于鑒別特定的病原體.第28頁,共33頁，2024年2月25日，星期天生態(tài)環(huán)境污染的生物修復由于基因的可變性及轉(zhuǎn)座子的遺傳調(diào)控,許多微生物能夠利用人工合成的化學物質(zhì),與微生物分解代謝相關(guān)的基因往往與插入元件相連。當環(huán)境污染時,轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)移頻率提高,增加了微生物種群的生物降解潛力。第29頁,共33頁，2024年2月25日，星期天基因治療新方法：使用轉(zhuǎn)座子進行轉(zhuǎn)基因《Gene》雜志中報道了一種使用轉(zhuǎn)座子實現(xiàn)真核DNA的目的基因替代的新方法。這樣一個系統(tǒng)可以提供一種基因治療方法，避免了目前在基因替代中常用的病毒載體面臨的一些問題。研究者使用一個移動的細菌系統(tǒng)將一個基因轉(zhuǎn)到人DNA的一個特定位置。一個大腸桿菌轉(zhuǎn)座子將一個抗生素抗性基因轉(zhuǎn)入人DNA。這項技術(shù)有很多優(yōu)點。“可以避免使用引起免疫反應(yīng)的病毒，將基因放入正確的已知位置，而不是隨機插入細胞DNA中，并且只插入一個拷貝，”美國和其它國家使用病毒或非病毒載體進行基因治療已經(jīng)到了臨床試驗階段。他希望能使用他們的非病毒方法在血友病，鐮刀型細胞貧血癥，肌營養(yǎng)失調(diào)癥和苯丙酮酸尿癥患者體內(nèi)導入正常功能基因，并通過導入治療性基因進行癌癥的治療。第30頁,共33頁，2024年2月25日，星期天

埃氏巨型球菌（Megasphaeraelsdenii）是奶牛瘤胃內(nèi)一種常見的革蘭氏陰性乳酸發(fā)酵菌，它能發(fā)酵很多種不同的可溶性碳水化合物，利用丙烯酸途徑將乳酸分解為丙酸，或者經(jīng)乙酰輔酶A途徑在乙酸激酶（AK）和磷酸轉(zhuǎn)乙酰酶（PTA）的作用下生成乙酸[1]。奶牛在妊娠后期和泌乳初期及疾病狀態(tài)下，瘤胃內(nèi)發(fā)酵菌的數(shù)量和比例發(fā)生改變，使丙酸生成減少，而乙酸生成增加[2]?；謴秃椭亟鑫肝⑸飬^(qū)系，不僅可增強圍產(chǎn)期奶牛的消化功能，增加采食量，還可提高生糖先質(zhì)