轉(zhuǎn)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(dá)州立大學(xué)、圣迭戈州立大學(xué)和芝加哥大學(xué)科學(xué)家組成的研究小組在對(duì)大量基因組進(jìn)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(zhuǎn)座子。轉(zhuǎn)座子因其獨(dú)特的行為在科學(xué)界獲得了諸多“名號(hào)”。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(zhuǎn)座子可在生物體內(nèi)或生物體之間移動(dòng)，并產(chǎn)生不斷變化的遺傳物質(zhì)的特性，也有人將其叫做“跳躍基因”。南佛羅里達(dá)州立大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院研究員米亞布賴特巴特稱，轉(zhuǎn)座子還有個(gè)稱呼叫“剪貼基因”，它們能持續(xù)地改變和移動(dòng)，有時(shí)甚至還能將其他基因一起帶來。第1頁/共70頁l 轉(zhuǎn)位因子 Tr

2、ansposable element 基因組中的一個(gè)獨(dú)立單位，在基因組中可移動(dòng)，是一個(gè)更小，更低級(jí)的結(jié)構(gòu)單位。DNA的流動(dòng)性定義： 能夠進(jìn)行復(fù)制并將一個(gè)拷貝插入新位點(diǎn)的DNA序列。（能在基因組中移動(dòng)的DNA序列叫轉(zhuǎn)位因子 ）由于它可以從染色體基因組上的一個(gè)位置轉(zhuǎn)移到另一個(gè)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(dòng)物中。第2頁/共70頁第3頁/共70頁l 最早于20世紀(jì)40年代由美國冷泉港實(shí)驗(yàn)室B.Mc Clintock發(fā)現(xiàn)玉米的顏色變化與某些基因的關(guān)啟有關(guān)，而這些基因的關(guān)啟可能與某些因子的控制有關(guān)，而這些因子在基因組

3、中是可以移動(dòng)的控制因子。當(dāng)時(shí)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(zhuǎn)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(xué)醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。發(fā)現(xiàn):第4頁/共70頁轉(zhuǎn)位因子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 1. 兩端存在末端重復(fù)序列inverted terminal repeats （IR），是轉(zhuǎn)位過程中至關(guān)重要的結(jié)構(gòu)； 2.絕大多數(shù)的轉(zhuǎn)位因子含有開放閱讀框，（ORF），編碼一個(gè)轉(zhuǎn)位酶，促進(jìn)轉(zhuǎn)位因子的轉(zhuǎn)位； 3.受體DNA在接受插入DNA后，在插入序列的兩側(cè)形成同向重復(fù)序列； 4. 受體（靶序列）沒有確

