轉位因子PPT課件

1、 自然界中的基因有千萬種，哪類基因最為常見和最為豐富？由美國南佛羅里達州立大學、圣迭戈州立大學和芝加哥大學科學家組成的研究小組在對大量基因組進行成功解碼后找到了答案，那就是有“自私DNA（脫氧核糖核酸）”之稱的轉座子。轉座子因其獨特的行為在科學界獲得了諸多“名號”。目前僅知的功能就是到處傳播自己，故有人昵稱其“自私基因”；根據(jù)轉座子可在生物體內或生物體之間移動，并產生不斷變化的遺傳物質的特性，也有人將其叫做“跳躍基因”。南佛羅里達州立大學海洋科學學院研究員米亞布賴特巴特稱，轉座子還有個稱呼叫“剪貼基因”，它們能持續(xù)地改變和移動，有時甚至還能將其他基因一起帶來。第1頁/共70頁l 轉位因子 Tr

2、ansposable element 基因組中的一個獨立單位，在基因組中可移動，是一個更小，更低級的結構單位。DNA的流動性定義： 能夠進行復制并將一個拷貝插入新位點的DNA序列。（能在基因組中移動的DNA序列叫轉位因子 ）由于它可以從染色體基因組上的一個位置轉移到另一個位置,甚至在不同的染色體之間躍遷所以又稱跳躍基因（jump-gene）抗藥性存在：原核生物、植物中廣泛存在，少數(shù)存在于動物中。第2頁/共70頁第3頁/共70頁l 最早于20世紀40年代由美國冷泉港實驗室B.Mc Clintock發(fā)現(xiàn)玉米的顏色變化與某些基因的關啟有關，而這些基因的關啟可能與某些因子的控制有關，而這些因子在基因組

3、中是可以移動的控制因子。當時這一發(fā)現(xiàn)并沒有引起人們的注意；l直到70年代Shapiro發(fā)現(xiàn)大腸桿菌的乳糖操縱子的突變是由于插入了一段序列，后來又發(fā)現(xiàn)了其它轉位因子后，McClintock的發(fā)現(xiàn)才被重視；l1983年Clintock榮獲諾貝爾生物學醫(yī)學獎。發(fā)現(xiàn):第4頁/共70頁轉位因子的結構特點： 1. 兩端存在末端重復序列inverted terminal repeats （IR），是轉位過程中至關重要的結構； 2.絕大多數(shù)的轉位因子含有開放閱讀框，（ORF），編碼一個轉位酶，促進轉位因子的轉位； 3.受體DNA在接受插入DNA后，在插入序列的兩側形成同向重復序列； 4. 受體（靶序列）沒有確

4、定的特異性，但趨向于一個“熱點”區(qū)域即所謂“區(qū)域性優(yōu)先”。 取決于DNA雙螺旋狀態(tài)，或DNA-PRO結合狀態(tài)第5頁/共70頁第6頁/共70頁 原核生物的轉位因子: IS因子 insert sequence 轉位子Tn（ Transposon ）復合轉座子 Mu-噬菌體 Mutation-phage 第7頁/共70頁1.IS 因子 insert sequence 最簡單的轉位因子l含有末端反向重復序列和轉位酶基因 15-25bp 控制轉位頻率l IS因子插入后, 受體兩端產生同向重復序列l(wèi) 長度不一, 0.7-1.4kb E . coliE . coli的的F F因子和核染色體組上有一些相同的因

5、子和核染色體組上有一些相同的ISIS（如（如IS2IS2，IS3IS3等），通過這些同源等），通過這些同源序列間的重組，就可使序列間的重組，就可使 F F因子插入到因子插入到E . coliE . coli的核染色體組上，從而使后者成為的核染色體組上，從而使后者成為HfrHfr菌菌株。株。第8頁/共70頁第9頁/共70頁2. 轉位子 Tn Transposonl長度比ISIS序列大 5-20Kb, l兩端有反向重復序列IRIR，有的就是IS因子。 同向/ /反向；相同或不同l除含有轉位酶基因外, ,還可能含有其他結構基因，如抗性基因、抗重金屬離子基因等( (Tn1-ampR; Tn3AmpR,

