第九章轉(zhuǎn)座因子的遺傳分析

第九章轉(zhuǎn)座因子的遺傳分析第1頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月轉(zhuǎn)座因子的發(fā)現(xiàn)與分類原核生物中的轉(zhuǎn)座因子真核生物中的轉(zhuǎn)座因子轉(zhuǎn)座作用的分子機(jī)制與遺傳學(xué)效應(yīng)主要內(nèi)容第2頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)

轉(zhuǎn)座因子的發(fā)現(xiàn)與分類轉(zhuǎn)座因子的發(fā)現(xiàn)DNA轉(zhuǎn)座反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子第3頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月一、轉(zhuǎn)座因子的發(fā)現(xiàn)1914年，Emerson在研究玉米果皮色素遺傳中發(fā)現(xiàn)：花斑果皮產(chǎn)生寬窄不同紅白相間的花斑?；ò邨l紋的突變產(chǎn)生在于突變基因的不穩(wěn)定性，但不知其因。1938年，Rhoades在研究玉米糊粉層色素遺傳時(shí)，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。第4頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月40年代初，McClintock在研究玉米花斑糊粉層和植株色素產(chǎn)生的遺傳基礎(chǔ)時(shí)，發(fā)現(xiàn)色素變化與一系列染色體重組有關(guān)。并且染色體的斷裂或解離有一個(gè)特定位點(diǎn)(Ds)。但Ds并不能自行斷裂受一個(gè)激活因子Ac所控制。Ac表現(xiàn)很特殊，可以離開原座位運(yùn)動(dòng)到同一個(gè)或不同染色體的另一座位，McClintock把Ac和Ds稱為控制因子或轉(zhuǎn)座因子?！翱刂埔蜃印奔僬f第5頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月1961年Jacob和Momod發(fā)表乳糖操縱子模型和控制基因理論，McClintock的“控制因子”假說開始重新引起人們的注意。60年代未期Shapiro在細(xì)菌中也發(fā)現(xiàn)了可轉(zhuǎn)座的遺傳因子后，轉(zhuǎn)座因子被人們所接受。McClintock（1902-1992）于1983年獲得諾貝爾醫(yī)學(xué)生理學(xué)獎(jiǎng)。第6頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月二、DNA轉(zhuǎn)座復(fù)制型轉(zhuǎn)座非復(fù)制型轉(zhuǎn)座保守型轉(zhuǎn)座第7頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月1、復(fù)制型轉(zhuǎn)座轉(zhuǎn)座子被復(fù)制，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)座子中移動(dòng)的部分被拷貝，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。轉(zhuǎn)座酶、解離酶如：TnA轉(zhuǎn)座子家族（Tn3和Tn1000等）第8頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月第9頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2、非復(fù)制型轉(zhuǎn)座轉(zhuǎn)座因子作為一個(gè)物理性實(shí)體，直接由一個(gè)部位轉(zhuǎn)移到另一個(gè)部位。如：Tn10與Tn5第10頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月3、保守型轉(zhuǎn)座保守型轉(zhuǎn)座是另一種非復(fù)制型的轉(zhuǎn)座過程。該過程中轉(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。該轉(zhuǎn)座過程與λ的整合機(jī)制類似，并且轉(zhuǎn)座酶與λ整合酶家族有關(guān)。第11頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月三、反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子由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。包括反轉(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)。第12頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月RNAcDNARNA整合宿主靶DNA反轉(zhuǎn)錄病毒第13頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月插入序列轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)座噬菌體第二節(jié)原核生物中的轉(zhuǎn)座因子第14頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月1、插入序列（insertedsequence，IS)20世紀(jì)60年代末Starlinger在大腸桿菌中發(fā)現(xiàn)半乳糖基因的突變體，稱為gal-。實(shí)驗(yàn)證明這種突變體是由于DNA片段插入而產(chǎn)生的，這一插入序列是最先發(fā)現(xiàn)的最小的一種轉(zhuǎn)座因子，稱為IS1。