第四章DNA的轉座分子生物學

第四章DNA的轉座

（DNAtransposition）當前第1頁\共有61頁\編于星期六\8點一、轉座成分概述1.轉座子(元)或轉座元件(transposonortransposableelement):即能夠反復插入到基因中許多位點的特殊DNA片段，它們可從一個位點轉移到另一個位點，從一個復制子到另一個復制子（在轉移時原來位置上的這些結構依然存在或不存在）。當前第2頁\共有61頁\編于星期六\8點2.特點：

?不必借助同源序列就可移動的DNA片段，即轉座作用與供體和受體之間的序列無關。

?原核生物和真核生物均有轉座子。

?轉座序列可沿染色體移動，甚至在不同染色體間跳躍。當前第3頁\共有61頁\編于星期六\8點3.種類與特征（1）類型：

A簡單轉座子或（插入序列insertionsequenceIS）

B復合轉座子

C巨型轉座子

（2）特征：a）兩端有20～40bp的反向重復序列(IR)b）具有編碼轉座酶（transposase）的基因c）復合轉座子除轉座酶基因外還有1~數(shù)個基因。

d）轉座酶催化轉座子插入新位點。當前第4頁\共有61頁\編于星期六\8點A插入序列?最簡單，是細菌染色體、質粒和某些噬菌體的正常組分，是一個自主的單位，每種IS均編碼自身轉座所需的蛋白質。?

命名：IS＋編號（鑒定類型）長度700～2000bp當前第5頁\共有61頁\編于星期六\8點每種IS元件具有不同序列，但有共同的組織形式插入序列IS1的結構當前第6頁\共有61頁\編于星期六\8點當前第7頁\共有61頁\編于星期六\8點當前第8頁\共有61頁\編于星期六\8點B復合轉座子?

表示法：通常以Tn和后面加上數(shù)碼表示，如Tn903。?

結構:

a.除有轉座酶基因外還有其它表型基因，如：抗藥基因，使宿主具表型效應。

b.兩側有重復序列。

c.有的轉座子的重復順序就是IS。?

功能：和IS一樣可以從一個位點轉座到另一個位點。當前第9頁\共有61頁\編于星期六\8點Tn1681大腸桿菌熱穩(wěn)定毒素I基因552bpIRIRIRIR復合轉座子結構示意圖IS1IS1當前第10頁\共有61頁\編于星期六\8點當前第11頁\共有61頁\編于星期六\8點a)Tn/TnAfamily

l

具有IR、轉座酶基因、調節(jié)基因（解離酶）、抗抗生素基因

2.5kb20kb

Tn3IRTnpATnpRAmpRIR38bp38bp轉座酶regulatorβ-內酰胺酶

?

兩種類型當前第12頁\共有61頁\編于星期六\8點b）兩端重復序列為IS的復合轉座子

e.g.IS插入到功能基因兩端，可能形成復合轉座因子其兩翼往往是兩個相同或高度同源的IS序列，表明IS序列插入到某個功能基因兩端時就可能產生復合轉座子。一旦形成復合轉座子，IS序列就不能再單獨移動，因為它們的功能被修飾了，只能作為復合體移動。當前第13頁\共有61頁\編于星期六\8點ISISISISLISR臂中心區(qū)臂transposition當前第14頁\共有61頁\編于星期六\8點?

當兩個IS組件相同時，其中任一個都可行使轉座功能?

不同時，主要依靠一個?

兩側的IS既可以是IR，又可以是DR狀態(tài)（IR多）當前第15頁\共有61頁\編于星期六\8點C、轉座噬菌體Muphage

（巨型轉座子）

CrepressorforA,BB33kd與轉座有關A70kd轉座酶U,S毒性蛋白attL,attR與寄主同源，反向重復，轉座必需GinG區(qū)倒位酶G倒位區(qū)38kbattLCABSUattR150bp1.5kb

Pgin

以E.coli為寄主的溫和型噬菌體（溶源、裂解）當前第16頁\共有61頁\編于星期六\8點

Mu的插入途徑a）侵入的Mu在溶源化過程中任意插入寄DNAb）進入裂解生長后，復制產生后代MuDNA幾乎全部插入寄主DNA中，并可繼續(xù)轉座（形成寄主DNA和Mu的共合體），噬菌體成熟時，切段共合體包裝當前第17頁\共有61頁\編于星期六\8點1.轉座的一般模式二、轉座子的轉作機制與模式

