第十二章 轉(zhuǎn)座子

第十二章轉(zhuǎn)座子第一頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五麥克林托克－－轉(zhuǎn)座子的發(fā)現(xiàn)第二頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五第一節(jié)轉(zhuǎn)座子種類與鑒別一、轉(zhuǎn)座子種類自主轉(zhuǎn)座子非自主轉(zhuǎn)座子反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子第三頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五表12-1玉米的3個轉(zhuǎn)座遺傳因子系統(tǒng)及其控制的部分結(jié)構(gòu)基因所屬系統(tǒng)自主控制因子非自主控制因子受控制的結(jié)構(gòu)基因Dt-rDtDtrDtaa-m1

Ac-DsAcDsa-m3a-m4a2-m4c-m1sh-m1sh-m2bz-m1bz-m4wx-m1wx-m5wx-m6wx-m7wx-m9Mp(Ac)DsP-vvM(Ac)Dsbz2-mSpmSpmSpm(缺損)a-m1(Spm)a-m2a-m5c2-m1c2-m2a2-m1a2-m5pr-m2pr-m3c-m5wx-m8En(Spm)Ibz2-m第四頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五二、轉(zhuǎn)座子鑒別1、確定基因突變發(fā)生的座位2、確定轉(zhuǎn)座子類型3、確定自主因子類別4、確定轉(zhuǎn)座系統(tǒng)第五頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五突變基因位點的確定amam(花斑)A2A2C1C1C2C2×a1a1A2A2C1C1C2C2(測驗種,無色)

a1amA2A2C1C1C2C2(表現(xiàn)隱性性狀,證明為該位點突變,其他組合表現(xiàn)顯性)第六頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五

自主和非自主轉(zhuǎn)座子的鑒別a1a1(花斑)A2A2C1C1C2C2×A1A1A2A2C1C1C2C2A1a1A2A2C1C1C2C21A1A1(有色):2A1a1(有色):1a1a1(花斑)自主轉(zhuǎn)座子第七頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五

非自主轉(zhuǎn)座子的鑒別Aca1a1(花斑)A2A2C1C1C2C2×ac

A1A1A2A2C1C1C2C2Acac+A1a1(Dsds)A2A2C1C1C2C29Ac-A1-(有色):3Ac-a1a1(Ds花斑):3acacA1-(有色):acaca1a1(無色)非自主轉(zhuǎn)座子自交第八頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五自主轉(zhuǎn)座子的確定與已知非轉(zhuǎn)座子測驗種雜交第九頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五第二節(jié)重要玉米轉(zhuǎn)座子系統(tǒng)一、Dt-rDt系統(tǒng)Dt系統(tǒng)是30年代在墨西哥黑甜玉米中發(fā)現(xiàn)的，其自主控制因子Dt，位于9號染色體短臂末端。至今已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了6個獨立的Dt基因突變，它們只能特異性地引起a1座某些等位基因的不穩(wěn)定突變。它的非自主控制因子為rDt。rDt能夠插入a1座，并對Dt發(fā)出的信號作出反應(yīng)，引起a1的回復突變。沒有活性的a1和a1-m，在dt存在時，表現(xiàn)是穩(wěn)定的，但在Dt存在時，都能發(fā)生特定頻率的回復突變，出現(xiàn)不同活性水平的A1?；貜屯蛔兛梢园l(fā)生在個體發(fā)育的任何時期。在能夠產(chǎn)生花青素的組織，引起葉片、花藥、籽粒等產(chǎn)生大小不同的有色斑點（圖12-1）。

