转座因子的遗传分析课件

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1、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与遗传学效应转座作用的分子机制与遗传学效应主主 要要 内内 容容第一节第一节 转座因子的发现与分类转座因子的发现与分类v转座因子的发现转座因子的发现vDNA转座转座v反转录转座子反转录转座子一、转座因子的发现一、转座因子的发现v1914 年，年，Emerson 在研究玉米果在研究玉米果皮色素遗传中发现：花斑果皮产皮色素遗传中发现：花斑果皮产生宽窄不同红白相间的花斑。花生宽窄不同红白相间的花斑。花斑条纹的突变产生在于斑条纹的突变产生在于突变基因突变基因

2、的不稳定性的不稳定性，但不知其因。，但不知其因。v1938年，年，Rhoades 在研究玉米糊在研究玉米糊粉层色素遗传时，首次报道粉层色素遗传时，首次报道一个一个基因的遗传不稳定性受到一个独基因的遗传不稳定性受到一个独立基因的控制立基因的控制。但也未揭示其遗。但也未揭示其遗传机制。传机制。v40年代初，年代初，McClintock在研究玉在研究玉米花斑糊粉层和植株色素产生的遗米花斑糊粉层和植株色素产生的遗传基础时，发现传基础时，发现色素变化与一系列色素变化与一系列染色体重组有关染色体重组有关。并且染色体的断。并且染色体的断裂或解离有一个裂或解离有一个特定位点特定位点(Ds)。但。但Ds并不能自

3、行断裂受一个并不能自行断裂受一个激活因激活因子子Ac所控制。所控制。vAc表现很特殊，可以表现很特殊，可以离开原座位离开原座位运动运动到同一个或不同染色体的另一到同一个或不同染色体的另一座位，座位，McClintock把把Ac和和Ds称为称为控制因子控制因子或或转座因子转座因子。“控制因子控制因子”假假说说v1961年年Jacob 和和Momod发表发表乳糖操纵子模型和控制基因理乳糖操纵子模型和控制基因理论，论，McClintock的的“控制因控制因子子”假说开始重新引起人们的假说开始重新引起人们的注意。注意。v60年代未期年代未期Shapiro在细菌中在细菌中也发现了可转座的遗传因子后，也发

4、现了可转座的遗传因子后，转座因子被人们所接受。转座因子被人们所接受。vMcClintock（1902-1992）于）于1983年年获得获得诺贝尔医学生理学奖。诺贝尔医学生理学奖。二、二、DNA转座转座v复制型转座复制型转座v非复制型转座非复制型转座v保守型转座保守型转座1、复制型转座、复制型转座v转座子被复制转座子被复制，转座的，转座的DNADNA序列实际上是原转座序列实际上是原转座子的一个拷贝。子的一个拷贝。v转座子中移动的部分被拷贝，一个拷贝仍然保留转座子中移动的部分被拷贝，一个拷贝仍然保留在原来的位置上，而另一个则插入到一个新的部在原来的位置上，而另一个则插入到一个新的部位，这样转座过程

5、伴随着位，这样转座过程伴随着转座子拷贝数的增加转座子拷贝数的增加。v转座酶、解离酶转座酶、解离酶v如：如：TnA转座子家族（转座子家族（Tn3和和Tn1000 等）2、非复制型转座、非复制型转座v转座因子作为一个物理性实体，直接由一个转座因子作为一个物理性实体，直接由一个部位转移到另一个部位。部位转移到另一个部位。v如：如：Tn10与与Tn53、保守型转座、保守型转座v保守型转座是另一种非复制型的转座过程。保守型转座是另一种非复制型的转座过程。该过程中转座元件从供体部位被切除并通过该过程中转座元件从供体部位被切除并通过一系列的过程插入到靶部位，在该过程中每一系列的过程插入到靶部位，在该过程中每

6、个核苷键皆被保留。个核苷键皆被保留。v 该转座过程与该转座过程与的整合的整合机制机制类似，并且类似，并且转座酶与转座酶与整合酶家族有关整合酶家族有关。三、反转录转座子三、反转录转座子v由由RNA介导，通过反转录酶将转座子介导，通过反转录酶将转座子RNA拷拷贝为贝为cDNA后再整合到宿主基因组中形成转后再整合到宿主基因组中形成转座，称为反座，称为反/逆转座子或反转录转座子。逆转座子或反转录转座子。v包括反转录转座子和反转录病毒。包括反转录转座子和反转录病毒。v只在真核生物基因组中发现。只在真核生物基因组中发现。RNAcDNARNA整合宿主整合宿主靶靶DNA反转录病毒反转录病毒v插入序列插入序列v

