1、 v轉座因子的發現與分類轉座因子的發現與分類 v原核生物中的轉座因子原核生物中的轉座因子 v真核生物中的轉座因子真核生物中的轉座因子 v轉座作用的分子機制與遺傳學效應轉座作用的分子機制與遺傳學效應 主主 要要 內內 容容 第一節第一節 轉座因子的發現與分類轉座因子的發現與分類 v轉座因子的發現轉座因子的發現 vDNA轉座轉座 v反轉錄轉座子反轉錄轉座子 一、轉座因子的發現一、轉座因子的發現 v1914 年，年，Emerson 在研究玉米果在研究玉米果 皮色素遺傳中發現：花斑果皮產皮色素遺傳中發現：花斑果皮產 生寬窄不同紅白相間的花斑。花生寬窄不同紅白相間的花斑。花 斑條紋的突變產生在于斑條紋的

2、突變產生在于突變基因突變基因 的不穩定性的不穩定性，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 粉層色素遺傳時，首次報道粉層色素遺傳時，首次報道一個一個 基因的遺傳不穩定性受到一個獨基因的遺傳不穩定性受到一個獨 立基因的控制立基因的控制。但也未揭示其遺。但也未揭示其遺 傳機制。傳機制。 v40年代初，年代初，McClintock在研究玉在研究玉 米花斑糊粉層和植株色素產生的遺米花斑糊粉層和植株色素產生的遺 傳基礎時，發現傳基礎時，發現色素變化與一系列色素變化與一系列 染色體重組有關染色體重組有關。并且染色體的斷。并且染色體的斷 裂或解離有一個裂或解離

3、有一個特定位點特定位點(Ds)。但。但 Ds并不能自行斷裂受一個并不能自行斷裂受一個激活因激活因 子子Ac所控制。所控制。 vAc表現很特殊，可以表現很特殊，可以離開原座位離開原座位 運動運動到同一個或不同染色體的另一到同一個或不同染色體的另一 座位，座位，McClintock把把Ac和和Ds稱為稱為 控制因子控制因子或或轉座因子轉座因子。 “控制因子控制因子”假假 說說 v1961年年Jacob 和和Momod發表發表 乳糖操縱子模型和控制基因理乳糖操縱子模型和控制基因理 論，論，McClintock的的“控制因控制因 子子”假說開始重新引起人們的假說開始重新引起人們的 注意。注意。 v60

4、年代未期年代未期Shapiro在細菌中在細菌中 也發現了可轉座的遺傳因子后，也發現了可轉座的遺傳因子后， 轉座因子被人們所接受。轉座因子被人們所接受。 vMcClintock（1902-1992）于）于 1983年年獲得獲得諾貝爾醫學生理學獎。諾貝爾醫學生理學獎。 二、二、DNA轉座轉座 v復制型轉座復制型轉座 v非復制型轉座非復制型轉座 v保守型轉座保守型轉座 1、復制型轉座、復制型轉座 v轉座子被復制轉座子被復制，轉座的，轉座的DNADNA序列實際上是原轉座序列實際上是原轉座 子的一個拷貝。子的一個拷貝。 v轉座子中移動的部分被拷貝，一個拷貝仍然保留轉座子中移動的部分被拷貝，一個拷貝仍然保

5、留 在原來的位置上，而另一個則插入到一個新的部在原來的位置上，而另一個則插入到一個新的部 位，這樣轉座過程伴隨著位，這樣轉座過程伴隨著轉座子拷貝數的增加轉座子拷貝數的增加。 v轉座酶、解離酶轉座酶、解離酶 v如：如：TnA轉座子家族（轉座子家族（Tn3和和Tn1000 等） 2、非復制型轉座、非復制型轉座 v轉座因子作為一個物理性實體，直接由一個轉座因子作為一個物理性實體，直接由一個 部位轉移到另一個部位。部位轉移到另一個部位。 v如：如：Tn10與與Tn5 3、保守型轉座、保守型轉座 v保守型轉座是另一種非復制型的轉座過程。保守型轉座是另一種非復制型的轉座過程。 該過程中轉座元件從供體部位被

