1、10 转座因子的遗传分析转座因子的遗传分析transposable element 转座因子转座因子insertion sequence,IS 插入序列插入序列transposon,Tn 转座子转座子Mu phage Mu噬菌体噬菌体v转座因子的发现与分类转座因子的发现与分类v原核生物中的转座因子原核生物中的转座因子v真核生物中的转座因子真核生物中的转座因子v转座作用的分子机制转座作用的分子机制v转座因子的遗传学效应及应用转座因子的遗传学效应及应用转座因子的发现与分类转座因子的发现与分类转座因子的发现转座因子的发现转座因子转座因子(transposable element）McClintock
2、发现。发现。McClintock 是美国著名的遗传学家，是美国著名的遗传学家，1944 当选美国国家科学院院士，当选美国国家科学院院士，1945成为美国遗传学成为美国遗传学会主席。会主席。1948年年她首先确认和提出了复合转座子她首先确认和提出了复合转座子 的概的概念，念，70年代后在年代后在原核原核和真核生物中不断发现有转位因子。因此，和真核生物中不断发现有转位因子。因此，35年后将年后将可动基因重大发现归功于她可动基因重大发现归功于她1914年年 Emerson在研究玉米果皮色素遗传过程中，发现一种花斑果皮的突变类型。发生多次回复突变，产生宽窄不同、红白相间的花斑。花斑的产生在于基因的不稳
3、定性 n发现花斑及不稳定现象发现花斑及不稳定现象1938年年 Rhoades研究玉米籽粒糊粉层色素遗传时，发现有色籽粒纯种自交后代表现出一种意外的孟德尔修饰分离比（类似显性上位），由两对不连锁的基因控制，A1/a1控制色素，Dt/dt控制斑点有色：斑点：白色=12：3：1A1A1 dtdt双突变？双突变？A1a1 Dtdt自交3a1a1 Dt-9A1-Dt-3A1-dt dt1a1a1 dtdtPPrrppRRPpRrP-R-或P-rrppR-pprr紫色红色紫色12紫色3红色 1白色显性上位产生斑点的一种可能是在体细胞中产生了回复突变a1A1,但大量的斑点需要很高频率的回复突变。Rhoade
4、s能在a1a1Dt_（花斑）特殊无性生殖植物的花中找到相应的花药，其花粉应携带回复突变产生色素的基因型，而他用这些花粉与a1a1的植株测交，结果所有的后代完全是有颜色的。表明在亲本中每个斑点实际上是回复突变的，a1也成为首次发现的不稳定突变等位基因的例子，但 Rhoades仍未揭示这种不稳定性的遗传机制Rhoades Genetics 1938 23 377 机制？机制？19401950年年 McClintock研究玉米花斑糊粉层和和植株色素产生的遗传基础时，也发现了玉米籽粒上色素斑点的变化。当时已知至少有5对控制玉米糊粉层颜色的基因：A(anthocyan)花色素，如突变则不会产生色素 C(
5、color)决定红色和紫色的发生 R(red)红色，以A、C为先决条件 Pr(purple)紫色，以A、C、R为先决条件 I(inhibitor)抑制C基因的作用n玉米玉米As-Ds转座系统的提出转座系统的提出McClintock利用经典遗传学和细胞遗传学方法，跟踪和结利用经典遗传学和细胞遗传学方法，跟踪和结合最新分子遗传学研究理论，将控制玉米糊粉层颜色的合最新分子遗传学研究理论，将控制玉米糊粉层颜色的5 5对对基因与所观察的玉米胚乳颜色（紫、白、白底紫斑）表型基因与所观察的玉米胚乳颜色（紫、白、白底紫斑）表型及染色体断裂进行综合分析后提出：及染色体断裂进行综合分析后提出：不稳定的不稳定的“花