6、 Tn5和Tn6KanaR)。 第10頁/共70頁第11頁/共70頁第12頁/共70頁 對于復合型轉座子來說，隨著中央序列的增長，轉座的頻率降低。所以長度的依賴性是決定普通復合型轉座子大小的一個因素。 支持復合型轉座子轉座的一個主要的動力是對中心區(qū)所攜帶的標志的選擇。第13頁/共70頁Tn3是一個典型的Tn因子第14頁/共70頁 3. Mu-噬菌體 Mutation-phage 一種以大腸桿菌為寄主的溫和噬菌體，以裂解生長和溶源生長兩種方式之一繁衍自己。 噬菌體存在于大腸桿菌細胞質中，通過整合到寄主染色體上成為源噬菌體狀態(tài)，并與寄主DNA一起復制，這一現(xiàn)象稱溶源化。 裂解生長第15頁/共70頁

7、 Mu DNA為線狀分子，分子量最大（37kb），它含有多個基因。整合到宿主核基因組中去，會引起染色體上許多位點 的突變，故也叫突變因子（Mutator）, 其中約有2%是營養(yǎng)缺陷型突變。 Mu的轉座頻率比一般的轉座子要高 第16頁/共70頁轉座噬菌體 Mu phage （巨型轉座子 ） C repressor for A, BB 33 kd 與轉座有關A 70 kd 轉座酶U, S 毒性蛋白attL, attR 與寄主同源，反向重復，轉座必需 Gin G區(qū)倒位酶G 倒位區(qū) 38kb att L C A B S U att R 150bp 1.5kb Pgin 以E.coli為寄主的溫和型噬菌

8、體（溶源、裂解）第17頁/共70頁感染E.coli K12E.Coli C第18頁/共70頁第19頁/共70頁不同類型的轉座 （1）復制型轉座（replicative transposition）作為自身移動的一個部分，轉座子被復制，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，這樣轉座過程伴隨著轉座子拷貝數(shù)的增加。第20頁/共70頁第21頁/共70頁（2） 非復制型轉座 轉座元件作為一個物理實體直接由一個部位轉移到另一個部位。第22頁/共70頁第23頁/共70頁第24頁/共70頁真核生物的轉座成分 a) 轉座機制與細菌的轉座子類似 遺傳信息： DNADNA 玉米的Ac-Ds元

9、件、果蠅的P元件和FB元件等 b) 轉作機制類似逆轉錄病毒 遺傳信息： RNADNARNA 如：逆轉錄病毒、果蠅的Copia元件、酵母的Ty元件根據(jù)轉座機制目前分為兩類：第25頁/共70頁反轉座子和反轉錄病毒 轉座元件或轉座子是基因組中可移動的獨立的DNA序列，一個轉座子可由基因組的一個位置移到另一個位置。從DNA到DNA的轉移過程稱為轉座。從DNA到RNA再到DNA的過程稱為反轉座。 反轉座是經RNA介導的轉座過程。第26頁/共70頁 必須經過RNA中間體的轉座過程是真核生物所特有的。 一些真核細胞的轉座子和反轉錄病毒的原病毒的一般組成結構相關，并且通過RNA中間體進行轉座，這一類結構單位稱

10、為反轉座子（retroposons）。第27頁/共70頁 反轉座子共有的可鑒定的特性為：插入位點會產生短的靶序列的正向重復。 反轉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進行轉座，但不能在細胞間遷移。第28頁/共70頁第29頁/共70頁逆轉位因子 Retroposon 遺傳信息的流動：DNA DNA 逆轉位因子介導的轉位作用： DNA RNA DNA 轉位時，RNA cDNA 基因組逆轉位因子逆轉錄病毒無膜蛋白包裹, 不能形成病毒顆粒逆轉錄酶第30頁/共70頁 反轉錄轉座子是近年新發(fā)現(xiàn)的由RNA介導轉座

11、的轉座元件，在結構和復制上與反轉錄病毒(retrovirus)類似，只是沒有病毒感染必須的env基因，它通過轉錄合成mRNA,再逆轉錄合成新的元件整合到基因組中完成轉座，每轉座1次拷貝數(shù)就會增加1份，是目前所知高等植物中數(shù)量最大的一類可活動遺傳成分。 目前共發(fā)現(xiàn)了3種類型反轉錄轉座子：Tyl-copia類，Ty3-gypsy類和LINE(long interspersed nuclear Clements)類轉座子，前兩類是具有長末端重復的轉座子，LINE類轉座子沒有長末端重復。高等植物中的反轉錄轉座子主要屬于Tyl-copia類，分布十分廣泛，幾乎覆蓋了所有高等植物種類。第31頁/共70頁第