6、切除并通過該過程中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。個核苷鍵皆被保留。 v 該轉座過程與該轉座過程與的整合的整合 機制機制類似，并且類似，并且轉座酶與轉座酶與 整合酶家族有關整合酶家族有關。 三、反轉錄轉座子三、反轉錄轉座子 v由由RNA介導，通過反轉錄酶將轉座子介導，通過反轉錄酶將轉座子RNA拷拷 貝為貝為cDNA后再整合到宿主基因組中形成轉后再整合到宿主基因組中形成轉 座，稱為反座，稱為反/逆轉座子或反轉錄轉座子。逆轉座子或反轉錄轉座子。 v包括反轉錄轉座子和反轉錄病毒。包括反轉錄轉座子和反轉錄病

7、毒。 v只在真核生物基因組中發現。只在真核生物基因組中發現。 RNA cDNA RNA 整合宿主整合宿主 靶靶DNA 反轉錄病毒反轉錄病毒 v插入序列插入序列 v轉座子轉座子 v轉座噬菌體轉座噬菌體 第二節第二節 原原核生物中的轉座因子核生物中的轉座因子 1、插入序列插入序列（inserted sequence，IS) v20世紀世紀60年代末年代末Starlinger在大腸桿菌中發現半乳糖在大腸桿菌中發現半乳糖 基因的突變體，稱為基因的突變體，稱為gal-。 v實驗證明這種突變體是由于實驗證明這種突變體是由于DNA片段插入而產生的，片段插入而產生的， 這一插入序列是最先發現的最小的一種轉座因

8、子，這一插入序列是最先發現的最小的一種轉座因子， 稱為稱為IS1。 IS的特性的特性 插入插入 序列序列 在大腸桿菌中在大腸桿菌中 的拷貝數的拷貝數 長度（長度（bp） 末端反向重復末端反向重復 （bp） 靶靶DNA中中 產生重復產生重復 片段大小片段大小 IS15-8份在染色體份在染色體768239 IS25份在染色體，份在染色體， 1份在質粒份在質粒 1 327415 IS35份在染色體，份在染色體， 1份在質粒份在質粒 1 400383或或4 IS41-2份在染色體份在染色體1 400181113 IS 特點特點 v(1) 長度在長度在768-5700bp； v(2) 本身沒有表型效應，

9、只攜帶本身沒有表型效應，只攜帶轉座酶基因轉座酶基因； v(3) 兩端幾個到幾十個兩端幾個到幾十個bp的核苷酸順序完全相同或相近。的核苷酸順序完全相同或相近。 但方向相反，稱為但方向相反，稱為反向重復序列反向重復序列（IR）。）。 v(4) 插入后引起靶插入后引起靶DNA序列多數為序列多數為5 11bp的正向重復。的正向重復。 v(5) 一般情況下轉座頻率為一般情況下轉座頻率為10-410-3/世代，恢復頻率為世代，恢復頻率為 10-7 10-6/世代。世代。 CCCAGAC GGGTCTG CCCAGAC GGGTCTG 正向重復正向重復 GTCTGGG CAGACCC 反向重復反向重復 IS

10、結構模式圖 含有含有IS的質粒經變性后形成頸環的質粒經變性后形成頸環 （或啞鈴狀）（或啞鈴狀）結構結構 變變 性性 后后 單單 鏈鏈 復復 性性 IR IR IS IRIR 當一個當一個IS插入插入 靶靶DNA后，其后，其 兩端會出現一兩端會出現一 小段小段正向重復正向重復 序列序列（約（約5-11 個核苷酸對。個核苷酸對。 2、轉座子（、轉座子（transposon，Tn） v一類較大的轉座因子一類較大的轉座因子: 2000: 200025000bp.25000bp. v含有與轉座有關的基因外，還帶有抗藥基因以及其含有與轉座有關的基因外，還帶有抗藥基因以及其 它它基因，從而基因，從而賦于宿主

11、細菌一定的表型。賦于宿主細菌一定的表型。 v分為簡單轉座子和復合轉座子。分為簡單轉座子和復合轉座子。 Tn的特征的特征 轉座轉座 子子 抗性標記抗性標記長度長度/bp反向重復反向重復序序 列長度列長度/bp 末端末端重復重復 序列的方向序列的方向 靶靶DNA產生產生 的重復長度的重復長度 /bp Tn3氨芐青霉素氨芐青霉素497538反向反向5 Tn5卡那霉素卡那霉素54009反向反向9 Tn9氯霉素氯霉素263823正向正向9 Tn10四環素四環素930023反向反向9 Tn3轉座子轉座子 v(a) 不含不含IS，為簡單轉座子。，為簡單轉座子。 v(b)含含有有3個基因：編碼個基因：編碼-內