6、斑花斑”表型不是一般的基因突变造成的，而表型不是一般的基因突变造成的，而是由于是由于控制因子控制因子的的存在存在所致所致决定红、紫色的决定红、紫色的C C基因突变阻断花色素的合成，胚乳呈白基因突变阻断花色素的合成，胚乳呈白色；色；C C基因突变回复基因突变回复致花斑产生致花斑产生 C C基因的无色突变是由基因的无色突变是由“可移动的遗传因子可移动的遗传因子”即即抑制抑制基因（解离因子基因（解离因子dissociator,dissociator,DsDs）插入造成的。另一个可）插入造成的。另一个可移动因子移动因子AsAs（激活因子，（激活因子，activatoractivator）激活）激活Ds
7、Ds进出进出C C基因中，基因中，这就是著名的这就是著名的As-DsAs-Ds转座系统转座系统DsDs导致所存在的号染色体发生断裂，产生无端粒的染导致所存在的号染色体发生断裂，产生无端粒的染色体断裂融合桥（色体断裂融合桥（breakage-fusion-bridgebreakage-fusion-bridge）19511951年年McClintockMcClintock提出转座（提出转座（TranspositionTransposition）和跳跃）和跳跃基因基因(jumping gene)(jumping gene)的新概念的新概念转座模型转座模型Ds可导致染色体断裂可导致染色体断裂花斑表型
8、的形成花斑表型的形成1951年年McClintock提出生物基因组中存在转座因子学说，但未被当时持基因在提出生物基因组中存在转座因子学说，但未被当时持基因在染色体上具有固定位置的主流观点同行接受染色体上具有固定位置的主流观点同行接受20世纪世纪60年代年代继继P.A.Jacob 和和L.Monod之后之后J.Shapiro发现由转导噬菌体发现由转导噬菌体dgal引起的基因突变可恢复，但不能被核酸置换所回复，引起的基因突变可恢复，但不能被核酸置换所回复，因此不是一般的点突变和缺失造成的因此不是一般的点突变和缺失造成的运用密度梯度离心比较运用密度梯度离心比较dgal和和dgal，dgal比比dga
9、l密度大，并将两种密度大，并将两种DNA变性和复性处理后进行电镜观察，发现双链分子中出现多余变性和复性处理后进行电镜观察，发现双链分子中出现多余DNA环环由此证明由此证明dgal突变是因一段称为突变是因一段称为转座因子转座因子的的插入序列（插入序列（insertion sequence）造成的造成的至此，转座因子的概念才被遗传学界所公认！至此，转座因子的概念才被遗传学界所公认！以后在细菌和其他生物中相继发现不同的转座因子以后在细菌和其他生物中相继发现不同的转座因子细菌转座子的发现和转座因子被公认细菌转座子的发现和转座因子被公认分子杂交dgaldgal转座子存在的直接证据转座子存在的直接证据转座
10、因子：是基因组内一段相对独立的可移动序列，它们不必借用噬菌体或质粒的形式就可以从基因组的一个部位直接转移到另一个部位，这个过程称为转座（transposition）。转座子每次移动时携带着转座必需的基因一起在基因组内跃迁，所以转座子又称跳跃基因（jumping gene）。转座子的特点：1）基因组内移动；2）不依赖于供体与受体间的序列关系；3）一般仅移动转座子序列本身Barbara McClintock（1902-1992）坚忍不拔的科学家风范坚忍不拔的科学家风范精神与态度精神与态度方法与技术方法与技术转座因子的分类转座因子的分类1.按按结构结构分类：简单插入因子、复合转座因子及反转录转分类：
11、简单插入因子、复合转座因子及反转录转座因子座因子2.按按转座机制转座机制分类：直接转座、复制转座和反转录转座分类：直接转座、复制转座和反转录转座3.按按转座功能自主性转座功能自主性分类：自主和非自主型转座因子分类：自主和非自主型转座因子4.按照按照分子性质分子性质分类：分类：DNA转座和反转录转座子转座和反转录转座子（以某段以某段DNA序列作为转座成分及以序列作为转座成分及以RNA介导转座区分介导转座区分）DNA转座转座（1）复制型转座）复制型转座(replicative trasposition)（2）非复制型转座）非复制型转座(nonreplicative transposition)（3