第15頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月IS的特性插入序列在大腸桿菌中的拷貝數(shù)長度（bp）末端反向重復(fù)（bp）靶DNA中產(chǎn)生重復(fù)片段大小IS15-8份在染色體768239IS25份在染色體，1份在質(zhì)粒1327415IS35份在染色體，1份在質(zhì)粒1400383或4IS41-2份在染色體14001811第16頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月IS特點(diǎn)(1)長度在768-5700bp；(2)本身沒有表型效應(yīng)，只攜帶轉(zhuǎn)座酶基因；(3)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）。(4)插入后引起靶DNA序列多數(shù)為5～11bp的正向重復(fù)。(5)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。CCCAGACGGGTCTGCCCAGACGGGTCTG正向重復(fù)GTCTGGGCAGACCC反向重復(fù)第17頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月IS結(jié)構(gòu)模式圖第18頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月含有IS的質(zhì)粒經(jīng)變性后形成頸環(huán)（或啞鈴狀）結(jié)構(gòu)變性后單鏈復(fù)性IRIRISIRIR第19頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)一個(gè)IS插入靶DNA后，其兩端會(huì)出現(xiàn)一小段正向重復(fù)序列（約5-11個(gè)核苷酸對(duì)。第20頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2、轉(zhuǎn)座子（transposon，Tn）一類較大的轉(zhuǎn)座因子:2000～25000bp.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，從而賦于宿主細(xì)菌一定的表型。分為簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)座子和復(fù)合轉(zhuǎn)座子。第21頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月Tn的特征轉(zhuǎn)座子抗性標(biāo)記長度/bp反向重復(fù)序列長度/bp末端重復(fù)序列的方向靶DNA產(chǎn)生的重復(fù)長度/bpTn3氨芐青霉素497538反向5Tn5卡那霉素54009反向9Tn9氯霉素263823正向9Tn10四環(huán)素930023反向9第22頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月Tn3轉(zhuǎn)座子(a)不含IS，為簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)座子。(b)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）和編一種阻遏物的調(diào)節(jié)基因（tnpR）。(c)兩端為IR。第23頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月Tn3（簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)座子）的結(jié)構(gòu)模式圖調(diào)節(jié)基因使宿主菌獲得一定特性ampRtnpAtnpRIRIR轉(zhuǎn)座酶基因氨芐青霉素抗性基因第24頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月Tn10轉(zhuǎn)座子Tn10的兩側(cè)IR為IS，為復(fù)合轉(zhuǎn)座子。帶有四環(huán)素抗性基因Tn10的結(jié)構(gòu)模式圖含轉(zhuǎn)座酶基因不含轉(zhuǎn)座酶基因IR第25頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月3、轉(zhuǎn)座噬菌體（mutatorphage）:Mu1963年，Taylor發(fā)現(xiàn)，它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。而且游離Mu和已經(jīng)插入的Mu基因次序是相同的。另外它的兩端沒有粘性末端，插入某基因中就引起該基因突變。第26頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)真核生物中的轉(zhuǎn)座子酵母菌的轉(zhuǎn)座子果蠅的轉(zhuǎn)座子玉米的轉(zhuǎn)座子人類基因組中的轉(zhuǎn)座子第27頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月1、酵母菌的轉(zhuǎn)座子目前在酵母中研究得較清楚的轉(zhuǎn)座子是Ty系列（transponsonyeast，Ty）。Ty1為5900bp，兩端含有兩個(gè)稱為δ的正向重復(fù)序列，正向長末端重復(fù)序列(LTR)的長度約340bp。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，這和細(xì)菌中轉(zhuǎn)座子作用相似。但它通過RNA中間產(chǎn)物進(jìn)行轉(zhuǎn)座----反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子.第28頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月