7、转座子转座子v转座噬菌体转座噬菌体第二节第二节 原核生物中的转座因子原核生物中的转座因子1、插入序列插入序列（inserted sequence，IS)v20世纪世纪60年代末年代末Starlinger在大肠杆菌中发现半乳糖在大肠杆菌中发现半乳糖基因的突变体，称为基因的突变体，称为gal-。v实验证明这种突变体是由于实验证明这种突变体是由于DNA片段插入而产生的，片段插入而产生的，这一插入序列是最先发现的最小的一种转座因子，这一插入序列是最先发现的最小的一种转座因子，称为称为IS1。IS的特性的特性插入插入序列序列在大肠杆菌中在大肠杆菌中的拷贝数的拷贝数长度（长度（bp）末端反向重复末端反向重

8、复（bp）靶靶DNA中中产生重复产生重复片段大小片段大小IS15-8份在染色体份在染色体768239IS25份在染色体，份在染色体，1份在质粒份在质粒1 327415IS35份在染色体，份在染色体，1份在质粒份在质粒1 400383或或4IS41-2份在染色体份在染色体1 400181113IS 特点特点v(1)长度在长度在768-5700bp；v(2)本身没有表型效应，只携带本身没有表型效应，只携带转座酶基因转座酶基因；v(3)两端几个到几十个两端几个到几十个bp的核苷酸顺序完全相同或相近。的核苷酸顺序完全相同或相近。但方向相反，称为但方向相反，称为反向重复序列反向重复序列（IR）。）。v(

9、4)插入后引起靶插入后引起靶DNA序列多数为序列多数为5 11bp的正向重复。的正向重复。v(5)一般情况下转座频率为一般情况下转座频率为10-410-3/世代，恢复频率为世代，恢复频率为10-7 10-6/世代。世代。CCCAGACGGGTCTGCCCAGACGGGTCTG正向重复正向重复GTCTGGGCAGACCC反向重复反向重复IS结构模式图含有含有IS的质粒经变性后形成颈环的质粒经变性后形成颈环（或哑铃状）结构（或哑铃状）结构变变性性后后单单链链复复性性IRIRISIRIR当一个当一个IS插入插入靶靶DNA后，其后，其两端会出现一两端会出现一小段小段正向重复正向重复序列序列（约（约5-

10、11个核苷酸对。个核苷酸对。2、转座子（、转座子（transposon，Tn）v一类较大的转座因子一类较大的转座因子:2000:200025000bp.25000bp.v含有与转座有关的基因外，还带有抗药基因以及其含有与转座有关的基因外，还带有抗药基因以及其它基因，从而它基因，从而赋于宿主细菌一定的表型。赋于宿主细菌一定的表型。v分为简单转座子和复合转座子。分为简单转座子和复合转座子。Tn的特征的特征转座转座子子抗性标记抗性标记长度长度/bp反向重复反向重复序序列长度列长度/bp 末端末端重复重复序列的方向序列的方向靶靶DNA产生产生的重复长度的重复长度/bpTn3氨苄青霉素氨苄青霉素4975

11、38反向反向5Tn5卡那霉素卡那霉素54009反向反向9Tn9氯霉素氯霉素263823正向正向9Tn10四环素四环素930023反向反向9Tn3转座子转座子v(a)不含不含IS，为简单转座子。，为简单转座子。v(b)含有含有3个基因：编码个基因：编码-内酰胺酶的内酰胺酶的氨苄青霉素抗氨苄青霉素抗性基因（性基因（ampR），转座酶基因（），转座酶基因（tnpA）和编一种阻和编一种阻遏物的调节基因（遏物的调节基因（tnpR）。）。v(c)两端为两端为IR。Tn3（简单转座子）的结构模式图（简单转座子）的结构模式图调节基因调节基因使宿主菌获得一定特性使宿主菌获得一定特性ampRtnpAtnpRIRI