12、）保守型转座）保守型转座(conservitive transposiyion )如如TnA在转座反应过程在转座反应过程中，转座子被复制，中，转座子被复制，转座的序列从所在的转座的序列从所在的供体供体DNA上将一个上将一个拷拷贝转座贝转座到到受体受体DNA上，上，需要两种酶需要两种酶:转座酶转座酶（transposase）和和解离酶解离酶（resolvase）即拆分酶。即拆分酶。（1 1）复制型转座）复制型转座（2 2）非复制型转座）非复制型转座转座子序列通过转座子序列通过供体供体DNADNA与受体与受体DNADNA连接，或直连接，或直接被切割而转移接被切割而转移到到受体受体DNADNA上，上
13、，直接转移的方式直接转移的方式只需要只需要转座酶转座酶转座元件从供体位点上切除并通过一转座元件从供体位点上切除并通过一系列过程插入到靶位点，其所有碱基系列过程插入到靶位点，其所有碱基均被保留。一般此类均被保留。一般此类转座序列比较大转座序列比较大，并能将供体并能将供体DNA一同转移，也称为一同转移，也称为附附加体加体(episome)。多为复合转座因子多为复合转座因子，除转座功能外还携带抗药性除转座功能外还携带抗药性(或其它或其它)标记标记(marker)两臂既可以相同方向，也可两臂既可以相同方向，也可(大多数是大多数是)相反方向排列。相反方向排列。保守型转座多属于非复制转座，有些保守型转座多
14、属于非复制转座，有些可兼备非复制或复制两种方式转座可兼备非复制或复制两种方式转座（3 3）保守型转座）保守型转座反转录转座子反转录转座子只存在于真核生物中，转座过程有只存在于真核生物中，转座过程有RNA介导，通过反转介导，通过反转录酶将转座子录酶将转座子RNA拷贝为拷贝为cDNA后整合到宿主基因组中。后整合到宿主基因组中。v转座因子的发现与分类转座因子的发现与分类v原核生物中的转座因子原核生物中的转座因子v真核生物中的转座因子真核生物中的转座因子v转座作用的分子机制转座作用的分子机制v转座因子的遗传学效应及应用转座因子的遗传学效应及应用原核生物中的转座因子原核生物中的转座因子根据原核生物不同转
15、座因子的根据原核生物不同转座因子的分子结构分子结构和和遗传性质遗传性质分成三类分成三类:插入序列插入序列(insertion sequence,IS)转座子转座子(transposon,Tn)Mu噬菌体噬菌体(Mu phage)插入序列插入序列（IS）自主转座自主转座的的简单结构简单结构，只有，只有转座酶基因转座酶基因和两端和两端反向重复反向重复序列序列，一般自身没有任何表型，是一类最小的转座因子，一般自身没有任何表型，是一类最小的转座因子末端反向重复序列末端反向重复序列(Inverted repeats,IR)ATGGGATCTTTTACCCTAGAAAAAAGATCCCATTTTCTAGG
16、GTAIRIR转座子两侧转座子两侧DR形成机制（形成机制（Tn3）转座子转座子及其特点及其特点自主转座自主转座除转座相关的基因外还含有除转座相关的基因外还含有抗性及其他基因抗性及其他基因分子较大分子较大，225 kb,一般两端有一般两端有相同的相同的IR某些某些Tn的的IR便是已知的便是已知的IS，带有，带有IS的的Tn称为称为复合转复合转座子座子（composite transposon），如），如Tn5、Tn10和和Tn903不含不含IS称为简单转座子，如称为简单转座子，如Tn3有些没有有些没有IS的体积庞大转座子称为的体积庞大转座子称为Tn家族家族例如例如TnA转座子家族，其结构中两端有
