遗传学第11章 转座因子的遗传分析

1、第第十一章十一章 转座因子的遗传分析转座因子的遗传分析转座遗传因子转座遗传因子又叫可移动因子，是指一段特定又叫可移动因子，是指一段特定DNA 序列。由序列。由McClintock在玉米上首先发现在玉米上首先发现遗传学发展史上遗传学发展史上的重要里程碑之一。的重要里程碑之一。 转座遗传因子转座遗传因子可在染色体组内移动，从一个位点切除，可在染色体组内移动，从一个位点切除， 插入到一个新的位点插入到一个新的位点 引起基因的突变或染色体重组。引起基因的突变或染色体重组。第一节第一节 转座因子的发现与分类转座因子的发现与分类 Emerson于于1914年发现玉米果皮花斑产生在于突变基因的不稳定性。年发

2、现玉米果皮花斑产生在于突变基因的不稳定性。1938年年Rhoades研究玉米糊粉层时也发现了基因的不稳定性：研究玉米糊粉层时也发现了基因的不稳定性：转转座座因因子子引引起起花花斑斑最最初初认认为为是是双双突突变变导导致致一一 转座因子的发现转座因子的发现40年代初，年代初，McClintock研究玉米花斑糊粉层和植株研究玉米花斑糊粉层和植株 色素产生的遗传基础色素产生的遗传基础发现色素变化发现色素变化与染色体重组有关与染色体重组有关。 染色体的断裂或解离（染色体的断裂或解离（dissociation）有一个）有一个特定位点特定位点(Ds)。Ds不能自行断裂，受一个不能自行断裂，受一个激活因子激

3、活因子（activator） Ac所控制。所控制。 Ac可以像普通基因一样进行传递，但有时表现很特殊，可以像普通基因一样进行传递，但有时表现很特殊， 可以离开原座位可以离开原座位转移到同一个或不同染色体的另一座位。转移到同一个或不同染色体的另一座位。 Ds也能移动，不过只有在也能移动，不过只有在Ac存在时才能发生。存在时才能发生。 McClintock把把Ac和和Ds称为控制因子称为控制因子或或转座因子转座因子 “控制因子控制因子”假说假说。Ds转座导致籽粒斑点表型转座导致籽粒斑点表型插入成分插入成分IS序列是在细菌中首次发现的跳跃基因，并在分子水平上得到证实序列是在细菌中首次发现的跳跃基因，

4、并在分子水平上得到证实美国遗传学家巴巴拉麦克林托克（美国遗传学家巴巴拉麦克林托克（BMcClintock） 30年代初做出的发现、年代初做出的发现、40年代提出的理论，到年代提出的理论，到60年代末终于被重新提起，年代末终于被重新提起，80年代初为科学界普遍接年代初为科学界普遍接受。受。1983年年, 麦克林托克由于发现了可移动的遗传物质，被授予诺贝尔医学奖。麦克林托克由于发现了可移动的遗传物质，被授予诺贝尔医学奖。3种不同类型的转座：种不同类型的转座：（1）复制型转座（）复制型转座（replicative transposition） 作为自身移动的一个部分，作为自身移动的一个部分，转座子被

5、复制转座子被复制，一，一个拷贝仍然保留在原来的位置上，而另一个则个拷贝仍然保留在原来的位置上，而另一个则插入到一个新的部位，这样转座过程伴随着插入到一个新的部位，这样转座过程伴随着转转座子拷贝数的增加座子拷贝数的增加。二二 DNADNA转座转座（2） 非复制型转座非复制型转座 转座元件作为一个物理实体直接由一个部位转移到转座元件作为一个物理实体直接由一个部位转移到另一个部位。另一个部位。（3）保守型转座）保守型转座v保守型转座是另一种非复制型的转座过程，该过程保守型转座是另一种非复制型的转座过程，该过程中转座元件从供体部位被切除并通过一系列的过程中转座元件从供体部位被切除并通过一系列的过程插入