12、R转座酶基因转座酶基因氨苄青霉素氨苄青霉素抗性基因抗性基因Tn10转座子转座子vTn10的两侧的两侧IR为为IS，为复合转座子。，为复合转座子。v带有四环素抗性基因带有四环素抗性基因Tn10的结构模式图的结构模式图IR3、转座噬菌体（、转座噬菌体（mutator phage）:Muv1963年，年，Taylor发现，它是大肠杆菌的温和噬菌体，发现，它是大肠杆菌的温和噬菌体，37000bp的线状的线状DNA。vMu的特点：几乎可以插入宿主染色体任何一个位的特点：几乎可以插入宿主染色体任何一个位置上。而且游离置上。而且游离Mu和已经插入的和已经插入的Mu基因次序是相基因次序是相同的。另外它的两端没

13、有粘性末端，插入某基因中同的。另外它的两端没有粘性末端，插入某基因中就引起该基因突变。就引起该基因突变。第三节第三节 真核生物中的转座子真核生物中的转座子v酵母菌的转座子酵母菌的转座子v果蝇的转座子果蝇的转座子v玉米的转座子玉米的转座子v人类基因组中的转座子人类基因组中的转座子1、酵母菌的转座子、酵母菌的转座子v目前在酵母中研究得较清楚的转座子是目前在酵母中研究得较清楚的转座子是Ty系列系列（transponson yeast，Ty）。）。vTy 1为为5900bp，两端含有两个称为，两端含有两个称为的正向重复序列的正向重复序列，正向长末端重复序列正向长末端重复序列(LTR)的长度约的长度约3

14、40bp。Ty插入插入酵母菌染色体后，受体上就会出现酵母菌染色体后，受体上就会出现5bp的正向重复序的正向重复序列列，这和细菌中转座子作用相似。，这和细菌中转座子作用相似。v但它通过但它通过RNA中间产物进行转座中间产物进行转座-反转录转座子反转录转座子.型a型a型aaaaaaa啤酒酵母的两种接啤酒酵母的两种接合型的控制基因合型的控制基因和和a基因都可以转座。基因都可以转座。特殊性：只能转座特殊性：只能转座到到MAT座位上。座位上。复制型转座复制型转座2、果蝇的转座子果蝇的转座子 从从20世纪世纪70年代以来，在黑腹果蝇的一些品系间年代以来，在黑腹果蝇的一些品系间杂交子代出现某些异常现象：如卵

15、巢发育不全、杂交子代出现某些异常现象：如卵巢发育不全、分离比异常、高突变率、染色体畸变等。这种现分离比异常、高突变率、染色体畸变等。这种现象称为象称为杂种劣育杂种劣育。F1（杂种劣育）（杂种劣育）这是因为在这是因为在P品系品系的细胞中有导致杂的细胞中有导致杂种劣育的遗传因子，种劣育的遗传因子，称为称为P因子因子。P因子的组成因子的组成4个外显子：个外显子：ORF0 、ORF1、ORF2、ORF33个内含子：个内含子：1，2，32个反向重复序列：个反向重复序列：31bpP（2907bp）1 2 31 2 3相对分子质相对分子质量量66kDa相对分子质相对分子质量量87kDaM品系雌性品系雌性果蝇

16、细胞质果蝇细胞质内缺失该阻内缺失该阻遏蛋白遏蛋白杂交后代的细胞质的杂交后代的细胞质的贡献主要来源于母本贡献主要来源于母本果蝇的转座子果蝇的转座子v插入后在靶插入后在靶DNADNA序列形成序列形成8bp8bp正向重复序列正向重复序列;v切离切离：P因子可以从原来的位置上消失，这一过程称为切因子可以从原来的位置上消失，这一过程称为切离（离（excision）。）。vP因子的位置和数目：不同果蝇品系的基因组中因子的位置和数目：不同果蝇品系的基因组中P因子的因子的位置、数目均不相同（位置、数目均不相同（3050copy）。）。v引起引起插入突变插入突变：P因子的插入而发生突变的基因有白眼因子的插入而发

17、生突变的基因有白眼（w）、焦刚毛（）、焦刚毛（sn）、黄体（）、黄体（y）等。）等。v其他转座子：其他转座子：Copia、412、279、Tip、FB等。等。正向重复正向重复反向重复反向重复反转座子反转座子DNA转座子转座子 3、玉米的转座子、玉米的转座子 美国遗传学家美国遗传学家Barbara McClintock发现玉发现玉米籽粒色斑不稳定遗传现象，于米籽粒色斑不稳定遗传现象，于1951年第年第一次提出转座子的概念，当时她把这种可一次提出转座子的概念，当时她把这种可以 转 移 的 染 色 体 因 子 称 为 抑 制 基 因以 转 移 的 染 色 体 因 子 称 为 抑 制 基 因（inhi