轉座子插到新的位點上，靶DNA上產生交錯切口，所形成的單鏈末端與轉座子兩端的反向重復序列相連，由DNA聚合酶填補缺口，DNA連接酶封閉切口。轉座結束后，靶DNA發(fā)生一個正向重復序列。當前第18頁\共有61頁\編于星期六\8點當前第19頁\共有61頁\編于星期六\8點當前第20頁\共有61頁\編于星期六\8點2.復制型轉座模式（replicativetransposition）

轉座子作為可移動的元件被復制，一個拷貝保留在供體原來的部位不變；另一個拷貝則插入到受體的位點上，結果供體和受體都有一個轉座子的拷貝。

需兩種酶：

轉座酶(transposase)：作用于靶位點和原來轉座子兩端。

解離酶(resolvase)：作用于復制后的拷貝。當前第21頁\共有61頁\編于星期六\8點當前第22頁\共有61頁\編于星期六\8點過程

a)共合體形成切口－連接－復制當前第23頁\共有61頁\編于星期六\8點

b)拆分靶位點的DR形成當前第24頁\共有61頁\編于星期六\8點3.非復制型轉座（nonreplicativetransposition)

轉座子從供體一個位點轉移到受體新位點處，供體

位點留下缺口，受到損傷（嚴重時致死）或宿主修復系

統(tǒng)識別修復。

只需轉座酶當前第25頁\共有61頁\編于星期六\8點當前第26頁\共有61頁\編于星期六\8點4.保守型轉座（conservativetransposition)

另一種非復制型。與λ整合機制相似其轉座酶與λ整合酶家族有關。當前第27頁\共有61頁\編于星期六\8點5.TnA轉座模式?

復制型轉座轉座酶(tnpA)、解離酶(tnpR)?

解離酶需要特異的內部位點雙重功能：解離功能

tnpA及自身的阻遏物?

拆分位點–res

共合體拆分位點?

轉座結果產生5bp的正向重復序列當前第28頁\共有61頁\編于星期六\8點

當前第29頁\共有61頁\編于星期六\8點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)Regionalpreference(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●

轉座的特點c)轉座插入的靶位點并非完全隨機（插入專一型）當前第30頁\共有61頁\編于星期六\8點三、轉座子轉座頻率的調控?

每個轉座子控制自身轉座的核心----控制轉座酶的水平不到一個轉座酶分子／世代／細胞1）、Tn10轉座機制?

Tn10為復合型轉座子?

IS10R元件提供轉座酶活性-----合成轉座酶的序列?

自發(fā)轉座頻率---10－7?

Tn10轉座酶水平是控制轉座的關鍵?

有兩種控制轉座的方式當前第31頁\共有61頁\編于星期六\8點

a）通過反義RNA的翻譯水平控制?

IS10R外側邊緣兩個啟動子?

PIN控制IS10R的轉錄－－弱啟動子?

POUT：強啟動子向右轉錄宿主DNA?

INRNA和OUTRNA有36bp的重疊穩(wěn)定性：

OUTRNA??INRNA?

大量OUTRNA作為INRNA的反義RNA當前第32頁\共有61頁\編于星期六\8點

b）甲基化作用控制轉座酶合成及其與DNA的結合?

Tn10轉座酶啟動子含有GATC序列（其它轉座子）?

E.coli中Dam甲基化酶作用使啟動子相對鈍化只能利用剛剛復制完成時出現(xiàn)少數(shù)轉座酶?

IS10R的末端IR也含有GATC，甲基化的GATC不能結合轉座酶?

