轉(zhuǎn)座因子的遺傳分析

轉(zhuǎn)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(nèi)容第1節(jié)轉(zhuǎn)座因子的發(fā)現(xiàn)與分類第2節(jié)原核生物中的轉(zhuǎn)座因子第3節(jié)真核生物中的轉(zhuǎn)座因子第4節(jié)轉(zhuǎn)座作用的分子機(jī)制第5節(jié)轉(zhuǎn)座因子的遺傳學(xué)效應(yīng)及其應(yīng)用第2頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二第1節(jié)轉(zhuǎn)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(bào)道一個(gè)基因的遺傳不穩(wěn)定性受到一個(gè)獨(dú)立基因的控制，但也未揭示其遺傳機(jī)制符合孟德爾分離比且基因不連鎖有色：A1/a1斑點(diǎn)：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(fù)突變，即a1→A1；對(duì)a1a1Dt_(花斑)進(jìn)行測交，后代完全有色（理論上應(yīng)為部分有色），表明在親本a1是一種回復(fù)突變率很高的基因，其不穩(wěn)定性與Dt基因密切相關(guān)。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(gè)獨(dú)立的因子所控制。但仍未揭示這種不穩(wěn)定性的遺傳學(xué)機(jī)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(diǎn)這些表型之間的相互關(guān)系McClintock的實(shí)驗(yàn)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(dǎo)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(rèn)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(dǎo)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(fù)導(dǎo)致斑點(diǎn)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(gè)“可移動(dòng)的遺傳因子”，即Dissociator(Ds)，Ds可以移動(dòng)并插入到C基因中；當(dāng)Ds從C上移走后，C作用恢復(fù)，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(dòng)還受另一個(gè)控制因子Activator(Ac)的控制，當(dāng)Ac存在時(shí)，Ds可移動(dòng)；Ac丟失，則Ds不能移動(dòng)。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(diǎn)第11頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二

McClintock于1951年提出轉(zhuǎn)座因子學(xué)說：生物基因組中存在轉(zhuǎn)座子，這些轉(zhuǎn)座因子既可以沿染色體移動(dòng)，也可以在不同染色體之間跳躍。因此，轉(zhuǎn)座因子又可稱為跳躍基因（jumpinggene），但未受到重視。（2）McClintock的轉(zhuǎn)座因子學(xué)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(gè)多余的DNA環(huán)（IS1）轉(zhuǎn)座因子被認(rèn)可第14頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二2.DNA轉(zhuǎn)座因子

轉(zhuǎn)座(transposition)：基因組內(nèi)一段相對(duì)獨(dú)立的、可移動(dòng)序列，它們不必借用噬菌體或質(zhì)粒的形式就可以從基因組的一個(gè)部位直接轉(zhuǎn)移到另一個(gè)部位，這個(gè)過程稱為轉(zhuǎn)座。

轉(zhuǎn)座子每次移動(dòng)時(shí)攜帶著轉(zhuǎn)座必需的基因一起在基因組內(nèi)躍遷，所以轉(zhuǎn)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(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)座特點(diǎn)基因組內(nèi)移動(dòng)不依賴于供體與受體間的序列關(guān)系一般僅移動(dòng)轉(zhuǎn)座子序列本身第16頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二轉(zhuǎn)座因子分類DNA轉(zhuǎn)座子直接以DNA序列某些區(qū)段作為轉(zhuǎn)座成分反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子以RNA介導(dǎo)轉(zhuǎn)座第17頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二1.DNA轉(zhuǎn)座子

