转座因子和转座

1、主要内容转座因子的发现转座因子的概念转座因子的类型和结构特征转座机制真核生物转座子逆转录病毒和反座子转座的遗传学效应一、转座因子的发现 美国女遗传学家 Barbura McClintockVisible manifestation of transportation in maizeTransposition(转座) ：由可移位因子介导的遗传 物质重排现象。二、转座因子的概念转座子(transposon), 转座因子(transposable element)：存在于染色体DNA上可自主位移的基本单位。最简单的转座子，不含有任何宿主基因。是独立的单元，每个IS元件只编码转座酶。是细菌染色体或质

2、粒DNA的正常组成部分。1.插入序列 (insertional sequence,IS)三、原核生物转座因子的类型和结构特征Transposase geneIS结构特征反向重复序列(inverted repeat sequence)在插入位点,IS 两侧总有短的正向重复(Direct repeat)IS序列结构特征比较一类较大的转座子，除转座酶基因外，带有某些抗药性基因（或其他宿主基因）的转座子复合转座子(composite transposon)：带有IS的Tn简单转座子(simple transposon)：不含IS的Tn转座子(composite transposon)一类带有某些抗药性

3、基因（或其他宿主基因）的转座子两翼往往是两个相同或高度同源的IS序列复合转座子(composite transposon) 两个相邻的IS可以使他们中间的DNA移动，同时也可制造出新的转座子它是Ecoli的一种温和噬菌体。与必须整合到宿主染色体特定位置上的一般温和噬菌体不同，Mu噬菌体并没有一定的整合位置。与其他温和性噬菌体的差别：其基因组不论在进入裂解周期或处于溶源状态都可随机整合到宿主染色体的任何位置，且游离的和已整合的基因次序是相同的.与IS和Tn两种转座因子相比，Mu噬菌体的分子量最大（38kb），它含有20多个基因。Mu噬菌体引起的转座可以引起插入突变，其中约有2是营养缺陷型突变。3

4、. Mu 噬菌体 (mutator phage)1）结构:线形DNA分子，38kb.不含IR 序列，游离MuDNA两端各带一段寄主DNA , 整合状态时会消失。 2）MuDNA左端含有与转座有关的A基因和B基因，分别编码分子量为70kb和33 kb的两种蛋白。C基因编码的产物对A基因和B基因表达有负调节作用右端含有G片段。四、转座机制Replicative transposition(复制性转座)Non-replicative transposition(非复制性转座)Replicative transposition(复制性转座)复制性转座要经过一个共整合阶段共整合体的形成Non-repli

5、cative transposition(非复制性转座)非复制性转座要经过链的断裂与重连一种方式另一种方式玉米的Ac-Ds系统五、真核生物转座子产生转座酶不能产生转座酶自主元件非自主元件移动到新位点移动到新位点Ac Ds反式激活Autonomous Nonautonomous果蝇的转座子Why?P因子的结构与功能示意图六.逆转录病毒和反座子 Retroviruses and retroposonsRNA intermediate transposition反座子(retroposons):指通过RNA为中介，反转录成DNA后进行转座的可动元件。又称反转录转座子(retrotransposon)

6、逆转录病毒整合入宿主DNA中的分子机制，其本质是转座逆转录病毒和反座子的循环6.1逆转录病毒（Retroviruses）具有包膜，圆球状，直径为80120nm基因组是单正链RNA，3.59.0kb病毒颗粒中有逆转录酶能整合于宿主细胞的染色体逆转录病毒颗粒结构RNA逆转录酶衣壳蛋白基质蛋白包膜gp120gp41 调节和启动转录 LTR gag pol env LTR 长末端重复序列正常的病毒基因核心蛋白质(Nucleoprotein core)编码逆转录酶和整合酶(integrase)编码病毒外壳蛋白质(Envelope)6.1.1 Genome Structure of RetrovirusR

7、everse transcriptionIntegrationTranscriptionPackaging6.1.2 Lifecycle of retrovirusLTR(long-terminal repeat):长末端重复序列Provirus(原病毒):被整合到细胞基因组中的逆转录病毒序列3 formsReverse transcriptionFrom RNA to DNAStep 1David Baltimore1970Reverse transcription and Reverse transcriptase正链病毒(Plus strand virus)负链DNA正链DNA(Minu

8、s strand)负链DNA负链DNA的合成正链DNA的合成From RNA to ssDNA, from ssDNA to dsDNAEnzymes involvedReverse TranscriptaseIntegrationFrom linear DNA to provirusStep 2Integration or circulation整合(integration)IntegraseEnzymes involvedTranscriptionStep 3From provirus to RNATranscriptionEnzymes involvedRNA polymeraseTwo

9、 fates of RNA:Translation:作为mRNA翻译成病毒的蛋白质Packaging：作为病毒RNA基因组被装配成新的病毒颗粒TranslationEverything is ready!Packaging2 RNAs in 1 virus2 different but related viruses infect 1 cell = heterozygous virusHIV 从受感染细胞的质膜出芽的情形6.1.3 逆转录病毒会将宿主序列在细胞间转送6.2 Three classes of retroposons能编码逆转录酶和/或整合酶，因此能进行转座有末端重复序列但没有en

