轉座因子的遺傳分析

轉座因子的遺傳分析第1頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二本章主要內容第1節(jié)轉座因子的發(fā)現(xiàn)與分類第2節(jié)原核生物中的轉座因子第3節(jié)真核生物中的轉座因子第4節(jié)轉座作用的分子機制第5節(jié)轉座因子的遺傳學效應及其應用第2頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二第1節(jié)轉座因子的發(fā)現(xiàn)與分類1914年，Emerson在研究玉米果皮色素遺傳過程中，發(fā)現(xiàn)一種花斑果皮的突變類型。（1）

玉米花斑的發(fā)現(xiàn)第3頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二1938年，Rhoades研究玉米籽粒糊粉層色素遺傳，首次報道一個基因的遺傳不穩(wěn)定性受到一個獨立基因的控制，但也未揭示其遺傳機制符合孟德爾分離比且基因不連鎖有色：A1/a1斑點：Dt/dt第4頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二A1，a1的不穩(wěn)定性a1a1Dt_中，發(fā)生回復突變，即a1→A1；對a1a1Dt_(花斑)進行測交，后代完全有色（理論上應為部分有色），表明在親本a1是一種回復突變率很高的基因，其不穩(wěn)定性與Dt基因密切相關。Rhoades已發(fā)現(xiàn)了某些基因的不穩(wěn)定性，而且這種不穩(wěn)定性是由另一個獨立的因子所控制。但仍未揭示這種不穩(wěn)定性的遺傳學機制。第5頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二

1940-1950年，McClintock研究了玉米胚乳的紫色、白色以及白色背景上帶有的紫色斑點這些表型之間的相互關系McClintock的實驗第6頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二花斑表型是不穩(wěn)定的，推斷“花斑”表型并不是一般的基因突變產(chǎn)生的，而是由一種控制因子的存在所導致的。第7頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二A(anthocyan)

花色素C(color)

決定紅色和紫色的發(fā)生R(red)

紅色，以A、C為先決條件Pr(purple)

紫色，以A、C、R為先決條件I(inhibitor)

抑制C基因的作用控制玉米糊粉的基因第8頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二McClintock認為花斑表型是不穩(wěn)定的，并推斷“花斑”表型并不是一般的基因突變產(chǎn)生的，而是由于某種控制因子的存在所導致的；玉米帶有野生型C基因，則胚乳呈紫色；C基因的突變阻斷了色素的合成，胚乳呈白色；在胚乳發(fā)育過程中，突變發(fā)生回復導致斑點的產(chǎn)生。McClintock的解釋第9頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二有色基因C可使籽粒呈現(xiàn)顏色，但在C旁由一個“可移動的遺傳因子”，即Dissociator(Ds)，Ds可以移動并插入到C基因中；當Ds從C上移走后，C作用恢復，出現(xiàn)顏色；花斑的大小是Ds從C上移走的早晚引起的，移走的早，花斑就大，反之就??；Ds的移動還受另一個控制因子Activator(Ac)的控制，當Ac存在時，Ds可移動；Ac丟失，則Ds不能移動。第10頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二顯性隱性顯性基因丟失，表象出隱性性狀無色Ds從C

基因切離后，出現(xiàn)有色斑點第11頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二

McClintock于1951年提出轉座因子學說：生物基因組中存在轉座子，這些轉座因子既可以沿染色體移動，也可以在不同染色體之間跳躍。因此，轉座因子又可稱為跳躍基因（jumpinggene），但未受到重視。（2）McClintock的轉座因子學說第12頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二（3）

乳糖操縱子的發(fā)現(xiàn)1967年，Shapiro在E.coli中發(fā)現(xiàn)半乳糖操縱子(gal)λdgal-的密度>

λdgal+的密度發(fā)現(xiàn)半乳糖操縱子(gal)第13頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二出現(xiàn)一個多余的DNA環(huán)（IS1）轉座因子被認可第14頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二2.DNA轉座因子

轉座(transposition)：基因組內一段相對獨立的、可移動序列，它們不必借用噬菌體或質粒的形式就可以從基因組的一個部位直接轉移到另一個部位，這個過程稱為轉座。

轉座子每次移動時攜帶著轉座必需的基因一起在基因組內躍遷，所以轉座子又稱跳躍基因(jumpinggene)第15頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二轉座子的轉座特點基因組內移動不依賴于供體與受體間的序列關系一般僅移動轉座子序列本身第16頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二轉座因子分類DNA轉座子直接以DNA序列某些區(qū)段作為轉座成分反轉錄轉座子以RNA介導轉座第17頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二1.DNA轉座子