Tn10在DNA剛剛復制后發(fā)生轉座當前第33頁\共有61頁\編于星期六\8點四、轉座子的某些遺傳學效應1.轉座引起插入突變IS、Tn和Mu噬菌體都可能引起插入突變。

插入位點若在一個順反子（cistron)的前端功能基因中，可能造成極性突變（移碼或終止密碼突變）。指減低蛋白質合成速度的基因突變當前第34頁\共有61頁\編于星期六\8點當前第35頁\共有61頁\編于星期六\8點2.造成插入位點靶DNA的少量堿基對重復

IS1、Tn10：造成9bp的重復。IS3：造成3或4bp的重復。IS4：造成11bp的重復。3.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。當前第36頁\共有61頁\編于星期六\8點4.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。方向相同：產生缺失。方向相反：發(fā)生倒位。當前第37頁\共有61頁\編于星期六\8點當前第38頁\共有61頁\編于星期六\8點當前第39頁\共有61頁\編于星期六\8點當前第40頁\共有61頁\編于星期六\8點通過轉座子介導的姐妹染色單體間的染色體內異位交換

當前第41頁\共有61頁\編于星期六\8點5.切除效應

指轉座子從原來位置上消失。

準確切除：使原插入發(fā)生恢復突變。

不準確切除：留下轉座子殘跡，產生插入突變，但

轉座子標志消失。當前第42頁\共有61頁\編于星期六\8點轉座子切離所造成的序列變異當前第43頁\共有61頁\編于星期六\8點

6.外顯子改組當二個轉座子被同一轉座酶識別而整合到染色體的鄰近位置時，則位于它們之間的序列有可能被轉座酶作用而轉座，如果這DNA序列中含有外顯子，則被切離并可能插入另一基因中，這種效應稱為外顯子改組(exonshuffling)(圖)。外顯子改組將導致基因組中新基因的產生。

當前第44頁\共有61頁\編于星期六\8點雙轉座子插入所引起的外顯子改組示意圖

當前第45頁\共有61頁\編于星期六\8點7.轉座引起的生物進化由于轉座作用，使一些原來在染色體相距甚遠的基因組合到一起，構建成一個操縱子或表達單元，也可能產生一些具有新的生物學功能的基因和新的蛋白分子（如復合式轉座子）。當前第46頁\共有61頁\編于星期六\8點（1）可使原來相距較遠的基因組合在一起，形成一個操縱子。

（2）產生一個新蛋白，把原來兩段分離的DNA序列連在一起。（3）啟動子部位的插入可使基因打開或關閉。（4）過多轉座（頻率過高）對細胞不利，細胞在長期進化中形成了一些不利于轉座的代謝途徑，可與轉座過程平衡。

（5）轉座基因插入時，大多數(shù)受體基因均被鈍化，但也有基因被激活。（這是因為轉座子有自己的啟動子，在使轉位酶轉錄的同時，也可使相鄰基因轉錄）。五、轉座子效應的意義當前第47頁\共有61頁\編于星期六\8點六、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：DNA→DNA?

玉米的Ac-Ds元件、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：RNA→DNA→RNA?

如：逆轉錄病毒、果蠅的Copia元件、酵母的Ty元件根據轉座機制目前分為兩類：當前第48頁\共有61頁\編于星期六\8點

Ac和Ds這兩個因子都位于玉米的第九號染色體短臂，在色素基因C的附近。

Ac因子全長4.5kb，有5個外顯子，其產物是轉座酶。Ac因子兩端是長11bp的反向重復序列(IR)；

Ds因子長0.4-4kb，它的中間(在轉座酶基因中)有許多種長度不等的缺失,如Ds9只缺失194bp，而Ds6則缺失2.5kb，Ds的兩端也都有11bp的反向重復序列。

Ac和Ds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T:G，而Ds是互補的T:A(圖)。當前第49頁\共有61頁\編于星期六\8點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當前第50頁\共有61頁\編于星期六\8點

由于缺失轉座酶，Ds因子不能自主移動，因此Ds因子是非自主移動的受體因子(dissociator)，而Ac則為自主移動的調節(jié)因子(activator

)，Ds的轉座依賴于Ac元件的存在。Ac、Ds的轉座屬于非復制機制，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。

當前第51頁\共有61頁\編于星期六\8點玉米轉座因子對胚乳顏色的影響

當前第52頁\共有61頁\編于星期六\8點當前第53頁\共有61頁\編于星期六\8點

果蠅的P因子有兩種類型，一類是全長P因子，長2907bp，兩端有33bp的反向重復序列(IR)，有4個外顯子(4個ORF)，編碼轉座酶(圖)；另一類為缺失型P因子，它不能編碼轉座酶，它的轉座依賴于全長P因子。缺失型P因子都是由活性P因子的中段缺失衍生而來的，長度從500bp到1400bp不等。