4、定的特異性，但趨向于一個(gè)“熱點(diǎn)”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(jié)合狀態(tài)第5頁/共70頁第6頁/共70頁 原核生物的轉(zhuǎn)位因子: IS因子 insert sequence 轉(zhuǎn)位子Tn（ Transposon ）復(fù)合轉(zhuǎn)座子 Mu-噬菌體 Mutation-phage 第7頁/共70頁1.IS 因子 insert sequence 最簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)位因子l含有末端反向重復(fù)序列和轉(zhuǎn)位酶基因 15-25bp 控制轉(zhuǎn)位頻率l IS因子插入后, 受體兩端產(chǎn)生同向重復(fù)序列l(wèi) 長(zhǎng)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(zhuǎn)位子 Tn Transposonl長(zhǎng)度比ISIS序列大 5-20Kb, l兩端有反向重復(fù)序列IRIR，有的就是IS因子。 同向/ /反向；相同或不同l除含有轉(zhuǎn)位酶基因外, ,還可能含有其他結(jié)構(gòu)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(duì)于復(fù)合型轉(zhuǎn)座子來說，隨著中央序列的增長(zhǎng)，轉(zhuǎn)座的頻率降低。所以長(zhǎng)度的依賴性是決定普通復(fù)合型轉(zhuǎn)座子大小的一個(gè)因素。 支持復(fù)合型轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)座的一個(gè)主要的動(dòng)力是對(duì)中心區(qū)所攜帶的標(biāo)志的選擇。第13頁/共70頁Tn3是一個(gè)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(zhǎng)和溶源生長(zhǎng)兩種方式之一繁衍自己。 噬菌體存在于大腸桿菌細(xì)胞質(zhì)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(fù)制，這一現(xiàn)象稱溶源化。 裂解生長(zhǎng)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(gè)基因。整合到宿主核基因組中去，會(huì)引起染色體上許多位點(diǎn) 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(zhuǎn)座頻率比一般的轉(zhuǎn)座子要高 第16頁/共70頁轉(zhuǎn)座噬菌體 Mu phage （巨型轉(zhuǎn)座子 ） C repressor for A, BB 33 kd 與轉(zhuǎn)座有關(guān)A 70 kd 轉(zhuǎn)座酶U, S 毒性蛋白attL, attR 與寄主同源，反向重復(fù)，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)座 （1）復(fù)制型轉(zhuǎn)座（replicative transposition）作為自身移動(dòng)的一個(gè)部分，轉(zhuǎn)座子被復(fù)制，一個(gè)拷貝仍然保留在原來的位置上，而另一個(gè)則插入到一個(gè)新的部位，這樣轉(zhuǎn)座過程伴隨著轉(zhuǎn)座子拷貝數(shù)的增加。第20頁/共70頁第21頁/共70頁（2） 非復(fù)制型轉(zhuǎn)座 轉(zhuǎn)座元件作為一個(gè)物理實(shí)體直接由一個(gè)部位轉(zhuǎn)移到另一個(gè)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(zhuǎn)座成分 a) 轉(zhuǎn)座機(jī)制與細(xì)菌的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)作機(jī)制類似逆轉(zhuǎn)錄病毒 遺傳信息： RNADNARNA 如：逆轉(zhuǎn)錄病毒、果蠅的Copia元件、酵母的Ty元件根據(jù)轉(zhuǎn)座機(jī)制目前分為兩類：第25頁/共70頁反轉(zhuǎn)座子和反轉(zhuǎn)錄病毒 轉(zhuǎn)座元件或轉(zhuǎn)座子是基因組中可移動(dòng)的獨(dú)立的DNA序列，一個(gè)轉(zhuǎn)座子可由基因組的一個(gè)位置移到另一個(gè)位置。從DNA到DNA的轉(zhuǎn)移過程稱為轉(zhuǎn)座。從DNA到RNA再到DNA的過程稱為反轉(zhuǎn)座。 反轉(zhuǎn)座是經(jīng)RNA介導(dǎo)的轉(zhuǎn)座過程。第26頁/共70頁 必須經(jīng)過RNA中間體的轉(zhuǎn)座過程是真核生物所特有的。 一些真核細(xì)胞的轉(zhuǎn)座子和反轉(zhuǎn)錄病毒的原病毒的一般組成結(jié)構(gòu)相關(guān)，并且通過RNA中間體進(jìn)行轉(zhuǎn)座，這一類結(jié)構(gòu)單位稱

10、為反轉(zhuǎn)座子（retroposons）。第27頁/共70頁 反轉(zhuǎn)座子共有的可鑒定的特性為：插入位點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生短的靶序列的正向重復(fù)。 反轉(zhuǎn)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(xì)胞間傳播；而反轉(zhuǎn)座子是被當(dāng)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(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)座，但不能在細(xì)胞間遷移。第28頁/共70頁第29頁/共70頁逆轉(zhuǎn)位因子 Retroposon 遺傳信息的流動(dòng)：DNA DNA 逆轉(zhuǎn)位因子介導(dǎo)的轉(zhuǎn)位作用： DNA RNA DNA 轉(zhuǎn)位時(shí)，RNA cDNA 基因組逆轉(zhuǎn)位因子逆轉(zhuǎn)錄病毒無膜蛋白包裹, 不能形成病毒顆粒逆轉(zhuǎn)錄酶第30頁/共70頁 反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子是近年新發(fā)現(xiàn)的由RNA介導(dǎo)轉(zhuǎn)座