復制型轉座非復制型轉座保守型轉座

第18頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二復制型轉座概念：轉座過程中，轉座子被復制，一個拷貝保留在原位點，另一份拷貝插入到新的位點，轉座的DNA序列實際上是原轉座子的一個拷貝轉座過程伴隨著轉座子拷貝數(shù)的增加轉座酶、解離酶如：TnA轉座子家族第19頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二第20頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二非復制型轉座概念：轉座因子作為一個物理性實體，直接由一個位點轉移到另一個位點保守性強需要轉座酶如：Tn10與Tn5第21頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二第22頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二保守型轉座概念：保守型轉座是轉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；保守型轉座是另一種非復制型的轉座過程；與λ噬菌體整合機制非常相似，其轉座酶與λ整合酶也相關。第23頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二第24頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二概念：由RNA介導，通過反轉錄酶將轉座子RNA拷貝為cDNA后再整合到宿主基因組中形成轉座，稱為反/逆轉座子或反轉錄轉座子類型：反轉錄轉座子和反轉錄病毒只在真核生物基因組中發(fā)現(xiàn)反轉錄轉座子第25頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二第26頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二反轉錄轉座子與反轉錄病毒基因組比較反轉錄病毒的基因組為RNA分子，感染細胞時在反轉錄酶的作用下將RNA拷貝為DNA，然后整合到宿主基因組中；反轉錄轉座子是DNA→RNA→整合宿主中；反轉錄轉座子具有類似ERV的順序，沒有編碼外殼蛋白的基因，不會包裝形成具有蛋白質外殼的顆粒；長散在核元件含有與反轉座有關的類反轉座基因；短散在核元件本身無反轉座酶基因，但可借用宿主中的反轉座酶實現(xiàn)轉座。第27頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二與轉座相關第28頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二第2節(jié)原核生物中的轉座因子原核生物的轉座因子類型：

插入序列（insertionsequence，IS）

轉座子（transposon，Tn）轉座噬菌體（Muphage，Mu）第29頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二1.插入序列

插入序列：原核生物中其中最簡單的轉座因子，不含任何宿主基因的可轉位的DNA序列；是細菌染色體或質粒DNA的正常組成部分一個細菌細胞常帶有多個IS

序列

攜帶有介導自身轉座的轉座酶第30頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二

IS元件是獨立的結構單位，每個元件只編碼為自身轉座所需要的蛋白質；

IS元件的末端為短的反向末端重復序列(IR)：在同一多核苷酸鏈內下游存在著與上游某一段序列的互補序列反向的序列。ATGGGATCTTTAAAGATCCCATTACCCTAGAAATTTCTAGGGTA第31頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二反向重復序列轉座：可以從染色體的一個位置轉移到另一位置，或從質粒轉移到染色體上形成兩個正向重復序列一個正向重復序列第32頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二含有IS的質粒經(jīng)變性后形成頸環(huán)（或啞鈴狀）結構第33頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二IS的特點長度在768-5700bp；

本身沒有表型效應，只攜帶轉座酶基因；

兩端幾個到幾十個bp的核苷酸順序完全相同或相近，但方向相反，稱為反向重復序列(IR)；

插入后引起靶DNA序列多數(shù)為5-11bp的正向重復；

一般情況下，轉座頻率為10-4-10-3/世代，恢復頻率為10-7-10-6/世代。第34頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二轉座子(transposon,Tn)一類較大的轉座子：2000-25000bp，兩端反向重復序列；含有與轉座有關的基因外，還帶有抗藥基因以及其它基因；

分為簡單轉座子和復合轉座子；某些Tn的反向重復序列是已知的IS，帶有IS的Tn也稱為復合型轉座子，如Tn5、Tn10、Tn903；不含有IS的Tn稱為簡單轉座子，如Tn3。沒有IS

序列的、體積龐大的轉座子TnA

家族第35頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二復合轉座子簡單轉座子第36頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二Tn3轉座子不含IS，為簡單轉座子；含有3個基因：編碼β-內酰胺酶的氨芐青霉素抗性基因(ampR)，轉座酶基因(tnpA)和編碼一種阻遏物的調節(jié)基因(tnpR)；兩端為IR。第37頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二Tn5轉座子主序列抗生素基因編碼轉座有關的酶：一種（蛋白1）為轉座酶，另一種（蛋白2）為轉座抑制蛋白與IS50R只差別一個堿基第38頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二TnA轉座子38bp38bp第39頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二轉座噬菌體(mutatorphage,Mu)是大腸桿菌的溫和噬菌體，38000bp的線狀DNA；Mu的特點：幾乎可以插入宿主染色體任何一個位置上；游離Mu和已經(jīng)插入的Mu基因次序是相同的；兩端沒有粘性末端，插入某基因中就引起該基因突變。第40頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二第3節(jié)真核生物中的轉座子酵母基因組中的轉座子果蠅基因組中的轉座子玉米基因組中的轉座子人類基因組中的轉座子第41頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二酵母基因組中的轉座子酵母的Ty系列(transposonyeast,Ty)轉座子Ty1為5900bp，兩端含有兩個稱為δ的正向重復序列；