復(fù)制型轉(zhuǎn)座非復(fù)制型轉(zhuǎn)座保守型轉(zhuǎn)座

第18頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二復(fù)制型轉(zhuǎn)座概念：轉(zhuǎn)座過程中，轉(zhuǎn)座子被復(fù)制，一個(gè)拷貝保留在原位點(diǎn)，另一份拷貝插入到新的位點(diǎn)，轉(zhuǎn)座的DNA序列實(shí)際上是原轉(zhuǎn)座子的一個(gè)拷貝轉(zhuǎn)座過程伴隨著轉(zhuǎn)座子拷貝數(shù)的增加轉(zhuǎn)座酶、解離酶如：TnA轉(zhuǎn)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(fù)制型轉(zhuǎn)座概念：轉(zhuǎn)座因子作為一個(gè)物理性實(shí)體，直接由一個(gè)位點(diǎn)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)位點(diǎn)保守性強(qiáng)需要轉(zhuǎn)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(zhuǎn)座概念：保守型轉(zhuǎn)座是轉(zhuǎn)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(gè)核苷鍵皆被保留；保守型轉(zhuǎn)座是另一種非復(fù)制型的轉(zhuǎn)座過程；與λ噬菌體整合機(jī)制非常相似，其轉(zhuǎn)座酶與λ整合酶也相關(guān)。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(dǎo)，通過反轉(zhuǎn)錄酶將轉(zhuǎn)座子RNA拷貝為cDNA后再整合到宿主基因組中形成轉(zhuǎn)座，稱為反/逆轉(zhuǎn)座子或反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子類型：反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子和反轉(zhuǎn)錄病毒只在真核生物基因組中發(fā)現(xiàn)反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)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(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子與反轉(zhuǎn)錄病毒基因組比較反轉(zhuǎn)錄病毒的基因組為RNA分子，感染細(xì)胞時(shí)在反轉(zhuǎn)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(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子是DNA→RNA→整合宿主中；反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子具有類似ERV的順序，沒有編碼外殼蛋白的基因，不會(huì)包裝形成具有蛋白質(zhì)外殼的顆粒；長散在核元件含有與反轉(zhuǎn)座有關(guān)的類反轉(zhuǎn)座基因；短散在核元件本身無反轉(zhuǎn)座酶基因，但可借用宿主中的反轉(zhuǎn)座酶實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)座。第27頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二與轉(zhuǎn)座相關(guān)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(zhuǎn)座因子原核生物的轉(zhuǎn)座因子類型：

插入序列（insertionsequence，IS）

轉(zhuǎn)座子（transposon，Tn）轉(zhuǎn)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(zhuǎn)座因子，不含任何宿主基因的可轉(zhuǎn)位的DNA序列；是細(xì)菌染色體或質(zhì)粒DNA的正常組成部分一個(gè)細(xì)菌細(xì)胞常帶有多個(gè)IS

序列

攜帶有介導(dǎo)自身轉(zhuǎn)座的轉(zhuǎn)座酶第30頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二

IS元件是獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單位，每個(gè)元件只編碼為自身轉(zhuǎn)座所需要的蛋白質(zhì)；

IS元件的末端為短的反向末端重復(fù)序列(IR)：在同一多核苷酸鏈內(nèi)下游存在著與上游某一段序列的互補(bǔ)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(fù)序列轉(zhuǎn)座：可以從染色體的一個(gè)位置轉(zhuǎn)移到另一位置，或從質(zhì)粒轉(zhuǎn)移到染色體上形成兩個(gè)正向重復(fù)序列一個(gè)正向重復(fù)序列第32頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二含有IS的質(zhì)粒經(jīng)變性后形成頸環(huán)（或啞鈴狀）結(jié)構(gòu)第33頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二IS的特點(diǎn)長度在768-5700bp；

本身沒有表型效應(yīng)，只攜帶轉(zhuǎn)座酶基因；

兩端幾個(gè)到幾十個(gè)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(fù)序列(IR)；

插入后引起靶DNA序列多數(shù)為5-11bp的正向重復(fù)；

一般情況下，轉(zhuǎn)座頻率為10-4-10-3/世代，恢復(fù)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(zhuǎn)座子(transposon,Tn)一類較大的轉(zhuǎn)座子：2000-25000bp，兩端反向重復(fù)序列；含有與轉(zhuǎn)座有關(guān)的基因外，還帶有抗藥基因以及其它基因；

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

序列的、體積龐大的轉(zhuǎn)座子TnA

家族第35頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二復(fù)合轉(zhuǎn)座子簡單轉(zhuǎn)座子第36頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二Tn3轉(zhuǎn)座子不含IS，為簡單轉(zhuǎn)座子；含有3個(gè)基因：編碼β-內(nèi)酰胺酶的氨芐青霉素抗性基因(ampR)，轉(zhuǎn)座酶基因(tnpA)和編碼一種阻遏物的調(diào)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(zhuǎn)座子主序列抗生素基因編碼轉(zhuǎn)座有關(guān)的酶：一種（蛋白1）為轉(zhuǎn)座酶，另一種（蛋白2）為轉(zhuǎn)座抑制蛋白與IS50R只差別一個(gè)堿基第38頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二TnA轉(zhuǎn)座子38bp38bp第39頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二轉(zhuǎn)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(diǎn)：幾乎可以插入宿主染色體任何一個(gè)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(zhuǎn)座子酵母基因組中的轉(zhuǎn)座子果蠅基因組中的轉(zhuǎn)座子玉米基因組中的轉(zhuǎn)座子人類基因組中的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)座子酵母的Ty系列(transposonyeast,Ty)轉(zhuǎn)座子Ty1為5900bp，兩端含有兩個(gè)稱為δ的正向重復(fù)序列；

