第四章DNA的转座分子生物学

第四章DNA的转座

（DNAtransposition）当前第1页\共有61页\编于星期六\8点一、转座成分概述1.转座子(元)或转座元件(transposonortransposableelement):即能够反复插入到基因中许多位点的特殊DNA片段，它们可从一个位点转移到另一个位点，从一个复制子到另一个复制子（在转移时原来位置上的这些结构依然存在或不存在）。当前第2页\共有61页\编于星期六\8点2.特点：

♣不必借助同源序列就可移动的DNA片段，即转座作用与供体和受体之间的序列无关。

♣原核生物和真核生物均有转座子。

♣转座序列可沿染色体移动，甚至在不同染色体间跳跃。当前第3页\共有61页\编于星期六\8点3.种类与特征（1）类型：

A简单转座子或（插入序列insertionsequenceIS）

B复合转座子

C巨型转座子

（2）特征：a）两端有20～40bp的反向重复序列(IR)b）具有编码转座酶（transposase）的基因c）复合转座子除转座酶基因外还有1~数个基因。

d）转座酶催化转座子插入新位点。当前第4页\共有61页\编于星期六\8点A插入序列♣最简单，是细菌染色体、质粒和某些噬菌体的正常组分，是一个自主的单位，每种IS均编码自身转座所需的蛋白质。♣

命名：IS＋编号（鉴定类型）长度700～2000bp当前第5页\共有61页\编于星期六\8点每种IS元件具有不同序列，但有共同的组织形式插入序列IS1的结构当前第6页\共有61页\编于星期六\8点当前第7页\共有61页\编于星期六\8点当前第8页\共有61页\编于星期六\8点B复合转座子♣

表示法：通常以Tn和后面加上数码表示，如Tn903。♣

结构:

a.除有转座酶基因外还有其它表型基因，如：抗药基因，使宿主具表型效应。

b.两侧有重复序列。

c.有的转座子的重复顺序就是IS。♣

功能：和IS一样可以从一个位点转座到另一个位点。当前第9页\共有61页\编于星期六\8点Tn1681大肠杆菌热稳定毒素I基因552bpIRIRIRIR复合转座子结构示意图IS1IS1当前第10页\共有61页\编于星期六\8点当前第11页\共有61页\编于星期六\8点a)Tn/TnAfamily

l

具有IR、转座酶基因、调节基因（解离酶）、抗抗生素基因

2.5kb20kb

Tn3IRTnpATnpRAmpRIR38bp38bp转座酶regulatorβ-内酰胺酶

♣

两种类型当前第12页\共有61页\编于星期六\8点b）两端重复序列为IS的复合转座子

e.g.IS插入到功能基因两端，可能形成复合转座因子其两翼往往是两个相同或高度同源的IS序列，表明IS序列插入到某个功能基因两端时就可能产生复合转座子。一旦形成复合转座子，IS序列就不能再单独移动，因为它们的功能被修饰了，只能作为复合体移动。当前第13页\共有61页\编于星期六\8点ISISISISLISR臂中心区臂transposition当前第14页\共有61页\编于星期六\8点♣

当两个IS组件相同时，其中任一个都可行使转座功能♣

不同时，主要依靠一个♣

两侧的IS既可以是IR，又可以是DR状态（IR多）当前第15页\共有61页\编于星期六\8点C、转座噬菌体Muphage

（巨型转座子）

CrepressorforA,BB33kd与转座有关A70kd转座酶U,S毒性蛋白attL,attR与寄主同源，反向重复，转座必需GinG区倒位酶G倒位区38kbattLCABSUattR150bp1.5kb

Pgin

以E.coli为寄主的温和型噬菌体（溶源、裂解）当前第16页\共有61页\编于星期六\8点

Mu的插入途径a）侵入的Mu在溶源化过程中任意插入寄DNAb）进入裂解生长后，复制产生后代MuDNA几乎全部插入寄主DNA中，并可继续转座（形成寄主DNA和Mu的共合体），噬菌体成熟时，切段共合体包装当前第17页\共有61页\编于星期六\8点1.转座的一般模式二、转座子的转作机制与模式