第十頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五圖12-1Dt-rDt系統(tǒng)對花藥和葉片色素的影響第十一頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五圖12-2Dt-rDt系統(tǒng)的遺傳第十二頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五二、AC-DS系統(tǒng)自主因子AC-----活化狀態(tài)和失活狀態(tài)自主轉(zhuǎn)座不引起染色體斷裂非自主因子－－三種作用狀態(tài)1、抑制結(jié)構(gòu)基因表達程度不同2、結(jié)構(gòu)基因恢復突變時間不同3、回復突變頻率不同AC與DS互作－－AC在活化狀態(tài)時可引起DS轉(zhuǎn)座，可導致染色體斷裂并產(chǎn)生BBF循環(huán)第十三頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五圖12-3Ac因子自主轉(zhuǎn)座和對Ds的控制作用第十四頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五圖12-4玉米9號染色體在Ac-Ds作用下引起的染色單體“斷裂-融合-橋”循環(huán)第十五頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五第十六頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五第十七頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五圖12-7玉米C座位控制因子突變a.顯性基因C產(chǎn)生有色糊粉層；b.Ds因子插入C座位，使C突變?yōu)閏-m，使糊粉層無色；c.在Ac存在時，可引起Ds在某些細胞轉(zhuǎn)座，產(chǎn)生回復突變，故整個子粒呈現(xiàn)出在無色背景下散布著有色斑點。第十八頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五三、SPm系統(tǒng)自主因子----SPm非自主因子----I自主因子作用特點------SPm分為兩個部分－－－抑制基因SP：通過控制因子對結(jié)構(gòu)基因的表達起到完全抑制作用－－－增變基因m：能夠引起控制因子的轉(zhuǎn)座和狀態(tài)變化，控制整個SPm因子轉(zhuǎn)座。SP和m的互作：只有SP正常，m才能發(fā)揮作用。SP正常，m發(fā)生狀態(tài)變化，則影響回復突變發(fā)生的時間和頻率，m失活，SPm不能轉(zhuǎn)座，非自主因子I亦不能轉(zhuǎn)座，但SP可以出現(xiàn)活化和失活狀態(tài)的周期性變化。非自主因子I作用特點：插入結(jié)構(gòu)基因時，可部分抑制結(jié)構(gòu)基因表達，在m基因活化時可以轉(zhuǎn)座，引起結(jié)構(gòu)基因的回復突變。第十九頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五圖12-9Spm系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)基因A的相互作用，以及玉米糊粉層的性狀表現(xiàn)第二十頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五圖12-10不同Spm突變引起I因子轉(zhuǎn)座時間與頻率對玉米糊粉層的影響左：轉(zhuǎn)座發(fā)生得晚但頻率高；中：轉(zhuǎn)座發(fā)生得晚，頻率低；右：轉(zhuǎn)座發(fā)生得早第二十一頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五圖12-11Spm系統(tǒng)中，引變因子m失活，抑制因子Sp發(fā)生周期性變化對A基因的影響，以及引起玉米糊粉層色素的變化。a.無Spm；b.Spm存在，但m無活性；c.Spm存在，m無活性，Sp發(fā)生周期性變化第二十二頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五第三節(jié)轉(zhuǎn)座發(fā)生的時間與控制因子突變的性質(zhì)

一、轉(zhuǎn)座發(fā)生的時間玉米果皮顏色P基因的研究：P基因位于1號染色體長臂上，控制果皮和穗軸色素的形成。AC即MP可以引起此基因的回復突變。其因轉(zhuǎn)座時間不同而產(chǎn)生不同的表現(xiàn)型。第二十三頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五圖12-13Mp因子在染色體復制中轉(zhuǎn)座的類型。a.Mp隨染色體復制而復制，沒有發(fā)生轉(zhuǎn)座；b.復制后的Mp因子轉(zhuǎn)座到尚未復制的染色體上，隨著染色體再復制一次，結(jié)果一條染色體有兩個；c.復制后的Mp因子轉(zhuǎn)座到已經(jīng)完成復制的染色子體上，結(jié)果，一條染色體有兩個Mp，另一條沒有Mp第二十四頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五二、控制因子突變的性質(zhì)（略）第二十五頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五第四節(jié)轉(zhuǎn)座因子的分子基礎(chǔ)一、分子基礎(chǔ)AC—DS系統(tǒng)圖12-14帶有Ac因子的wx基因的單股DNA與不帶Ac因子的回復突變Wx基因單股DNA分子雜交示意：Wx基因與wx基因大部分區(qū)段可以發(fā)生聯(lián)會，形成雙鏈。只有wx上的Ac因子因無互補序列而形成單股環(huán)第二十六頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五圖15Ac因子與三個不同Ds因子的分子組成比較Ds-a只在Ac大基因編碼區(qū)缺失了194個核苷酸Ds-b缺失了Ac核苷酸的1/2；Ds-c只保留了Ac因子的反向重復區(qū)從分離到的幾個Ds因子來看，其大小差別很大。第一個Ds很像Ac，只是缺失了194個核苷酸，這部分缺失恰好發(fā)生在大基因編碼區(qū)。由于Ds的轉(zhuǎn)座必須有Ac存在，所以可以想象，這194個核苷酸的缺失，正好破壞了轉(zhuǎn)座酶基因。第二個Ds只有Ac長度的一半。一個最小的Ds因子只有Ac長度的1/10，僅僅包括了Ac因子的末端反向重復區(qū)。染色體上任何具有與Ac相似的反向末端重復序列的成分都可能起到Ds的作用。這部分序列很可能已經(jīng)包含了全部有關(guān)轉(zhuǎn)座酶需要的識別、切除和轉(zhuǎn)座的信息。Ac因子則不然，在結(jié)構(gòu)上不可能有太大的區(qū)別，因為它必須具有編碼和表達轉(zhuǎn)座酶的能力。從已經(jīng)分離到的3個Ac的情況來看，它們幾乎是完全相等的。第二十七頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五Ac中編碼轉(zhuǎn)座酶的長度為2421bp的ORF。有證據(jù)表明，轉(zhuǎn)座酶的結(jié)合序列為目標DNA上的AAACGGG，并且需要該序列6次以上的重復才能穩(wěn)定結(jié)合（Becker和Kunze,1997）。甲基化對上述結(jié)合有很大影響，兩條鏈上的C被甲基化后，則不能結(jié)合，只有一條鏈甲基化則顯著影響結(jié)合。因此，甲基化可能在轉(zhuǎn)座過程中發(fā)揮重要作用。正常結(jié)合：AAACGGG