δ重復序列長約340bp，具有較高的A、T含量；含有一個啟動子和一段被轉座酶識別的序列。δ的正向重復序列δ的正向重復序列第42頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二Ty插入酵母菌染色體后，受體上就會出現(xiàn)5bp的正向重復序列，與細菌中轉座子作用相似。可能發(fā)生類似于細菌中復制重組過程形成的小環(huán)，丟失一個δ，而留在酵母中的δ稱為Soloδδ序列丟失Soloδ的形成第43頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二Ty因子的轉座是通過一種RNA中間物進行的，類似于反轉錄病毒的復制和整合，所以Ty1因子也稱作反轉錄轉座子Ty1因子轉座時首先以DNA為模板合成一個拷貝的RNA，再通過反轉錄合成一條新的Ty1因子，最后這條新的Ty1轉座子再插入到新的位點上。第44頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二屬于復制型轉座釀酒酵母的兩種接合型的控制基因α和a基因都可以轉座特殊性：只能轉座到MAT座位上第45頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二果蠅基因組中的轉座子雜種劣育：在黑腹果蠅的一些品系間雜交子代出現(xiàn)某些異?，F(xiàn)象：如卵巢發(fā)育不全、分離比異常、高突變率、染色體畸變等。P品系：作為父方造成雜種劣育M品系：作為母方造成雜種劣育第46頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二P因子P：M品系♀×P品系♂↓后代不育P品系的細胞中有導致雜種劣育的遺傳因子稱為P因子第47頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二全長2907bp，兩端有31bp的IR區(qū)；P因子有4個編碼區(qū)（0、1、2、3）、3個內含子（1、2、3）體細胞中，內含子1、2被切除，外顯子0、1、2被翻譯成轉錄阻遏蛋白——轉錄活性的抑制因子生殖細胞中，全部4個外顯子被翻譯成轉座酶，導致P因子轉座，配子敗育第48頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二M品系果蠅缺失阻遏蛋白M品系缺失阻遏蛋白第49頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二果蠅的P因子與雜種劣育第50頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二P因子插入后在靶DNA序列形成8bp正向重復序列；切離：P因子可以從原來的位置上消失，這一過程稱為切離(excision)；P因子的準確切離對遺傳具有重要的意義；P因子的位置和數(shù)目：不同果蠅品系的基因組中P因子的位置、數(shù)目均不相同(30-50copy)；引起插入突變：P因子的插入而發(fā)生突變的基因有白眼(w)、焦剛毛(sn)、黃體(y)等。果蠅的轉座子（P因子）第51頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二Ac：activator激活因子長4563bp，轉錄生成長3500nt單一的RNA，含一個長807個密碼子的開放閱讀框。兩端具有長11bp的反向重復序列，在Ac因子的插入位點上，兩段反向重復序列之外各接有一段8bp的染色體DNA正向重復序列；含有4個內含子和5個外顯子，可能編碼與轉座有關的轉座酶；具有活性的轉座酶基因，可自主移動，為自主元件。玉米基因組中的轉座子（Ac-Ds家族）第52頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二Ds：dissociate解離因子Ds:dissociate解離因子，在9號染色體上，是轉座酶基因有缺失的Ac元件，需有Ac的存在才起作用，為非自主元件；Ds具有11bp的反向重復序列和8bp的染色體DNA正向重復序列。第53頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二全長4563bp，4個內含子，5個外顯子11bp反向重復序列不能自動轉座11bp反向重復序列第54頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二人類基因組中的轉座子長散在重復序列(LINE)短散在重復序列(SINE)反轉錄病毒類轉座子DNA轉座子第55頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二

富含A

終止兩個開放閱讀框第56頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二第4節(jié)轉座作用的分子機制復制型轉座機制轉座子是以它的一個復制品轉移到另一位置的，而在原來位置上仍然保留著原有的轉座子；

轉座過程是發(fā)生在特定的位點遺傳重組過程；

伴隨著DNA的合成，所以是復制式的位點專一性重組。第57頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二1.切開在轉座酶的作用下，在受體質粒上的靶序列和識別位點處切開2.連接供體和受體結合成為共聯(lián)體3.復制由DNA多聚酶進行修補復制補上缺口，由連接酶連接。在IS兩端形成了兩個正向重復序列（DR