12、酰胺酶的內酰胺酶的氨芐青霉素抗氨芐青霉素抗 性基因（性基因（ampR），轉座酶基因（），轉座酶基因（tnpA）和編一種阻和編一種阻 遏物的調節基因（遏物的調節基因（tnpR）。）。 v(c)兩兩端為端為IR。 Tn3（簡單轉座子）的（簡單轉座子）的結構模式圖結構模式圖 調節基因調節基因 使宿主菌獲得一定特性使宿主菌獲得一定特性 ampR tnpA tnpR IRIR 轉座酶基因轉座酶基因 氨芐青霉素氨芐青霉素 抗性基因抗性基因 Tn10轉座子轉座子 vTn10的兩側的兩側IR為為IS，為復合轉座子。，為復合轉座子。 v帶有四環素抗性基因帶有四環素抗性基因 Tn10的結構模式圖的結構模式圖 IR

13、 3、轉座噬菌體（、轉座噬菌體（mutator phage）: Mu v1963年，年，Taylor發現，它是大腸桿菌的溫和噬菌體，發現，它是大腸桿菌的溫和噬菌體， 37000bp的線狀的線狀DNA 。 vMu的特點：幾乎可以插入宿主染色體任何一個位的特點：幾乎可以插入宿主染色體任何一個位 置上。而且游離置上。而且游離Mu和已經插入的和已經插入的Mu基因次序是相基因次序是相 同的。另外它的兩端沒有粘性末端，插入某基因中同的。另外它的兩端沒有粘性末端，插入某基因中 就引起該基因突變。就引起該基因突變。 第三節第三節 真真核生物中的轉座子核生物中的轉座子 v酵母菌的轉座子酵母菌的轉座子 v果蠅的轉

14、座子果蠅的轉座子 v玉米的轉玉米的轉座子座子 v人類基因組中的轉座子人類基因組中的轉座子 1、酵母菌的轉座子、酵母菌的轉座子 v目前在酵母中研究得較清楚的轉座子是目前在酵母中研究得較清楚的轉座子是Ty系列系列 （transponson yeast，Ty）。）。 vTy 1為為5900bp，兩端含有兩個稱為，兩端含有兩個稱為的正向重復序列的正向重復序列， 正正向長末端重向長末端重復復序列序列(LTR)的的長度長度約約340bp。Ty插入插入 酵母菌染色體后，受體上就會出現酵母菌染色體后，受體上就會出現5bp的正向重復序的正向重復序 列列，這和細菌中轉座子作用相，這和細菌中轉座子作用相似。似。 v

15、但它通過但它通過RNA中間產物進行轉座中間產物進行轉座-反轉錄轉座子反轉錄轉座子. 型 a型 a型 aa a aa aa 啤酒酵母的兩種接啤酒酵母的兩種接 合型的控制基因合型的控制基因和和 a基因都可以轉座。基因都可以轉座。 特殊性：只能轉座特殊性：只能轉座 到到MAT座位上。座位上。 復制型轉座復制型轉座 2、 果蠅的轉座子果蠅的轉座子 從從20世紀世紀70年代以來，在黑腹果蠅的一些品系間年代以來，在黑腹果蠅的一些品系間 雜交子代出現某些異常現象：如卵巢發育不全、雜交子代出現某些異常現象：如卵巢發育不全、 分離比異常、高突變率、染色體畸變等。這種現分離比異常、高突變率、染色體畸變等。這種現

16、象稱為象稱為雜種劣育雜種劣育。 F1（雜種劣育）（雜種劣育） 這是因為在這是因為在P品系品系 的細胞中有導致雜的細胞中有導致雜 種劣育的遺傳因子，種劣育的遺傳因子， 稱為稱為P因子因子。 P因子的組成因子的組成 4個外顯子：個外顯子：ORF0 、ORF1 、ORF2 、ORF3 3個內含子：個內含子：1，2，3 2個反向重復序列：個反向重復序列：31bp P （2907bp） 1 2 3 1 2 3 相對分子質相對分子質 量量66kDa 相對分子質相對分子質 量量87kDa M品系雌性品系雌性 果蠅細胞質果蠅細胞質 內缺失內缺失該阻該阻 遏蛋白遏蛋白 雜交后代的細胞質的雜交后代的細胞質的 貢獻