6、到靶部位，在该过程中每个核苷键皆被保留。插入到靶部位，在该过程中每个核苷键皆被保留。v该转座过程与该转座过程与的整合机制的整合机制类似，并且类似，并且转座酶与转座酶与整整合酶家族有关合酶家族有关。三三 反转录转座子反转录转座子v转座元件或转座子是基因组中可移动的独立的转座元件或转座子是基因组中可移动的独立的DNA序列，一个转座子可由基因组的一个位置移序列，一个转座子可由基因组的一个位置移到另一个位置。到另一个位置。从从DNA到到DNA的转移过程称为转的转移过程称为转座座。从从DNA到到RNA再到再到DNA的过程称为反转座的过程称为反转座。v反转座是经反转座是经RNA介导的转座过程介导的转座过程

7、。v必须经过必须经过RNA中间体中间体的转座过程是真核生物所特有；的转座过程是真核生物所特有；v一些真核细胞的转座子和反转录病毒的原病毒的一般一些真核细胞的转座子和反转录病毒的原病毒的一般组成结构相关，并且通过组成结构相关，并且通过RNA中间体进行转座，这一中间体进行转座，这一类结构单位称为类结构单位称为反转座子（反转座子（retroposons）。v反转座子共有的可鉴定的特性为：反转座子共有的可鉴定的特性为：插入位插入位点会产生短的靶序列的正向重复点会产生短的靶序列的正向重复。v反转录病毒首先被观察到的是以传染性病反转录病毒首先被观察到的是以传染性病毒颗粒的形式存在，并能在细胞间传播；毒颗粒

8、的形式存在，并能在细胞间传播；而而反转座子是被当作基因组中的一部分而反转座子是被当作基因组中的一部分而被发现的，它们可以在基因组内进行转座，被发现的，它们可以在基因组内进行转座，但不能在细胞间迁移但不能在细胞间迁移。根据分子结构与遗传特性可以分为三类。根据分子结构与遗传特性可以分为三类。 具有转座能力的简单遗传因子具有转座能力的简单遗传因子，长度一般小于，长度一般小于2kb， 最少的插入序列如最少的插入序列如 IS1 仅仅768bp。IS因子本身没有任何表型效应，只含与转座有关的基因子本身没有任何表型效应，只含与转座有关的基因与序列。共同特征是在因与序列。共同特征是在其其末端末端都具有一段都具

9、有一段反向重复序列反向重复序列（IR）。第二节第二节 原核生物中的转座因子原核生物中的转座因子 一插入因子一插入因子（insertion sequence，IS） IS结结构构模模式式茎环结构的形成茎环结构的形成二二 转座子转座子（transposons） 由几个基因组成特定的由几个基因组成特定的DNA片段片段常带抗菌素抗性常带抗菌素抗性 基因，易于鉴定。基因，易于鉴定。 转座子可以转座子可以分为以下两种系统分为以下两种系统： . 复合转座子复合转座子：IS因子因子抗菌素抗性片段抗菌素抗性片段 IS因子因子 。 简单转座子：简单转座子：不含IS因子的因子的Tn转座子。转座子。复合转座子与简单转

10、座子结构复合转座子与简单转座子结构 三三 MuMu噬菌体噬菌体（Mu）：）： 是是E. coli的的温和噬菌体温和噬菌体，溶源化后能起转座子作用。，溶源化后能起转座子作用。 Mu噬菌体噬菌体也含有与转座有关的基因和反向重复序列。也含有与转座有关的基因和反向重复序列。 Mu能够整合进寄主染色体能够整合进寄主染色体，催化一系列染色体的重新，催化一系列染色体的重新 排列。排列。Mu位点特异性的倒置位点特异性的倒置细菌转座子的转座机制研究最为清楚细菌转座子的转座机制研究最为清楚。 转座过程是一个转座过程是一个非同源重组过程非同源重组过程，通过这一重组，通过这一重组 过程，转座子出现在一个新的位置上，可

11、是过程，转座子出现在一个新的位置上，可是原来位置原来位置 上的转座子并不消失上的转座子并不消失。 转座过程分子机制还有待进一步研究。转座过程分子机制还有待进一步研究。 第三节第三节 真核生物的转座因子真核生物的转座因子一一 酵母菌基因组中的转座子酵母菌基因组中的转座子 酵母酵母Ty1转座子结构转座子结构Solo 的形成的形成酵母酵母Ty1的转座的转座二二 果蝇基因组果蝇基因组 中的转座子中的转座子 果蝇的果蝇的P因子与杂种劣势因子与杂种劣势果蝇中的果蝇中的3种转座子结构种转座子结构玉米玉米籽粒色斑的产生、果蝇复眼颜色的变异、啤酒酵母籽粒色斑的产生、果蝇复眼颜色的变异、啤酒酵母 接合的转换等现象