18、bitor，I）。）。DNA transposable elementAc-Ds家族家族vDs：dissociate解离因子，在解离因子，在9号染色体上，号染色体上，是是转座酶基因有缺失的转座酶基因有缺失的Ac元件元件，需有，需有Ac的存在的存在才起作用，为非自主元件。才起作用，为非自主元件。vAc：activator激活因子，在激活因子，在9号染色体的另一号染色体的另一染色体上，该元件为染色体上，该元件为4563bp。具有活性的转。具有活性的转座酶基因，可自主移动，为自主元件。座酶基因，可自主移动，为自主元件。Ac Ds结构示意图结构示意图转座酶转座酶编码转座酶基因缺失编码转座酶基因缺失玉米

19、的转座子的类型玉米的转座子的类型自主转座子：自主转座子：Ac(可自主移动可自主移动)非自主性转座子：非自主性转座子：Ds(不可自主移动不可自主移动)转座子转座子非复制型转座非复制型转座玉米的解离因子Ds（dissociate）9Ac基因缺失时，基因缺失时，Ds不能转座不能转座Ac基因存在时，基因存在时，能激活能激活Ds转座转座Ds插入某基因后插入某基因后使得该基因突变使得该基因突变Ds也可以从该基因也可以从该基因中移走，使得该基中移走，使得该基因发生回复突变因发生回复突变玉米的转座子的特点玉米的转座子的特点v玉米中除了玉米中除了Ds一一Ac系统以外，至少还有系统以外，至少还有5个转个转座子系统

20、都是由座子系统都是由2个成分个成分组成，这也是玉米等植组成，这也是玉米等植物和其他真核生物转座子的一个重要的区别。物和其他真核生物转座子的一个重要的区别。v如如Spm-dSpm：两个成员（：两个成员（Spm因子和较小的因子和较小的dSpm因子），因子），dSpm为为Spm因子内部发生缺因子内部发生缺失后形成的转座子，但能独立转座。失后形成的转座子，但能独立转座。4、人类基因组中的转座子、人类基因组中的转座子v长散在重复序列长散在重复序列(LINE)v短散在重复序列短散在重复序列(SINE)v反转录病毒类转座子序列反转录病毒类转座子序列vDNA转座子序列转座子序列长散在重复序列长散在重复序列(L

21、INE)v可自主性转座的反转录转座子可自主性转座的反转录转座子vL1：6500bp，以富含，以富含A序列终止，两个阅读框序列终止，两个阅读框（ORF1和和ORF2）。）。v与人类疾病有关，如：两个缺失突变的与人类疾病有关，如：两个缺失突变的L1 插入到插入到凝血因子凝血因子基因中，阻断该基因的表达，引发了血基因中，阻断该基因的表达，引发了血友病友病A。随后又在凝血因子。随后又在凝血因子基因基因(1 种种)，Duchenne 型肌营养不良型肌营养不良(DMD)基因基因(3 种种)、多发、多发性结肠腺癌性结肠腺癌(APC)基因基因(1 种种)和和珠蛋白基因珠蛋白基因(1 种种)中发现了其他中发现了

22、其他6种种L1 插入片段。插入片段。短散在重复序列短散在重复序列(SINE)v非自主性转座的反转录转座子（无反转座酶基因），能非自主性转座的反转录转座子（无反转座酶基因），能依赖依赖L1 或借用宿主中的反转座酶基因进行转座。或借用宿主中的反转座酶基因进行转座。vAlu家族：成员丰富，约家族：成员丰富，约300bp，两端具有短正向重复，两端具有短正向重复序列，有一序列，有一Alu位点。位点。；第四节第四节 转座机制与遗传学效应转座机制与遗传学效应v转座机制转座机制v转座子的遗传学效应转座子的遗传学效应一、转座的机制一、转座的机制vDNA转座机制转座机制 1）复制型转座复制型转座 2）非）非复制型