17、主要來源于母本貢獻主要來源于母本 果蠅的轉座子果蠅的轉座子 v插入后在靶插入后在靶DNADNA序列形成序列形成8bp8bp正向重復序列正向重復序列; ; v切離切離：P因子可以從原來的位置上消失，這一過程稱為切因子可以從原來的位置上消失，這一過程稱為切 離（離（excision）。）。 vP因子的位置和數目：不同果蠅品系的基因組中因子的位置和數目：不同果蠅品系的基因組中P因子的因子的 位置、數目均不相同（位置、數目均不相同（3050copy）。）。 v引起引起插入突變插入突變：P因子的插入而發生突變的基因有白眼因子的插入而發生突變的基因有白眼 （w）、焦剛毛（）、焦剛毛（sn）、黃體（）、黃體

18、（y）等。）等。 v其他轉座子：其他轉座子：Copia、412、279、Tip、FB等。等。 正向重復正向重復 反向重復反向重復 反轉座子反轉座子 DNA轉座子轉座子 3、玉米的轉座子、玉米的轉座子 美國遺傳學家美國遺傳學家Barbara McClintock發現玉發現玉 米籽粒色斑不穩定遺傳現象，于米籽粒色斑不穩定遺傳現象，于1951年第年第 一次提出轉座子的概念，當時她把這種可一次提出轉座子的概念，當時她把這種可 以 轉 移 的 染 色 體 因 子 稱 為 抑 制 基 因以 轉 移 的 染 色 體 因 子 稱 為 抑 制 基 因 （inhibitor，I）。）。 DNA transposa

19、ble element Ac-Ds家族家族 vDs：dissociate解離因子，在解離因子，在9號染色體上，號染色體上，是是 轉座酶基因有缺失的轉座酶基因有缺失的Ac元件元件，需有，需有Ac的存在的存在 才起作用，為非自主元件。才起作用，為非自主元件。 vAc：activator激活因子，激活因子，在在9號染色體的另號染色體的另一一 染色體上，該元件為染色體上，該元件為4563bp。具有活性的轉。具有活性的轉 座酶基因，可自主移動，為自主元件。座酶基因，可自主移動，為自主元件。 Ac Ds結構示意圖結構示意圖 轉座酶轉座酶 編碼轉座酶基因缺失編碼轉座酶基因缺失 玉米的轉座子的類型玉米的轉座子

20、的類型 自主轉座子：自主轉座子：Ac(可自主移動可自主移動) 非自主性轉座子：非自主性轉座子：Ds(不可自主移動不可自主移動) 轉座子轉座子 非復制型轉座非復制型轉座 玉米的解離因子Ds（dissociate） 9 Ac基因缺失時，基因缺失時， Ds不能轉座不能轉座 Ac基因存在時，基因存在時， 能激活能激活Ds轉座轉座 Ds插入某基因后插入某基因后 使得該基因突變使得該基因突變 Ds也可以從該基因也可以從該基因 中移走，使得該基中移走，使得該基 因發生回復突變因發生回復突變 玉米的轉座子的特點玉米的轉座子的特點 v玉米中除了玉米中除了Ds一一Ac系統以外，至少還有系統以外，至少還有5個轉個轉

21、 座子系統都是由座子系統都是由2個成分個成分組成，這也是玉米等植組成，這也是玉米等植 物和其他真核生物轉座子的一個重要的區別。物和其他真核生物轉座子的一個重要的區別。 v如如Spm-dSpm：兩個成員（：兩個成員（Spm因子和較小的因子和較小的 dSpm因子），因子）， dSpm為為Spm因子內部發生缺因子內部發生缺 失后形成的轉座子，但能獨立轉座。失后形成的轉座子，但能獨立轉座。 4、人類基因組中的轉座子、人類基因組中的轉座子 v長散在重復序列長散在重復序列( LINE) v短散在重復序列短散在重復序列(SINE) v反轉錄病毒類轉座子序列反轉錄病毒類轉座子序列 vDNA轉座子序列轉座子序列

22、 長散在重復序列長散在重復序列( LINE) v可自主性轉座的反轉錄轉座子可自主性轉座的反轉錄轉座子 vL1：6500bp，以富含，以富含A序列終止，兩個閱讀框序列終止，兩個閱讀框 （ORF1和和ORF2）。）。 v與人類疾病有關，如：兩個缺失突變的與人類疾病有關，如：兩個缺失突變的L1 插入到插入到 凝血因子凝血因子基因中，阻斷該基因的表達，引發了血基因中，阻斷該基因的表達，引發了血 友病友病A。隨后又在凝血因子。隨后又在凝血因子基因基因( 1 種種)， Duchenne 型肌營養不良型肌營養不良(DMD) 基因基因(3 種種) 、多發、多發 性結腸腺癌性結腸腺癌(APC) 基因基因 (1