10、v基因，不能形成病毒颗粒，不能独立地感染其它细胞，病毒超家族(Viral superfamily)非病毒超家族(Nonviral superfamily) 不编码有转座功能的蛋白质 可能源于细胞转录的RNA6.2.1 酵母Ty (Yeast Ty elements )2 classes: Ty1 & Ty917Structure: 6.3kb; 330bp direct repeats at each endmRNA of Ty: 5% of total mRNA in yeastOpen reading frames: 2 Sequences: TyA: DNA binding protei

11、n; TyB: RTase, protease, integraseTy elements generate virus-like particlesVirus like particle6.2.2 果蝇(D. melanogaster)中的copia反座子5kb; direct terminal repeat of 276 bp; 5 bp direct terminal repeats generated when integratedcopia读码框: 4227 bp，与逆转录病毒的 gag和pol读码框同源; 不含env 同源序列。LINES(long interspersed ele

12、ments)Transcripted by RNA Pol IICopy #: 2050k per mammalian cellStructure: 6500bp, not terminate at LTRopen reading frames: 1 or 2Sequences: RTase like sequence, endo- nuclease activity。6.2.3 LINESSINES (short interspersed elements)Transcripted by RNA pol IIIe.g.Alu family6.2.4 Non-viral transpositi

13、on: SINES300,000 per haploid genomeStructure: 300 bp, Alu site in 170 bpdirect repeats at each endsequence related to 7sL RNAAlu family6.2.5 Non-viral transposition: processed pseudogene（加工假基因） 1.靶位点形成正向重复序列(靶位加倍现象)2.引起插入突变；七、转座的遗传学效应及应用Hemophilia（血友病）: a “jumping disease”Blood-clotting gene mutatio

14、n by insertion of transposonQueen Victorias FamilyX-chr linked, recessive3.转座子从原位点切离准确的切离使插入失活的基因发生回复突变，不准确的切离则不发生回复突变，而是造成序列变异转座子切离所造成的序列变异 转座子引起的DNA缺失4.引起染色体结构变异；转座子引起的DNA倒位5.启动外显子混编当二个转座子被同一转座酶识别而整合到染色体的邻近位置时，则位于它们之间的序列有可能被转座酶作用而转座，如果这DNA序列中含有外显子，则被切离并可能插入另一基因中，这种效应称为外显子混编(exon shuffling)双转座子插入所引

15、起的外显子混编示意图6.调节基因表达很多转座子带有增强子，像RNA病毒一样，能使其插入部位附近的基因活性增加。有的还含有启动子，也能促进基因的活性。也存在转座子插入某个基因的内含子中后影响基因表达，通常降低转录水平。有时也会改变内含子的剪接位点，是外显子丢失，导致基因失活。若插入到基因转录控制区或启动子中，则导致基因完全失活。7.产生新的基因，引起生物进化。由于转座子可以携带其他基因，包括自身的基因甚至宿主染色体上的基因进行转座，形成重新组合的基因组，以及前述的通过转座形成大片段插入，双转座子引起缺失、倒位、重复及外显子混编等均会造成基因组新的变异，这些变异对生物的进化有重要意义。8.转座子标

16、记目的基因由于转座子可在基因组内转座，如插入到某基因外显子内，引起基因失活，使其表型改变为突变体。以转座子DNA为探针，与突变株的基因文库进行杂交，就可以筛选出带此转座子的克隆，它必定含有与转座子邻接的突变基因的部分序列，再以此序列为探针，就可以从野生型基因文库中克隆出完整的基因。从理论上讲，利用转座子标签法可以分离出任何可引起表型变化的失活基因。8.作为基因工程的载体利用P因子作为载体，将外源基因转移到果蝇胚胎种系细胞中，进行遗传操作。补充复旦发育生物学研究所 将甘蓝环蛾的PB(PiggyBac)转座子，用于小鼠和人类细胞的基因功能研究首次创立了一个高效实用的哺乳动物转座因子系统。许田本章总

17、结1.概念（） ：transposon、 retroposons2.转座子的发现（了解）： McClintock3.转座子的类型和结构特征（） 插入序列(IS)复合转座子(composite transposon) 最简单的转座子，只编码转座酶。 两端有反向重复序列 插入位点,IS 两侧总有短的正向重复 带有某些抗药性基因（或其他宿主基因） 两翼往往是相同或同源的IS序列4.转座机制：复制性转座、非复制性转座5.真核生物转座子：玉米的Ac-Ds系统、果蝇的P因子6.转座的遗传学效应靶位点形成正向重复序列引起插入突变；转座子从原位点切离产生新的基因；改变染色体结构；调节基因活性的开关引起生物进化。标记目的基因作为基因工程的载体7.逆转录病毒和反座子(1) Genome Structure （） 调节和启动转