23、转座复制型转座v反转录转座子的转座机制反转录转座子的转座机制 1）反）反转录转录病毒的病毒的转转座机制座机制 2）Ty1/copia类类反反转转座子的座子的转转座机制座机制 3）人）人类类LINE反反转转座子的座子的转转座机制座机制1、DNA转座机制转座机制1）复制型转座（复制型转座（Tn3转座子转座子）A.切开切开：转座酶识别受体靶序列，切开两条单链形成粘转座酶识别受体靶序列，切开两条单链形成粘性末端；性末端；B.连接连接：转座子与切开的受体：转座子与切开的受体DNA链结合形成链结合形成共联体共联体。C.复制复制：DNA聚合酶补齐缺口，由连接酶连接，形成两聚合酶补齐缺口，由连接酶连接，形成两

24、个正向重复序列。个正向重复序列。D.重组重组：在特定位点进行重组，共联体分离形成两部分，：在特定位点进行重组，共联体分离形成两部分，一个含有原来的转座子，另一个通过转座插入了转一个含有原来的转座子，另一个通过转座插入了转座子序列。座子序列。转座酶转座酶共联体共联体DNA聚合酶聚合酶DNA连接酶连接酶通过重组分通过重组分成两部分成两部分形成两个正形成两个正向重复序列向重复序列2）非）非复制型转座复制型转座v原理：原理：断裂断裂和和重接重接反应使靶序列重构，只有反应使靶序列重构，只有靶位点发生重连，而供体链仍保持裂缺，不靶位点发生重连，而供体链仍保持裂缺，不形成共联体。形成共联体。v例：例：Tn1

25、0非复型转座非复型转座转座酶结合在转座酶结合在Tn的两个末端的两个末端供体供体受体受体转移末端产生切口转移末端产生切口另一条链产生切口另一条链产生切口供体被释放供体被释放Tn10非复型转座机制非复型转座机制受体被交错切割产生切口受体被交错切割产生切口Tn与靶位点融合与靶位点融合复合体复合体2、反转录转座子的转座机制、反转录转座子的转座机制R U580100bp gag约约2000bp pol约约2900bp env约约1800bpU31701260bpR1080bpRNA病毒的线性基因组病毒的线性基因组1）反转录病毒的转座机制）反转录病毒的转座机制v反转录病毒将其反转录病毒将其RNA基因组的基

26、因组的DNA拷贝插入宿主细拷贝插入宿主细胞的染色体中而产生的。胞的染色体中而产生的。正向重正向重复序列复序列长末端重长末端重复序列复序列U3左端丢失左端丢失2bpU5右端丢失右端丢失2bp反转录反转录整合整合4-6bp正向重复序列正向重复序列4-6bp正向重复序列正向重复序列a.整合酶在整合酶在LTR的的3端切除端切除2bpb.整合酶在靶整合酶在靶DNA上产生交错切口上产生交错切口c.整合酶将整合酶将LTR的的3端端与靶与靶DNA的的5端相连端相连正向重正向重复序列复序列反转录病毒反转录病毒DNA的整合的整合2）Ty1/copia类反转座子的转座机制类反转座子的转座机制vTy1：两端：两端为正

27、向重复序列（为正向重复序列（LTR，约，约340bp）。）。v 含两个阅读框：含两个阅读框：TyA相当于相当于gag基因，基因，TyB相当于相当于pol基因。但没有基因。但没有env基因。基因。v转座机制与反转录病毒的整合机制类同。转座机制与反转录病毒的整合机制类同。TyA TyB 5.7 kb RNA 5.0 kb RNA TyA 蛋白 移码 TyA-B蛋白 图23-68 Ty因子末端有短的顺向重复顺序，Ty转录两个重叠的RNAs。它们含有两个阅读框，相当于反转录病毒的gag和pol基因3）人类）人类LINE反转座子的转座机制反转座子的转座机制vLINE反转座子：有两个阅读框（反转座子：有两

28、个阅读框（ORF1和和ORF2），），其中其中ORF2相当于相当于pol基因，基因，3端有一串腺苷酸端有一串腺苷酸（poly(A)）。）。v缺少末端重复序列（缺少末端重复序列（LTR），其整合方式与反转录），其整合方式与反转录病毒不同。病毒不同。ORF1 ORF2二、二、转座子的遗传学效应转座子的遗传学效应v可引起基因突变可引起基因突变插入或切离；插入或切离；v改变染色质的结构（缺失、倒位等）；改变染色质的结构（缺失、倒位等）；v可以插入新基因（可以插入新基因（ampampR R、terterR R等）；等）；v在靶序列上造成同向重复序列；在靶序列上造成同向重复序列；v产生新的变异，有利于进化。产生新的变异，有利于进化。转座子转座子靶靶DNA3和和4缺失缺失