转座子插到新的位点上，靶DNA上产生交错切口，所形成的单链末端与转座子两端的反向重复序列相连，由DNA聚合酶填补缺口，DNA连接酶封闭切口。转座结束后，靶DNA发生一个正向重复序列。当前第18页\共有61页\编于星期六\8点当前第19页\共有61页\编于星期六\8点当前第20页\共有61页\编于星期六\8点2.复制型转座模式（replicativetransposition）

转座子作为可移动的元件被复制，一个拷贝保留在供体原来的部位不变；另一个拷贝则插入到受体的位点上，结果供体和受体都有一个转座子的拷贝。

需两种酶：

转座酶(transposase)：作用于靶位点和原来转座子两端。

解离酶(resolvase)：作用于复制后的拷贝。当前第21页\共有61页\编于星期六\8点当前第22页\共有61页\编于星期六\8点过程

a)共合体形成切口－连接－复制当前第23页\共有61页\编于星期六\8点

b)拆分靶位点的DR形成当前第24页\共有61页\编于星期六\8点3.非复制型转座（nonreplicativetransposition)

转座子从供体一个位点转移到受体新位点处，供体

位点留下缺口，受到损伤（严重时致死）或宿主修复系

统识别修复。

只需转座酶当前第25页\共有61页\编于星期六\8点当前第26页\共有61页\编于星期六\8点4.保守型转座（conservativetransposition)

另一种非复制型。与λ整合机制相似其转座酶与λ整合酶家族有关。当前第27页\共有61页\编于星期六\8点5.TnA转座模式♣

复制型转座转座酶(tnpA)、解离酶(tnpR)♣

解离酶需要特异的内部位点双重功能：解离功能

tnpA及自身的阻遏物♣

拆分位点–res

共合体拆分位点♣

转座结果产生5bp的正向重复序列当前第28页\共有61页\编于星期六\8点

当前第29页\共有61页\编于星期六\8点a)不依赖供体序列与靶位点间序列的同源性b)转座不是简单的转移，涉及转座子的复制Hotspots(热点)Regionalpreference(在3kb区域内的随机插入)

d)某些转座因子（Tn3）对同类转座因子的插入具有排他性

（免疫性）e)靶序列在转座因子两侧会形成正向重复f)转座因子的切除与转座将产生复杂的遗传学效应●

转座的特点c)转座插入的靶位点并非完全随机（插入专一型）当前第30页\共有61页\编于星期六\8点三、转座子转座频率的调控♥

每个转座子控制自身转座的核心----控制转座酶的水平不到一个转座酶分子／世代／细胞1）、Tn10转座机制♥

Tn10为复合型转座子♥

IS10R元件提供转座酶活性-----合成转座酶的序列♥

自发转座频率---10－7♥

Tn10转座酶水平是控制转座的关键♥

有两种控制转座的方式当前第31页\共有61页\编于星期六\8点

a）通过反义RNA的翻译水平控制♥

IS10R外侧边缘两个启动子♥

PIN控制IS10R的转录－－弱启动子♥

POUT：强启动子向右转录宿主DNA♥

INRNA和OUTRNA有36bp的重叠稳定性：

OUTRNA››INRNA♥

大量OUTRNA作为INRNA的反义RNA当前第32页\共有61页\编于星期六\8点

b）甲基化作用控制转座酶合成及其与DNA的结合♥

Tn10转座酶启动子含有GATC序列（其它转座子）♥

E.coli中Dam甲基化酶作用使启动子相对钝化只能利用刚刚复制完成时出现少数转座酶♥

IS10R的末端IR也含有GATC，甲基化的GATC不能结合转座酶♥

Tn10在DNA刚刚复制后发生转座当前第33页\共有61页\编于星期六\8点四、转座子的某些遗传学效应1.转座引起插入突变IS、Tn和Mu噬菌体都可能引起插入突变。

插入位点若在一个顺反子（cistron)的前端功能基因中，可能造成极性突变（移码或终止密码突变）。指减低蛋白质合成速度的基因突变当前第34页\共有61页\编于星期六\8点当前第35页\共有61页\编于星期六\8点2.造成插入位点靶DNA的少量碱基对重复