17、转座子家族，其结构中两端有38 bp的的反向重复序列反向重复序列(IS)，中间有三个基因：编码，中间有三个基因：编码内酰胺酶的内酰胺酶的氨苄青霉素氨苄青霉素(ampicillin)抗性基因抗性基因(ampr)、转座酶转座酶基因基因(tnpA)和编码一种和编码一种阻遏蛋白阻遏蛋白调节调节基因基因(tnpR)，tnpR的产物抑制的产物抑制tnpA和其自和其自身基因的表达身基因的表达res为内部解离位点为内部解离位点(resolvation site)不同不同TnTn家族转座子结构比较家族转座子结构比较转座噬菌体转座噬菌体1963年年Taylor发现发现Mu噬菌体噬菌体(Mutator phage)
18、，为温和噬菌体，为温和噬菌体，基因组为基因组为38 kb线状线状DNA，可，可随随机整合机整合到大肠杆菌基因组中，其到大肠杆菌基因组中，其线性线性DNA末端带有宿主末端带有宿主DNA一一小段序列，转座频率高于一般转小段序列，转座频率高于一般转座子座子 Mu DNA右侧的右侧的3 kb序列序列(G区区)两两端有端有34 bp反向重复序列反向重复序列(IR)，两，两端端IR之间是两套反向编码基因，之间是两套反向编码基因，通过通过DNA反向弯曲反向弯曲(倒转倒转)，一条，一条单链反向利用另一条单链的启动单链反向利用另一条单链的启动子转录，同时抑制了互补链基因子转录，同时抑制了互补链基因的转录的转录有
19、转座和复制相关的有转座和复制相关的A、基因，、基因，gin编编码码转化酶转化酶（invertase），催化），催化IR DNA链链的反向弯曲的反向弯曲v转座因子的发现与分类转座因子的发现与分类v原核生物中的转座因子原核生物中的转座因子v真核生物中的转座因子真核生物中的转座因子v转座作用的分子机制转座作用的分子机制v转座因子的遗传学效应及应用转座因子的遗传学效应及应用真核生物中的转座因子真核生物中的转座因子酵母菌基因组中的转座子酵母菌基因组中的转座子果蝇基因组中的转座子果蝇基因组中的转座子玉米基因组中的转座子玉米基因组中的转座子人类基因组中的转座子人类基因组中的转座子酵母菌基因组中的转座子酵母菌
20、基因组中的转座子如如Ty系列系列(transposon yeast)长长5.9 kb，两端有一个称为，两端有一个称为的的LTR(long terminal repeat，340 bp)，其序列富，其序列富含含AT(约约70%)，有一个启动子和转座，有一个启动子和转座酶识别需序列。其中的酶识别需序列。其中的Ty1转座是通转座是通过过RNA中间体完成的，也被称为中间体完成的，也被称为反转反转录转座子录转座子，其插入和丢失引起靶位点，其插入和丢失引起靶位点基因失活基因失活或或突变恢复突变恢复，也可在基因组，也可在基因组多处拷贝键引起重组而造成多处拷贝键引起重组而造成染色体结染色体结构异常构异常nP因
21、子（因子（P element）：全长）：全长2907bp，两端有，两端有31bp的反向重复序列，是的反向重复序列，是P因子插入和切除必需的因子插入和切除必需的元件；编码区包括四个外显子和三个内含子，编码元件；编码区包括四个外显子和三个内含子，编码转座酶或转座阻遏蛋白转座酶或转座阻遏蛋白ncopia、412、279、Tip、FP等等果蝇基因组中的转座子果蝇基因组中的转座子杂种劣育杂种劣育1977年年M.G.Kidwell等首次证实黑腹果蝇的杂种劣育只出等首次证实黑腹果蝇的杂种劣育只出现在特定的杂交组合中。黑腹果蝇中作为父方造成杂种劣现在特定的杂交组合中。黑腹果蝇中作为父方造成杂种劣育的品系称为父
22、方品系（育的品系称为父方品系（Paternal strains），简称），简称P品系；品系；与与P品系杂交造成杂种劣育的品系称为母方品系品系杂交造成杂种劣育的品系称为母方品系（Maternal strains），简称），简称M品系。深入研究表明品系。深入研究表明P因子因子是导致杂种劣育的遗传因子。是导致杂种劣育的遗传因子。P因子因子基因基因转录物转录物在在体细胞体细胞和和生殖细胞生殖细胞拼接方式不同，分别产生拼接方式不同，分别产生转座阻遏蛋白转座阻遏蛋白和和转座转座酶酶。由于雌配子带有细胞质及从体细胞中合成的转座阻遏。由于雌配子带有细胞质及从体细胞中合成的转座阻遏蛋白，因此由蛋白，因此由P因子