23、種種) 和和珠蛋白基因珠蛋白基因(1 種種) 中發現了其他中發現了其他6種種L1 插入片段。插入片段。 短散在重復序列短散在重復序列(SINE) v非自主性轉座的反轉錄轉座子（無反轉座酶基因），能非自主性轉座的反轉錄轉座子（無反轉座酶基因），能 依賴依賴L1 或借用宿主中的反轉座酶基因進行轉座。或借用宿主中的反轉座酶基因進行轉座。 vAlu家族：成員豐富，約家族：成員豐富，約300bp，兩端具有短正向重復，兩端具有短正向重復 序列，有一序列，有一Alu位點。位點。 ； 第四節第四節 轉座機制與遺傳學效應轉座機制與遺傳學效應 v轉座機制轉座機制 v轉座子的遺傳學效應轉座子的遺傳學效應 一、轉座的

24、機制一、轉座的機制 vDNA轉座機制轉座機制 1）復制型轉座復制型轉座 2）非）非復制型轉座復制型轉座 v反轉錄轉座子的轉座機制反轉錄轉座子的轉座機制 1）反）反轉錄轉錄病毒的病毒的轉轉座機制座機制 2）Ty1/copia類類反反轉轉座子的座子的轉轉座機制座機制 3）人）人類類LINE反反轉轉座子的座子的轉轉座機制座機制 1、DNA轉座機制轉座機制 1）復制型轉座（復制型轉座（Tn3轉座子轉座子 ） A. 切開切開： 轉座酶識別受體靶序列，切開兩條單鏈形成粘轉座酶識別受體靶序列，切開兩條單鏈形成粘 性末性末端；端； B. 連接連接：轉座子與切開的受體：轉座子與切開的受體DNA鏈結合形成鏈結合形

25、成共聯體共聯體。 C. 復制復制：DNA聚合酶補齊缺口，由連接酶連接，形成兩聚合酶補齊缺口，由連接酶連接，形成兩 個正向重復序列。個正向重復序列。 D. 重組重組：在特定位點進行重組，共聯體分離形成兩部分，：在特定位點進行重組，共聯體分離形成兩部分， 一個含有原來的轉座子，另一個通過轉座插入了轉一個含有原來的轉座子，另一個通過轉座插入了轉 座子序列。座子序列。 轉座酶轉座酶 共聯體共聯體 DNA聚合酶聚合酶 DNA連接酶連接酶 通過重組分通過重組分 成兩部分成兩部分 形成兩個正形成兩個正 向重復序列向重復序列 2）非）非復制型轉座復制型轉座 v原理：原理：斷裂斷裂和和重接重接反應使靶序列重構，

26、只有反應使靶序列重構，只有 靶位點發生重連，而供體鏈仍保持裂缺，不靶位點發生重連，而供體鏈仍保持裂缺，不 形成共聯體。形成共聯體。 v例：例：Tn10非復型轉座非復型轉座 轉座酶結合在轉座酶結合在Tn的兩個末端的兩個末端供體供體 受體受體 轉移末端產生切口轉移末端產生切口 另一條鏈產生切口另一條鏈產生切口 供體被釋放供體被釋放 Tn10非復型轉座機制非復型轉座機制 受體被交錯切割產生切口受體被交錯切割產生切口 Tn與靶位點融合與靶位點融合 復合體復合體 2、反轉錄轉座子的轉座機制、反轉錄轉座子的轉座機制 R U5 80 100bp gag 約約2000bp pol 約約2900bp env 約約1800bp U3 170 1260bp R 10 80bp RNA病毒的線性基因組病毒的線性基因組 1）反轉錄病毒的轉座機制）反轉錄病毒的轉座機制 v反轉錄病毒將其反轉錄病毒將其RNA基因組的基因組的DNA拷貝插入宿主細拷貝插入宿主細 胞的染色體中而產生的。胞的染色體中而產生的。 正向重正向重 復序列復序列 長末端重長末端重 復序列復序列 U3左端丟失左端丟失2bpU5右端丟失右端丟失2bp