11、的轉(zhuǎn)座元件，在結(jié)構(gòu)和復(fù)制上與反轉(zhuǎn)錄病毒(retrovirus)類似，只是沒有病毒感染必須的env基因，它通過轉(zhuǎn)錄合成mRNA,再逆轉(zhuǎn)錄合成新的元件整合到基因組中完成轉(zhuǎn)座，每轉(zhuǎn)座1次拷貝數(shù)就會(huì)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(dòng)遺傳成分。 目前共發(fā)現(xiàn)了3種類型反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子：Tyl-copia類，Ty3-gypsy類和LINE(long interspersed nuclear Clements)類轉(zhuǎn)座子，前兩類是具有長(zhǎng)末端重復(fù)的轉(zhuǎn)座子，LINE類轉(zhuǎn)座子沒有長(zhǎng)末端重復(fù)。高等植物中的反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)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(gè)因子都位于玉米的第九號(hào)染色體短臂，在這兩個(gè)因子都位于玉米的第九號(hào)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(zhǎng)全長(zhǎng)4.5kb，有，有5個(gè)外顯子，其產(chǎn)物是轉(zhuǎn)座酶。個(gè)外顯子，其產(chǎn)物是轉(zhuǎn)座酶。Ac因子兩端是長(zhǎng)因子兩端是長(zhǎng)11bp的反向重復(fù)序列的反向重復(fù)序列(IR)； Ds因子因子長(zhǎng)長(zhǎng)0.4-4kb，它的中間，它的中間(在在轉(zhuǎn)座酶基因中轉(zhuǎn)座酶基因中)有許多種有許多種長(zhǎng)度不等的缺失長(zhǎng)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(fù)序列。的反向重復(fù)序

13、列。 Ac和和Ds的末端反向重復(fù)幾乎是一樣的，只有一個(gè)不同之處：的末端反向重復(fù)幾乎是一樣的，只有一個(gè)不同之處：Ac兩端最外邊的核苷酸是彼此不互補(bǔ)的兩端最外邊的核苷酸是彼此不互補(bǔ)的T:G，而，而Ds是互補(bǔ)的是互補(bǔ)的T:A(圖圖)。 玉米的Ac-Ds元件第34頁/共70頁 Ac-Ds轉(zhuǎn)座元件結(jié)構(gòu)示意圖。右邊示Ac及Ds元件的單鏈DNA末端反向重復(fù)配對(duì)所形成的莖環(huán)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可能對(duì)轉(zhuǎn)座有意義第35頁/共70頁 由于缺失轉(zhuǎn)座酶，由于缺失轉(zhuǎn)座酶，Ds因子不能自主移動(dòng)，因此因子不能自主移動(dòng)，因此Ds因子因子是非自主移動(dòng)是非自主移動(dòng)的受體因子的受體因子(dissociator)，而，而Ac則為自主移動(dòng)的調(diào)

14、節(jié)因子則為自主移動(dòng)的調(diào)節(jié)因子(activator )，Ds的轉(zhuǎn)座的轉(zhuǎn)座依賴于依賴于Ac元件的存在。元件的存在。 Ac、Ds的轉(zhuǎn)座屬于的轉(zhuǎn)座屬于非復(fù)制機(jī)制非復(fù)制機(jī)制，即不是復(fù)制，即不是復(fù)制一份拷貝后將拷貝轉(zhuǎn)移，而是直接從原來位置消失。一份拷貝后將拷貝轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移到新的靶點(diǎn)上，使靶點(diǎn)附近的基因失活或改變表達(dá)活性。第37頁/共70頁玉米轉(zhuǎn)座因子對(duì)胚乳顏色的影響 第38頁/共70頁第39頁/共70頁 果蠅中的轉(zhuǎn)位因子 果蠅中的Copia基因有幾種順序上不相關(guān)，但結(jié)構(gòu)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(zhǎng)度長(zhǎng)度末端同末端同 相重復(fù)相重復(fù)末端反末端反 相重復(fù)相重復(fù)Copia2060500027610FB30500500002501250P505002900031第40頁/共70頁 Copia因子因子是果蠅的一種反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子是果蠅的一種反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子(retrotransposon或或retroposon)，所謂反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)，所謂反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子是指通過座子是指通過RNA為中介，反轉(zhuǎn)錄成為中介，反轉(zhuǎn)錄成DNA后進(jìn)行轉(zhuǎn)座后進(jìn)行轉(zhuǎn)座的可動(dòng)元件。的可動(dòng)元件。 Copia因子由于存在大量密切相關(guān)的編碼高豐因子由于存在大量密切相關(guān)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(zhǎng)因子全長(zhǎng)5000bp左右，兩端各有左右，兩端各有-個(gè)相同的個(gè)相同的276bP的正向重復(fù)序列的正向重復(fù)序列(DR)，每個(gè)正向重復(fù)序列本身，每個(gè)正向重復(fù)序列本身的兩端還各有一個(gè)反向重復(fù)序列的兩端還各有一個(gè)反向重復(fù)序列(IR)。當(dāng)。當(dāng)Copia因子轉(zhuǎn)因子轉(zhuǎn)座插入染色體時(shí)，在插入位點(diǎn)上產(chǎn)生座插入染色體時(shí)，在插入位點(diǎn)上產(chǎn)生5bp的正向重復(fù)序的正向重復(fù)序列。列。 第42頁/共70頁 Copia因子的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物是因子的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)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(zhǎng)的轉(zhuǎn)錄本，另一種是部分