型a型a型aaaaaaa啤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。屬于復(fù)制型轉(zhuǎn)座第29頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2、

果蠅的轉(zhuǎn)座子

從20世紀(jì)70年代以來，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。這種現(xiàn)象稱為雜種劣育。第30頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月F1（雜種劣育）這是因?yàn)樵赑品系的細(xì)胞中有導(dǎo)致雜種劣育的遺傳因子，稱為P因子。第31頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月P因子的組成4個(gè)外顯子：ORF0、ORF1、ORF2、ORF33個(gè)內(nèi)含子：1，2，32個(gè)反向重復(fù)序列：31bpP（2907bp）

123第32頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月123相對(duì)分子質(zhì)量66kDa相對(duì)分子質(zhì)量87kDaM品系果蠅缺失該阻遏蛋白第33頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月雜交后代的細(xì)胞質(zhì)的貢獻(xiàn)主要來源于母本第34頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月果蠅的轉(zhuǎn)座子插入后在靶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。其他轉(zhuǎn)座子：Copia、412、279、Tip、FB等。第35頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月正向重復(fù)反向重復(fù)反轉(zhuǎn)座子DNA轉(zhuǎn)座子第36頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月

3、玉米的轉(zhuǎn)座子

美國遺傳學(xué)家BarbaraMcClintock發(fā)現(xiàn)玉米籽粒色斑不穩(wěn)定遺傳現(xiàn)象，于1951年第一次提出轉(zhuǎn)座子的概念，當(dāng)時(shí)她把這種可以轉(zhuǎn)移的染色體因子稱為抑制基因（inhibitor，I）。第37頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月DNAtransposableelement第38頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月Ac-Ds家族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。Ac：activator激活因子，在9號(hào)染色體的另一染色體上，該元件為4563bp。具有活性的轉(zhuǎn)座酶基因，可自主移動(dòng)，為自主元件。第39頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月AcDs結(jié)構(gòu)示意圖轉(zhuǎn)座酶編碼轉(zhuǎn)座酶基因缺失第40頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月玉米的轉(zhuǎn)座子的類型自主轉(zhuǎn)座子：Ac(可自主移動(dòng))非自主性轉(zhuǎn)座子：Ds(不可自主移動(dòng))轉(zhuǎn)座子非復(fù)制型轉(zhuǎn)座第41頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月玉米的解離因子Ds（dissociate）9Ac基因缺失時(shí)，Ds不能轉(zhuǎn)座Ac基因存在時(shí)，能激活Ds轉(zhuǎn)座Ds插入某基因后使得該基因突變Ds也可以從該基因中移走，使得該基因發(fā)生回復(fù)突變第42頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月第43頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月玉米的轉(zhuǎn)座子的特點(diǎn)玉米中除了Ds一Ac系統(tǒng)以外，至少還有5個(gè)轉(zhuǎn)座子系統(tǒng)都是由2個(gè)成分組成，這也是玉米等植物和其他真核生物轉(zhuǎn)座子的一個(gè)重要的區(qū)別。如Spm-dSpm：兩個(gè)成員（Spm因子和較小的dSpm因子），dSpm為Spm因子內(nèi)部發(fā)生缺失后形成的轉(zhuǎn)座子，但能獨(dú)立轉(zhuǎn)座。第44頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月4、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)座子序列DNA轉(zhuǎn)座子序列第45頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月長散在重復(fù)序列(LINE)可自主性轉(zhuǎn)座的反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子L1：6500bp，以富含A序列終止，兩個(gè)閱讀框（ORF1和ORF2）。與人類疾病有關(guān)，如：兩個(gè)缺失突變的L1插入到凝血因子Ⅷ基因中，阻斷該基因的表達(dá)，引發(fā)了血友病A。隨后又在凝血因子Ⅷ基因(1種)，Duchenne型肌營養(yǎng)不良(DMD)基因(3種)、多發(fā)性結(jié)腸腺癌(APC)基因(1種)和β珠蛋白基因(1種)中發(fā)現(xiàn)了其他6種L1插入片段。第46頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月短散在重復(fù)序列(SINE)非自主性轉(zhuǎn)座的反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子（無反轉(zhuǎn)座酶基因），能依賴L1或借用宿主中的反轉(zhuǎn)座酶基因進(jìn)行轉(zhuǎn)座。Alu家族：成員豐富，約300bp，兩端具有短正向重復(fù)序列，有一AluⅠ位點(diǎn)。；第47頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)轉(zhuǎn)座機(jī)制與遺傳學(xué)效應(yīng)轉(zhuǎn)座機(jī)制轉(zhuǎn)座子的遺傳學(xué)效應(yīng)第48頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月一、轉(zhuǎn)座的機(jī)制DNA轉(zhuǎn)座機(jī)制1）復(fù)制型轉(zhuǎn)座2）非復(fù)制型轉(zhuǎn)座反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)座機(jī)制1）反轉(zhuǎn)錄病毒的轉(zhuǎn)座機(jī)制2）Ty1/copia類反轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)座機(jī)制3）人類LINE反轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)座機(jī)制第49頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月1、DNA轉(zhuǎn)座機(jī)制

1）復(fù)制型轉(zhuǎn)座（Tn3轉(zhuǎn)座子）A.切開：轉(zhuǎn)座酶識(shí)別受體靶序列，切開兩條單鏈形成粘性末端；B.連接：轉(zhuǎn)座子與切開的受體DNA鏈結(jié)合形成共聯(lián)體。C.復(fù)制：DNA聚合酶補(bǔ)齊缺口，由連接酶連接，形成兩個(gè)正向重復(fù)序列。D.重組：在特定位點(diǎn)進(jìn)行重組，共聯(lián)體分離形成兩部分，一個(gè)含有原來的轉(zhuǎn)座子，另一個(gè)通過轉(zhuǎn)座插入了轉(zhuǎn)座子序列。第50頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月轉(zhuǎn)座酶共聯(lián)體DNA聚合酶DNA連接酶通過重組分成兩部分形成兩個(gè)正向重復(fù)序列第51頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2）非復(fù)制型轉(zhuǎn)座原理：斷裂和重接反應(yīng)使靶序列重構(gòu)，只有靶位點(diǎn)發(fā)生重連，而供體鏈仍保持裂缺，不形成共聯(lián)體。例：Tn10非復(fù)型轉(zhuǎn)座第52頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月轉(zhuǎn)座酶結(jié)合在Tn的兩個(gè)末端供體受體轉(zhuǎn)移末端產(chǎn)生切口另一條鏈產(chǎn)生切口供體被釋放Tn10非復(fù)型轉(zhuǎn)座機(jī)制受體被交錯(cuò)切割產(chǎn)生切口Tn與靶位點(diǎn)融合復(fù)合體第53頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2、反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)座機(jī)制重復(fù)序列RU580～100bp

gag編碼病毒的核心蛋白約2000bp

pol編碼反轉(zhuǎn)錄酶和整合酶約2900bp

env編碼病毒的包裝膜蛋白約1800bpU3170～1260bpR重復(fù)序列10～80bpRNA病毒的線性基因組1）反轉(zhuǎn)錄病毒的轉(zhuǎn)座機(jī)制反轉(zhuǎn)錄病毒將其RNA基因組的DNA拷貝插入宿主細(xì)胞的染色體中而產(chǎn)生的。第54頁，課件共60頁，創(chuàng)作于202