12、32頁/共70頁第33頁/共70頁 Ac和和Ds這兩個因子都位于玉米的第九號染色體短臂，在這兩個因子都位于玉米的第九號染色體短臂，在色色素基因素基因C的附近。的附近。 Ac因子因子全長全長4.5kb，有，有5個外顯子，其產物是轉座酶。個外顯子，其產物是轉座酶。Ac因子兩端是長因子兩端是長11bp的反向重復序列的反向重復序列(IR)； Ds因子因子長長0.4-4kb，它的中間，它的中間(在在轉座酶基因中轉座酶基因中)有許多種有許多種長度不等的缺失長度不等的缺失, 如如Ds9只缺失只缺失194bp，而，而Ds6則缺失則缺失2.5kb，Ds的兩端也都有的兩端也都有11bp的反向重復序列。的反向重復序

13、列。 Ac和和Ds的末端反向重復幾乎是一樣的，只有一個不同之處：的末端反向重復幾乎是一樣的，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兩端最外邊的核苷酸是彼此不互補的T:G，而，而Ds是互補的是互補的T:A(圖圖)。 玉米的Ac-Ds元件第34頁/共70頁 Ac-Ds轉座元件結構示意圖。右邊示Ac及Ds元件的單鏈DNA末端反向重復配對所形成的莖環(huán)結構，這種結構可能對轉座有意義第35頁/共70頁 由于缺失轉座酶，由于缺失轉座酶，Ds因子不能自主移動，因此因子不能自主移動，因此Ds因子因子是非自主移動是非自主移動的受體因子的受體因子(dissociator)，而，而Ac則為自主移動的調

14、節(jié)因子則為自主移動的調節(jié)因子(activator )，Ds的轉座的轉座依賴于依賴于Ac元件的存在。元件的存在。 Ac、Ds的轉座屬于的轉座屬于非復制機制非復制機制，即不是復制，即不是復制一份拷貝后將拷貝轉移，而是直接從原來位置消失。一份拷貝后將拷貝轉移，而是直接從原來位置消失。 第36頁/共70頁 Ac-Ds系統(tǒng)中，在Ac成分激活下，Ds成分可轉移到新的靶點上，使靶點附近的基因失活或改變表達活性。第37頁/共70頁玉米轉座因子對胚乳顏色的影響 第38頁/共70頁第39頁/共70頁 果蠅中的轉位因子 果蠅中的Copia基因有幾種順序上不相關，但結構和行為相似的因子，統(tǒng)稱“類Copia因子”。它們

15、的一般特征如下：拷貝數(shù)拷貝數(shù) 長度長度末端同末端同 相重復相重復末端反末端反 相重復相重復Copia2060500027610FB30500500002501250P505002900031第40頁/共70頁 Copia因子因子是果蠅的一種反轉錄轉座子是果蠅的一種反轉錄轉座子(retrotransposon或或retroposon)，所謂反轉錄轉，所謂反轉錄轉座子是指通過座子是指通過RNA為中介，反轉錄成為中介，反轉錄成DNA后進行轉座后進行轉座的可動元件。的可動元件。 Copia因子由于存在大量密切相關的編碼高豐因子由于存在大量密切相關的編碼高豐度度mRNAs的序列而得名。的序列而得名。 家

16、族數(shù)量巨大，分布廣泛。家族數(shù)量巨大，分布廣泛。 第41頁/共70頁 Copia因子全長因子全長5000bp左右，兩端各有左右，兩端各有-個相同的個相同的276bP的正向重復序列的正向重復序列(DR)，每個正向重復序列本身，每個正向重復序列本身的兩端還各有一個反向重復序列的兩端還各有一個反向重復序列(IR)。當。當Copia因子轉因子轉座插入染色體時，在插入位點上產生座插入染色體時，在插入位點上產生5bp的正向重復序的正向重復序列。列。 第42頁/共70頁 Copia因子的轉錄產物是因子的轉錄產物是po1y(A)+mRNA，它有兩種形式，一種是，它有兩種形式，一種是完整全長的轉錄本，另一種是部分