23、转座造成的劣育完全受杂交母本蝇是因子转座造成的劣育完全受杂交母本蝇是否带有否带有P基因影响，由基因影响，由无无P基因母本蝇基因母本蝇和和带有带有P基因的父本基因的父本蝇蝇杂交后代表现杂交后代表现劣育劣育P转座引起的果蝇劣育和突变转座引起的果蝇劣育和突变形成杂种劣育形成杂种劣育不形成杂种劣育不形成杂种劣育玉米基因组中的转座子玉米基因组中的转座子Ac-Ds系统：系统：Ac因子（因子（Activator）即激活因子，一种结构和功能都比较完即激活因子，一种结构和功能都比较完整的转座子，能自主转座整的转座子，能自主转座Ds因子因子(Dissociator)即解离因子，一种结构和功能都不完整的即解离因子，
24、一种结构和功能都不完整的转座子，不能自主转座。能在转座子，不能自主转座。能在Ac因子的作用下在玉米基因组因子的作用下在玉米基因组内移动，它的存在会使染色体上该位置发生断裂的机会增加内移动，它的存在会使染色体上该位置发生断裂的机会增加，并由此改变邻近基因的表达，并由此改变邻近基因的表达 Ac存在，存在，能解除能解除Ds对色素基因对色素基因C的抑制作用，使的抑制作用，使C基因表达，基因表达，颗粒出现色素斑点颗粒出现色素斑点Ac丢失，丢失，插入插入C基因的基因的Ds趋于稳定，抑制了趋于稳定，抑制了C基因的表达，玉基因的表达，玉米颗粒呈无色米颗粒呈无色Ac和和Ds 的结构的结构(a)Ac激活因子的位置
25、不稳定，在无激活因子的位置不稳定，在无Ds转位因子时，转位因子时，C基因不受抑制，颗基因不受抑制，颗 粒呈深色粒呈深色(b)当当Ds因子插入因子插入C基因时，基因时，C的色素表型受到抑制的色素表型受到抑制(c)每当每当Ds转位后，转位后，C基因又可表达，颗粒出现斑点基因又可表达，颗粒出现斑点(d)无无Ac激活因子时，激活因子时，Ds能稳定插入到能稳定插入到C基因中，使颗粒为无色基因中，使颗粒为无色 由于由于Ds和和Ac两因子频繁转位，使玉米颗粒上出现散在斑点两因子频繁转位，使玉米颗粒上出现散在斑点Ds玉米玉米Ac-Ds系统的作用模式系统的作用模式人基因组的转座子人基因组的转座子自主转座自主转座
26、的长散在核元件重复序列的长散在核元件重复序列(LINE)，如在人，如在人类和小鼠中唯一有活性的类和小鼠中唯一有活性的L1(6.5 kb)，近，近10万拷贝，占万拷贝，占总基因组约总基因组约21%非自主转座非自主转座短散在重复序列短散在重复序列(SINE)，3 端与端与L1有同源有同源性，靠性，靠L1转座。上百万拷贝，占总基因组约转座。上百万拷贝，占总基因组约13%约占总基因组约占总基因组8%的反转录病毒类转座子序列，其中有的反转录病毒类转座子序列，其中有反转录酶的能自主转座反转录酶的能自主转座占总基因组约占总基因组约3%的的DNA转座子转座子，带转座酶的自主，失，带转座酶的自主，失去转座酶的非
27、自主去转座酶的非自主v转座因子的发现与分类转座因子的发现与分类v原核生物中的转座因子原核生物中的转座因子v真核生物中的转座因子真核生物中的转座因子v转座作用的分子机制转座作用的分子机制v转座因子的遗传学效应及应用转座因子的遗传学效应及应用转座作用的分子机制转座作用的分子机制(1)复制转座复制转座TEATCCGCAATAGGCGTTATCCGCAATAGGCGTTDRDRATCCGCAATAGGCGTTATCCGCAATAGGCGTTDRDRTE复制型转座分子机制复制型转座分子机制靶位点被靶位点被错位切错位切割割，不同的转座，不同的转座酶形成的粘端核酶形成的粘端核苷酸数量苷酸数量(即即靶序靶序列