IS1、Tn10：造成9bp的重复。IS3：造成3或4bp的重复。IS4：造成11bp的重复。3.插入位点出现新基因

复合转座子带有抗性基因（如抗药性基因ampc)，可产生两方面效应：一个基因的插入突变；出现抗药基因。当前第36页\共有61页\编于星期六\8点4.引起染色体畸变

在一个染色体上（甚至不同染色体上）若有同一转座子的两个拷贝，其提供的相同重组位点，可导致缺失、倒位、插入。方向相同：产生缺失。方向相反：发生倒位。当前第37页\共有61页\编于星期六\8点当前第38页\共有61页\编于星期六\8点当前第39页\共有61页\编于星期六\8点当前第40页\共有61页\编于星期六\8点通过转座子介导的姐妹染色单体间的染色体内异位交换

当前第41页\共有61页\编于星期六\8点5.切除效应

指转座子从原来位置上消失。

准确切除：使原插入发生恢复突变。

不准确切除：留下转座子残迹，产生插入突变，但

转座子标志消失。当前第42页\共有61页\编于星期六\8点转座子切离所造成的序列变异当前第43页\共有61页\编于星期六\8点

6.外显子改组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改组(exonshuffling)(图)。外显子改组将导致基因组中新基因的产生。

当前第44页\共有61页\编于星期六\8点双转座子插入所引起的外显子改组示意图

当前第45页\共有61页\编于星期六\8点7.转座引起的生物进化由于转座作用，使一些原来在染色体相距甚远的基因组合到一起，构建成一个操纵子或表达单元，也可能产生一些具有新的生物学功能的基因和新的蛋白分子（如复合式转座子）。当前第46页\共有61页\编于星期六\8点（1）可使原来相距较远的基因组合在一起，形成一个操纵子。

（2）产生一个新蛋白，把原来两段分离的DNA序列连在一起。（3）启动子部位的插入可使基因打开或关闭。（4）过多转座（频率过高）对细胞不利，细胞在长期进化中形成了一些不利于转座的代谢途径，可与转座过程平衡。

（5）转座基因插入时，大多数受体基因均被钝化，但也有基因被激活。（这是因为转座子有自己的启动子，在使转位酶转录的同时，也可使相邻基因转录）。五、转座子效应的意义当前第47页\共有61页\编于星期六\8点六、真核生物的转座成分

a)转座机制与细菌的转座子类似遗传信息：DNA→DNA♥

玉米的Ac-Ds元件、果蝇的P元件和FB元件等b)转作机制类似逆转录病毒遗传信息：RNA→DNA→RNA♥

如：逆转录病毒、果蝇的Copia元件、酵母的Ty元件根据转座机制目前分为两类：当前第48页\共有61页\编于星期六\8点

Ac和Ds这两个因子都位于玉米的第九号染色体短臂，在色素基因C的附近。

Ac因子全长4.5kb，有5个外显子，其产物是转座酶。Ac因子两端是长11bp的反向重复序列(IR)；

Ds因子长0.4-4kb，它的中间(在转座酶基因中)有许多种长度不等的缺失,如Ds9只缺失194bp，而Ds6则缺失2.5kb，Ds的两端也都有11bp的反向重复序列。

Ac和Ds的末端反向重复几乎是一样的，只有一个不同之处：Ac两端最外边的核苷酸是彼此不互补的T:G，而Ds是互补的T:A(图)。当前第49页\共有61页\编于星期六\8点Ac-Ds转座元件结构示意图。右边示Ac及Ds元件的单链DNA末端反向重复配对所形成的茎环结构，这种结构可能对转座有意义当前第50页\共有61页\编于星期六\8点

由于缺失转座酶，Ds因子不能自主移动，因此Ds因子是非自主移动的受体因子(dissociator)，而Ac则为自主移动的调节因子(activator

)，Ds的转座依赖于Ac元件的存在。Ac、Ds的转座属于非复制机制，即不是复制一份拷贝后将拷贝转移，而是直接从原来位置消失。

当前第51页\共有61页\编于星期六\8点玉米转座因子对胚乳颜色的影响

当前第52页\共有61页\编于星期六\8点当前第53页\共有61页\编于星期六\8点

果蝇的P因子有两种类型，一类是全长P因子，长2907bp，两端有33bp的反向重复序列(IR)，有4个外显子(4个ORF)，编码转座酶(图)；另一类为缺失型P因子，它不能编码转座酶，它的转座依赖于全长P因子。缺失型P因子都是由活性P因子的中段缺失衍生而来的，长度从500bp到1400bp不等。