17、長度即截短的轉錄本，二者都有相同的完整全長的轉錄本，另一種是部分長度即截短的轉錄本，二者都有相同的5末端。翻譯產生的蛋白質可能參與末端。翻譯產生的蛋白質可能參與RNA的剪接和多肽的切割。關于的剪接和多肽的切割。關于Copia因子轉座的具體過程和細節(jié)目前還不十分清楚。因子轉座的具體過程和細節(jié)目前還不十分清楚。 第43頁/共70頁FB因子：末端反向重復序列長度不同，同一個FB成分的兩個LTR也不完全相同，轉座時靶點序列產生9bp的倍增，有時兩個不同的FB因子共同引起一大段DNA的轉移。第44頁/共70頁P因子 具有不一定的長度，完整的P成份有2900bp，含有四個閱讀框，它們是轉座所必需的，因此只

18、有完整的P成分才具有轉座功能。 共同特點：兩端都有31bp的反向重復序列。 第45頁/共70頁果蠅P因子的結構 第46頁/共70頁果蠅雜種不育僅發(fā)生在P X M中 不帶有P因子的品系稱為M品系第47頁/共70頁第48頁/共70頁果蠅雜種不育取決于基因組中P因子和不同細胞型中阻遏蛋白的相互作用 第49頁/共70頁真核生物的轉位因子酵母中的Ty因子： 是一種分散重復序列，每個Ty因子全長6.3Kb，兩端各有一段334bp的同向重復序列，稱序列，富含AT，可翻譯成42個殘基的氨基酸，每個酵母細胞基因組中有3035個拷貝。第50頁/共70頁第51頁/共70頁Transposon Tagging The

19、 molecular isolation of transposable elements now permits the cloning of genes in which the element resides. The major advantage of this system is that genes whose function is not known can be cloned. The first step in this procedure is to identify a plant stock that is mutant for a specific trait b

20、ecause a transposable element has been inserted into and inactivated the gene. Next, a genomic library (often in bacteriophage lambda) of the plant stock is created. This library is then screened with a clone for the transposable element. Any clone that is selected from the screening will contain th

21、e element. In the clone, sequences for the mutated gene will lie adjacent to the element. A sublcone containing sequences from the gene is then developed from the non-transposable element DNA of the original clone. This clone is then used to screen a genomic library containing DNA from a normal plan

22、t. In this manner, any clone that is selected should contain a full, normal copy of the gene. Because this system is so powerful, scientist have begun introducing elements from corn and Antirrhinum into other species using transformation techniques. It has been demonstrated that these elements can b

23、e induced to move from one location to another in the new species. If this movement is coupled with the appearance of mutant phenotype, then the gene responsible for the phenotype can cloned in that particular species. These techniques have now allowed the use of transposon tagging in plant species

24、in which active transposable elements have not been identified.第52頁/共70頁第53頁/共70頁a) 不依賴供體序列與靶位點間序列的同源性b) 轉座不是簡單的轉移，涉及轉座子的復制Hotspots (熱點)Regional preference ( 在3kb區(qū)域內的隨機插入) d) 某些轉座因子（Tn3）對同類轉座因子的插入具有排他性 （免疫性）e) 靶序列在轉座因子兩側會形成正向重復 f) 轉座因子的切除與轉座將產生復雜的遺傳學效應c) 轉座插入的靶位點并非完全隨機（插入專一型）第54頁/共70頁指減低蛋白質合成速度的基因突變

25、第55頁/共70頁第56頁/共70頁 造成插入位點靶造成插入位點靶DNA的少量堿基對的少量堿基對重復重復IS1、Tn10： 造成造成9bp的重復。的重復。 IS3： 造成造成3或或4bp的重復。的重復。 IS4： 造成造成11bp的重復。的重復。插入位點出現(xiàn)新基因 復合轉座子帶有抗性基因（如抗藥性基因ampc)，可產生兩方面效應：一個基因的插入突變；出現(xiàn)抗藥基因。第57頁/共70頁 引起染色體畸變引起染色體畸變 在一個染色體上（甚至不同染色體上）若有同一在一個染色體上（甚至不同染色體上）若有同一轉座子的兩個拷貝，其提供的相同重組位點，可導致缺轉座子的兩個拷貝，其提供的相同重組位點，可導致缺失、倒位、插入。失、倒位