28、长度列长度)是一定的。是一定的。被双链切断并释被双链切断并释放出来的放出来的转座子转座子与靶位点与靶位点粘性突粘性突出端出端连接，补平连接，补平的的缺口缺口形成形成正向正向重复重复（）非复制转座（）非复制转座非复制型转座分子机制非复制型转座分子机制反转录转座子转座机制反转录转座子转座机制反转录病毒的基因组结构反转录病毒的基因组结构在反转录中通过模板转换产生负链在反转录中通过模板转换产生负链DNAR U5 U3 RR U5R U5 U3 R U3 RR U5 U5 U3 R U5 正链正链DNA的合成需要第二次跳跃的合成需要第二次跳跃 U3 R U3 R U3 R U5 U3 R U5 U3 R
29、 U5R U5R U5 U5 U5 U5 U5 U5 U5 U3 R U5 U3 R U5 U3 R U5 U3 R U5 U3 R U5 U3 R U5 U3 R U5 U3 R U5 U3 R U5 U3 R U5 U3 R U5反转录病毒整反转录病毒整合入宿主合入宿主DNA中的分子机制，中的分子机制，其本质是转座其本质是转座整合酶在靶整合酶在靶DNADNA上交上交错切割错切割整合酶在整合酶在LTRLTR的的 端端切除个核苷酸切除个核苷酸整合酶将整合酶将LTRLTR的的 端端与与靶靶DNADNA的的 端相连端相连TyTy类反转座子的转座机制类反转座子的转座机制 看作是一个由看作是一个由U3
30、-R-U5组成的组成的LTR转座是由转座是由Ty因子内的基因控制的因子内的基因控制的虽然虽然Ty因子不产生感染颗粒，但在经诱导发生转座因子不产生感染颗粒，但在经诱导发生转座的细胞中存在着的细胞中存在着Ty病毒样颗粒病毒样颗粒(VLPs,Virus-like particles)仅有某些仅有某些Ty因子在任何酵母基因组中都有活性；大因子在任何酵母基因组中都有活性；大部分没有转座能力，与惰性内源性前病毒相似部分没有转座能力，与惰性内源性前病毒相似无无LTR的反转录的反转录转座子通过切开转座子通过切开靶位点双链，提靶位点双链，提供了引物末端。供了引物末端。反转录转座子作反转录转座子作为模板合成为模板
31、合成cDNA人类人类LINE反转座子的转座机制反转座子的转座机制转座转座因子因子的遗的遗传学传学效应效应及应及应用用(1)引起染色体结构变异引起染色体结构变异(2)诱发基因突变与启动外显子混编诱发基因突变与启动外显子混编渗漏突变：渗漏突变：转座子序列插入靶位点后于转录加工中被切除掉，使插入位点基因仍表现显转座子序列插入靶位点后于转录加工中被切除掉，使插入位点基因仍表现显性性状性性状外显子混编：外显子混编：被同一转座酶识别的两个染色体相邻转座子间的外显子常被切除而插入到被同一转座酶识别的两个染色体相邻转座子间的外显子常被切除而插入到另一基因中所引起的效应另一基因中所引起的效应极性效应：极性效应：
32、转座子插入到一个操纵子的上游区，严重降低插入位点下游基因的表达转座子插入到一个操纵子的上游区，严重降低插入位点下游基因的表达(3)调节基因表达调节基因表达(4)转座子标记目的基因转座子标记目的基因(5)作为转基因工程的载体作为转基因工程的载体引起染色体结构的改变引起染色体结构的改变人工转座突变技术介绍人工转座突变技术介绍如利用如利用P因子作为载体对果蝇进行遗传操作因子作为载体对果蝇进行遗传操作transformationTransposase(“helper”)plasmid acts on P-element endsfor integration into genome21P elementinjectionP5P3GFPwhiteUASHSP70polylinkerpUAST plasmidOverexpression ScreenKnock-down Screen 思考题思考题1.1.转座因子有哪些结构共性？转座因子有哪些结构共性？2.2.很多生物基因组中都有转座子，为什么没有很多生物基因组中都有转座子，为什么没有发现很高频率的转座？发现很高频率的转座？3.3.试分析反转录转座因子与反转录病毒之间的试分析反转录转座因子与反转录病毒之间的关系。关系。本章思考题本章思考题