17、長(zhǎng)度即截短的轉(zhuǎn)錄本，二者都有相同的完整全長(zhǎng)的轉(zhuǎn)錄本，另一種是部分長(zhǎng)度即截短的轉(zhuǎn)錄本，二者都有相同的5末端。翻譯產(chǎn)生的蛋白質(zhì)可能參與末端。翻譯產(chǎn)生的蛋白質(zhì)可能參與RNA的剪接和多肽的切割。關(guān)于的剪接和多肽的切割。關(guān)于Copia因子轉(zhuǎn)座的具體過程和細(xì)節(jié)目前還不十分清楚。因子轉(zhuǎn)座的具體過程和細(xì)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(fù)序列長(zhǎng)度不同，同一個(gè)FB成分的兩個(gè)LTR也不完全相同，轉(zhuǎn)座時(shí)靶點(diǎn)序列產(chǎn)生9bp的倍增，有時(shí)兩個(gè)不同的FB因子共同引起一大段DNA的轉(zhuǎn)移。第44頁/共70頁P(yáng)因子 具有不一定的長(zhǎng)度，完整的P成份有2900bp，含有四個(gè)閱讀框，它們是轉(zhuǎn)座所必需的，因此只

18、有完整的P成分才具有轉(zhuǎn)座功能。 共同特點(diǎn)：兩端都有31bp的反向重復(fù)序列。 第45頁/共70頁果蠅P因子的結(jié)構(gòu) 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(xì)胞型中阻遏蛋白的相互作用 第49頁/共70頁真核生物的轉(zhuǎn)位因子酵母中的Ty因子： 是一種分散重復(fù)序列，每個(gè)Ty因子全長(zhǎng)6.3Kb，兩端各有一段334bp的同向重復(fù)序列，稱序列，富含AT，可翻譯成42個(gè)殘基的氨基酸，每個(gè)酵母細(xì)胞基因組中有3035個(gè)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(diǎn)間序列的同源性b) 轉(zhuǎn)座不是簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)移，涉及轉(zhuǎn)座子的復(fù)制Hotspots (熱點(diǎn))Regional preference ( 在3kb區(qū)域內(nèi)的隨機(jī)插入) d) 某些轉(zhuǎn)座因子（Tn3）對(duì)同類轉(zhuǎn)座因子的插入具有排他性 （免疫性）e) 靶序列在轉(zhuǎn)座因子兩側(cè)會(huì)形成正向重復(fù) f) 轉(zhuǎn)座因子的切除與轉(zhuǎn)座將產(chǎn)生復(fù)雜的遺傳學(xué)效應(yīng)c) 轉(zhuǎn)座插入的靶位點(diǎn)并非完全隨機(jī)（插入專一型）第54頁/共70頁指減低蛋白質(zhì)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(diǎn)靶造成插入位點(diǎn)靶DNA的少量堿基對(duì)的少量堿基對(duì)重復(fù)重復(fù)IS1、Tn10： 造成造成9bp的重復(fù)。的重復(fù)。 IS3： 造成造成3或或4bp的重復(fù)。的重復(fù)。 IS4： 造成造成11bp的重復(fù)。的重復(fù)。插入位點(diǎn)出現(xiàn)新基因 復(fù)合轉(zhuǎn)座子帶有抗性基因（如抗藥性基因ampc)，可產(chǎn)生兩方面效應(yīng)：一個(gè)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(gè)染色體上（甚至不同染色體上）若有同一在一個(gè)染色體上（甚至不同染色體上）若有同一轉(zhuǎn)座子的兩個(gè)拷貝，其提供的相同重組位點(diǎn)，可導(dǎo)致缺轉(zhuǎn)座子的兩個(gè)拷貝，其提供的相同重組位點(diǎn)，可導(dǎo)致缺失、倒位、插入。失、倒位