TTTGCCC結(jié)合弱化：AAAmCGGGTTTGCCC第二十八頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五有一系列的Ds因子，都能夠引起結(jié)構(gòu)基因插入突變并對Ac因子發(fā)生反應(yīng)。但有可靠證據(jù)表明，并非所有Ds因子都能引起染色體斷裂。只有一種稱作“雙重Ds”（doubleDs）的類型才有使染色體斷裂的能力（H.P.D?ring，1986）。這種雙重Ds因子由兩個只有2041bp的Ds拷貝組成，其中一個拷貝以反向方式插入另一個拷貝分子中，它的末端反向DNA序列重復4次，其他部分也以反向方式重復兩次，其轉(zhuǎn)座所致染色體斷裂過程如圖12－5。第二十九頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五第三十頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五SPm系統(tǒng)

Spm因子（從wx-84-4得到）和I因子（從wx-m8得到）分子的基本結(jié)構(gòu)與Ac和Ds因子很相似。它們分子的兩端有一個由13個堿基對組成的反向重復序列TIR（CACTACAAGAAAA）。緊挨著TIR，是由以12個堿基對為基本單位（CCGACACTCTTA），以順向或反向重復若干次，形成的各由大約200個堿基對組成的“柄”（stem），柄中間是它們的功能單位。Spm因子由8248bp組成，I因子由2.2kb組成。它們之間的6.2kb的差異導致了I因子轉(zhuǎn)座能力的喪失。Spm因子在883堿基處失去了6.2kb的DNA序列，就形成了I因子。對一系列分離到的I因子測定的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)它們大都是由于Spm因子內(nèi)部缺失造成的。但有一個I（dSpm）因子，其分子長度與Spm完全相同，可能是由于點突變或者DNA分子的某些修飾作用所致，這種點突變或DNA修飾作用使Spm喪失了自主轉(zhuǎn)座能力。圖12-16I-8因子的分子結(jié)構(gòu)它包含3個外顯子，它和Spm之間的差異在于在883堿基處缺失了6.2kb的DNA序列第三十一頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五第三十二頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五控制因子利用其特定的靶子位點重復（targetsiteduplication，TSD）DNA與受體基因相連接，插入基因座位。在它們離開插入位點時，TSD與轉(zhuǎn)座因子一起消失。但在植物中，轉(zhuǎn)座因子離開之后，TSD常常被遺留下來形成印跡（footprint），不過這種遺留下來的TSD，有時與原來的TSD有所不同，個別堿基可能被替代或丟失（圖12-18，圖12－19）。如果轉(zhuǎn)座因子的插入和跳出，發(fā)生在內(nèi)含子或基因前導序列（leadersequence），其后果很難覺察得到。如果發(fā)生在外顯子，在遺留的TSD堿基不是3的倍數(shù)時，有可能產(chǎn)生移碼突變（frameshiftmutation），是3的倍數(shù)時，TSD堿基有可能增加少數(shù)氨基酸，使回復突變的蛋白質(zhì)與原始類型有所不同第三十三頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五與Ac類似，Spm的活性也受甲基化影響，甲基化抑制其轉(zhuǎn)座能力。但具體的調(diào)控方式還不完全清楚。Fedoroff(1995)認為，Spm5’端至轉(zhuǎn)錄起始點的上游控制區(qū)域（UCR）甲基化與其失活有關(guān)。Spm編碼產(chǎn)生的兩個蛋白TNPA和TNPD是轉(zhuǎn)座所必需的，兩個蛋白通過與Spm端部結(jié)合，促使Spm與DNA的緊密結(jié)合。TNPA結(jié)合于Spm靠近端部的重復區(qū)域，可以使Spm啟動子脫甲基化。同時，通過影響轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)座實現(xiàn)Spm的調(diào)控。圖12－17為Spm的分子調(diào)控模式。第三十四頁，共四十頁，編輯于2023年，星期五控制因子利用其特定的靶子位點重復（targetsiteduplication，TSD）DNA與受體基因相連接，插入基因座位。在它們離開插入位點時，TSD與轉(zhuǎn)座因子一起消失。但在植物中，轉(zhuǎn)座因子離開之后，TSD常常被遺留下來形成印跡（footprint），不過這種遺留下來的TSD，有時與原來的TSD有所不同，個別堿基可能被替代或丟失（圖12-18，圖12－19）。如果轉(zhuǎn)座因子的插入和跳出，發(fā)生在內(nèi)含子或基因前導序列（leadersequence），其后果很難覺察得到。如果發(fā)