實(shí)驗(yàn)五轉(zhuǎn)座子引起的插入突變

1、實(shí)驗(yàn)五 轉(zhuǎn)座子引起的插入突變 冷落四十年的轉(zhuǎn)座子理論 1983年,美國遺傳學(xué)家巴巴拉麥克林托克 （BMcClintock）由于發(fā)現(xiàn)了可移動(dòng)的遺傳 物質(zhì)，被授予諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。 人們把麥?zhǔn)系某删捅戎疄橐话倌昵傲硪晃粋ゴ?的遺傳學(xué)家孟德爾的成就。 研究玉米 玉米是經(jīng)典遺傳學(xué)研究中采用的一個(gè)理想的供 試對象。因?yàn)樗淖蚜：腿~子有顏色變化。這 種顏色變化是由遺傳結(jié)構(gòu)的基本改變引起的。 為了探究遺傳機(jī)構(gòu)變化的內(nèi)在機(jī)制，麥克林托 克年復(fù)一年地在田間仔細(xì)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(fù)雜變化； 然后，將采下的材料帶回實(shí)驗(yàn)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(shí)籽粒 上還出現(xiàn)一些斑斑點(diǎn)點(diǎn)。 她通過耐心的記錄和仔細(xì)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(xué)專題討論會(huì)上，麥克 林托克遞交了自己的學(xué)術(shù)論文，向科學(xué)界同行 報(bào)告了她的新理論。她提出遺傳基因可以轉(zhuǎn)移， 能從染色體的一個(gè)位置跳到另一個(gè)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(zhuǎn)移的遺傳基因稱為“轉(zhuǎn)座因子” 。 “轉(zhuǎn)座因子”除了具有跳動(dòng)的特性之外，還具 有控制其他其因開閉的作用，因此“轉(zhuǎn)座因子” 又可叫做“控制因子”。 轉(zhuǎn)座系統(tǒng)

3、例如SG是一個(gè)產(chǎn)生紫色色素的結(jié)構(gòu)基因，它 附近的一個(gè)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(guān)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(yuǎn)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(jié)構(gòu)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(dòng)得如此之快， 使得受它們控制的顏色基因時(shí)關(guān)時(shí)開，于是玉 米籽粒便出現(xiàn)了斑斑點(diǎn)點(diǎn)。 轉(zhuǎn)座理論不被接受 在當(dāng)時(shí)，占統(tǒng)治地位的染色體遺傳學(xué)理論認(rèn)為， 生物細(xì)胞內(nèi)的遺傳物質(zhì)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(rèn)識(shí)到，也難以設(shè)想出基因會(huì)從一 處跳躍到另一處。 60年代中期，關(guān)于遺傳物質(zhì)的轉(zhuǎn)移，人們在細(xì) 菌中發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)導(dǎo)現(xiàn)象。 60年代后期，當(dāng)人們運(yùn)用遺傳工程這種強(qiáng)有力 的新工具時(shí)，終于在細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)了“轉(zhuǎn)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?zhǔn)系脑缙谘芯克岢龅?相似現(xiàn)象聯(lián)系起來。 終被接受 整個(gè)70年代，分子遺傳學(xué)家找到了愈來愈多的 可移動(dòng)的或可轉(zhuǎn)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(xì)菌中，同時(shí) 也存在于較高等的動(dòng)物中。麥?zhǔn)系睦碚撚值玫?了進(jìn)一步的驗(yàn)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(xué)界普遍接受。她走在時(shí)代前面四十年， 同時(shí)也為此冷落奮斗了四十年。 冷落的原因和啟示 從轉(zhuǎn)座子理論和經(jīng)典遺傳學(xué)的關(guān)系來看，轉(zhuǎn)座子理論 推翻了經(jīng)典遺傳學(xué)關(guān)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(xué)家所接受。 從轉(zhuǎn)座子理論和分子遺傳學(xué)的關(guān)系來看，是由于前者 走在了時(shí)代前面，是一種超時(shí)代發(fā)現(xiàn)?？茖W(xué)界還沒有 做好接受它的準(zhǔn)備。因而遭到分子遺傳學(xué)家的冷落。 從轉(zhuǎn)座子理論賴以建立的實(shí)驗(yàn)