δ重復(fù)序列長約340bp，具有較高的A、T含量；含有一個(gè)啟動(dòng)子和一段被轉(zhuǎn)座酶識(shí)別的序列。δ的正向重復(fù)序列δ的正向重復(fù)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(huì)出現(xiàn)5bp的正向重復(fù)序列，與細(xì)菌中轉(zhuǎn)座子作用相似?？赡馨l(fā)生類似于細(xì)菌中復(fù)制重組過程形成的小環(huán)，丟失一個(gè)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(zhuǎn)座是通過一種RNA中間物進(jìn)行的，類似于反轉(zhuǎn)錄病毒的復(fù)制和整合，所以Ty1因子也稱作反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子Ty1因子轉(zhuǎn)座時(shí)首先以DNA為模板合成一個(gè)拷貝的RNA，再通過反轉(zhuǎn)錄合成一條新的Ty1因子，最后這條新的Ty1轉(zhuǎn)座子再插入到新的位點(diǎn)上。第44頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二屬于復(fù)制型轉(zhuǎn)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(zhuǎn)座特殊性：只能轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(xì)胞中有導(dǎo)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(gè)編碼區(qū)（0、1、2、3）、3個(gè)內(nèi)含子（1、2、3）體細(xì)胞中，內(nèi)含子1、2被切除，外顯子0、1、2被翻譯成轉(zhuǎn)錄阻遏蛋白——轉(zhuǎn)錄活性的抑制因子生殖細(xì)胞中，全部4個(gè)外顯子被翻譯成轉(zhuǎn)座酶，導(dǎo)致P因子轉(zhuǎn)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(fù)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(zhǔn)確切離對(duì)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(zhuǎn)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(zhuǎn)錄生成長3500nt單一的RNA，含一個(gè)長807個(gè)密碼子的開放閱讀框。兩端具有長11bp的反向重復(fù)序列，在Ac因子的插入位點(diǎn)上，兩段反向重復(fù)序列之外各接有一段8bp的染色體DNA正向重復(fù)序列；含有4個(gè)內(nèi)含子和5個(gè)外顯子，可能編碼與轉(zhuǎn)座有關(guān)的轉(zhuǎn)座酶；具有活性的轉(zhuǎn)座酶基因，可自主移動(dòng)，為自主元件。玉米基因組中的轉(zhuǎn)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(hào)染色體上，是轉(zhuǎn)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(fù)序列和8bp的染色體DNA正向重復(fù)序列。第53頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二全長4563bp，4個(gè)內(nèi)含子，5個(gè)外顯子11bp反向重復(fù)序列不能自動(dòng)轉(zhuǎn)座11bp反向重復(fù)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(zhuǎn)座子長散在重復(fù)序列(LINE)短散在重復(fù)序列(SINE)反轉(zhuǎn)錄病毒類轉(zhuǎn)座子DNA轉(zhuǎn)座子第55頁，共72頁，2023年，2月20日，星期二

富含A

終止兩個(gè)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(zhuǎn)座作用的分子機(jī)制復(fù)制型轉(zhuǎn)座機(jī)制轉(zhuǎn)座子是以它的一個(gè)復(fù)制品轉(zhuǎn)移到另一位置的，而在原來位置上仍然保留著原有的轉(zhuǎn)座子；

轉(zhuǎn)座過程是發(fā)生在特定的位點(diǎn)遺傳重組過程；

伴隨著DNA的合成，所以是復(fù)制式的位點(diǎn)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(zhuǎn)座酶的作用下，在受體質(zhì)粒上的靶序列和識(shí)別位點(diǎn)處切開2.連接供體和受體結(jié)合成為共聯(lián)體3.復(fù)制由DNA多聚酶進(jìn)行修補(bǔ)復(fù)制補(bǔ)上缺口，由連接酶連接。在IS兩端形成了兩個(gè)正向重復(fù)序列（DR