12、都与转座因子在染色体上的转座有关。接合的转换等现象都与转座因子在染色体上的转座有关。玉米除玉米除Ac-Ds系统系统外，外，Spm控制因子控制因子也有自主控制因子也有自主控制因子非自主控制因子。非自主控制因子。Ac因子因子由由4563个核苷酸组成个核苷酸组成 一个由一个由11个核苷酸组成个核苷酸组成 的未端反向重复区的未端反向重复区两个与转座有关的两个与转座有关的酶基因酶基因（一个大基因（一个大基因和一个小基因）。和一个小基因）。 三三 玉米基因组中的转座子玉米基因组中的转座子 Ds因子的大小差别很大因子的大小差别很大。Ds9很象很象Ac，只是，只是缺失缺失了一些了一些 核苷酸。而一个核苷酸。而

13、一个最小的最小的Ds因子只有因子只有Ac长度的长度的1/10，仅仅包括，仅仅包括 了了Ac因子的未端反向重复区。因子的未端反向重复区。来自不同植物种的元件往往来自不同植物种的元件往往有其共同的未端序列有其共同的未端序列同一家簇各成员的未端倒位重复存在某种程度的序列同源，同一家簇各成员的未端倒位重复存在某种程度的序列同源，其长度（其长度（613bp）和结构保守）和结构保守。 例如例如Ac和和Ds的未端倒位重复几乎一样。但有的未端倒位重复几乎一样。但有一个一个 不同之处不同之处：Ac两端最外边的核苷酸是彼此不互补的两端最外边的核苷酸是彼此不互补的T-G、 Ds是互补的是互补的T-A。 转座子未端序

14、列转座子未端序列是是转座酶识别位点转座酶识别位点（保守性很强）。（保守性很强）。 四四 人类基因组中的转座子人类基因组中的转座子 人类基因组中的几种主要转座子人类基因组中的几种主要转座子第五节第五节 转座因子的遗传学效应及应用转座因子的遗传学效应及应用一一 引起染色体结构变异引起染色体结构变异 由转座子由转座子引起的染引起的染色体色体DNA缺失或倒缺失或倒位位二二 诱发基因突变与启动外显子混编诱发基因突变与启动外显子混编双转座启动不同基因间的外显子混编双转座启动不同基因间的外显子混编三三 调节基因表达调节基因表达转座子调节宿主基因表达转座子调节宿主基因表达四四 产生新的变异产生新的变异转座因子

15、有时也会失活，失活主要与转座因子有时也会失活，失活主要与DNA甲基化有关。甲基化有关。转座因子携带新基因，如抗生素抗性基因；转座因子携带新基因，如抗生素抗性基因；使宿主基因发生重新组合或表达。使宿主基因发生重新组合或表达。表观遗传学：研究在表观遗传学：研究在DNA序列不出现变化的情况下基因表达序列不出现变化的情况下基因表达 出现可遗传变化的科学。出现可遗传变化的科学。研究对象包括：研究对象包括：DNA甲基化、基因组印记、甲基化、基因组印记、RNA编辑、编辑、 RNA干涉以及转座子调节等。干涉以及转座子调节等。五五 转座子标记目的基因转座子标记目的基因转座因子可转座因子可作为基因的标记作为基因的标记克隆目的基因。现已利用克隆目的基因。现已利用 转座因子转座因子克隆出克隆出一些重要基因。一些重要基因。方法：方法： 从从带转座因子带转座因子生物筛选出发育、生理与行为等有生物筛选出发育、生理与行为等有突变突变品系品系。如果这些突变是由转座子。如果这些突变是由转座子DNA克隆所产生，则必定克隆所产生，则必定 有与该突变体有关的基因存在（有与该突变体有关的基因存在（用转座子给未知目的基因用转座子给未知目的基因 加上标记加上标记）以此突变基因的有关顺序作探针以此突变基因的有关顺序作探针 从野生从野生品系的基因文库中获得品系的基因文库中获得野生型目的基因野