6、材料看，是由于它離開 了分子生物學(xué)的主流。麥克林托克雖然身在冷泉港生 物學(xué)實(shí)驗(yàn)室，但她所采用的材料，與該室中極大多數(shù) 科學(xué)家不同。她沒采用病毒和細(xì)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(shí)驗(yàn)材料 （都是高等植物），得出了相同性質(zhì)的超時(shí)代 發(fā)現(xiàn)，也遭受了大體相同的命運(yùn)，但她畢竟在 晚年看到了自己理論的勝利，并獲得了科學(xué)界 的最高獎(jiǎng)勵(lì) 諾貝爾獎(jiǎng)。 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)轉(zhuǎn)座子的遺傳學(xué)效應(yīng)之 一轉(zhuǎn)座時(shí)可引起插入突變 實(shí)驗(yàn)原理 DNA的轉(zhuǎn)座，或稱移位（transposition）

7、，是由 可移位因子（transposable element）介導(dǎo)的遺 傳物質(zhì)重排現(xiàn)象。 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)座這一命名并不十分準(zhǔn)確，因?yàn)?在轉(zhuǎn)座過程中，可移位因子的一個(gè)拷貝常常留 在原來位置上，在新位點(diǎn)上出現(xiàn)的僅僅是拷貝。 因此，轉(zhuǎn)座有別于同源重組，它依賴于DNA的 復(fù)制。 轉(zhuǎn)座子的分類和結(jié)構(gòu)特征 簡單轉(zhuǎn)座子 轉(zhuǎn)座子（transposon，Tn）是存在于染色 體DNA上可自主復(fù)制和移位的基本單位。 最簡單的轉(zhuǎn)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(xì)菌染色體或質(zhì)粒DNA的正常組成部分。 一個(gè)細(xì)菌細(xì)胞常帶有少于10個(gè)IS序列。轉(zhuǎn)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(dú)立存在的單元，帶有介導(dǎo)自 身移動(dòng)的蛋白。 轉(zhuǎn)座子的分類和結(jié)構(gòu)特征 復(fù)合式轉(zhuǎn)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(zhuǎn)座子，其兩翼往往是兩個(gè)相同或高度同源的 IS序列，表明IS序列插入到某個(gè)功能基因兩 端時(shí)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(dú)移動(dòng)，因?yàn)樗鼈兊?功能被修飾了，只能作為復(fù)合體移動(dòng)。 轉(zhuǎn)座作用的機(jī)制 轉(zhuǎn)座時(shí)發(fā)生的插入作用有一個(gè)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(huì)被復(fù)制，使插入的轉(zhuǎn)座子 位于兩個(gè)重復(fù)的靶序列之

9、間。不同轉(zhuǎn)座子的靶 序列長度不同，但對于一個(gè)特定的轉(zhuǎn)座子來說， 它所復(fù)制的靶序列長度都是一樣的，如IS1兩 翼總有9個(gè)堿基對的靶序列，而Tn3兩端總有 5bp的靶序列。 轉(zhuǎn)座作用的機(jī)制 轉(zhuǎn)座可被分為復(fù)制性和非復(fù)制性兩大類。 在復(fù)制性轉(zhuǎn)座中，所移動(dòng)和轉(zhuǎn)位的是原轉(zhuǎn)座子 的拷貝。轉(zhuǎn)座酶（transposase）和解離酶 （resolvase）分別作用于原始轉(zhuǎn)座子和復(fù)制轉(zhuǎn) 座子。TnA類轉(zhuǎn)座主要是這種形式。 在非復(fù)制性轉(zhuǎn)座中，原始轉(zhuǎn)座子作為一個(gè)可移 動(dòng)的實(shí)體直接被移位，IS序列、Mu及Tn5等都 以這種方式進(jìn)行轉(zhuǎn)座。 轉(zhuǎn)座作用的遺傳學(xué)效應(yīng) 轉(zhuǎn)座引起插入突變 轉(zhuǎn)座產(chǎn)生新的基因 轉(zhuǎn)座產(chǎn)生的染色體畸變 轉(zhuǎn)座引起的生物進(jìn)化. 果蠅的轉(zhuǎn)座子 P因子 FB因子 Copia因子 F因子 細(xì)菌結(jié)合 實(shí)驗(yàn)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