生工微生物遗传转座因子

关于生工微生物遗传转座因子第1页，讲稿共33页，2023年5月2日，星期三主要内容6.1转座子概述6.2细菌转座子的类型和结构6.3细菌转座子的遗传效应和应用第2页，讲稿共33页，2023年5月2日，星期三6.1转座子概述6.1.1概念转座因子（transposableelement,TE）是细胞中能改变自身座位的一段DNA序列，它可以从复制子的一个座位跳跃到另一个座位，已从同一个细胞的一个复制子跳跃到另一个复制子，DNA片断的这种运动称为转座。这段会跳跃的DNA片断称为转座子。第一个转座因子是美国遗传学家McClintock于20世纪50年代通过对玉米的遗传研究中发现的，现在认为转座子存在于地球上所有的生物。转座子学说使McClintock荣获1983年诺贝尔生理医学奖。第3页，讲稿共33页，2023年5月2日，星期三是基因组内相对独立的、可移动序列。它们不必借用噬菌体或质粒的形式就可以从基因组的一个部位直接转移到另一个部位。转座子每次移动时携带着转座必需的基因一起在基因组内跃迁，所以转座子又称跳跃基因（jumpinggene）。转座子是基因组的正常组成成分，不以独立的形式存在（如噬菌体或质粒DNA）。转座的发生不依赖于转座子和靶位点之间任何的序列同源性。转座以很低的频率发生（睡美人），而且转座子的插入是随机的.6.1.2转座子的特点第4页，讲稿共33页，2023年5月2日，星期三6.1.3转座子的分类两个基本类型：DNA转座子：一种是以编码蛋白质的DNA序列的形式存在，其编码的蛋白能直接操作DNA，从而使转座子能够在基因组内繁殖其自身。RNA作为中介：与反转录病毒有关，并且它们可移动的特性来自于它们能由RNA转录物产生DNA拷贝，这种DNA拷贝然后被整合到基因组的新位点。第5页，讲稿共33页，2023年5月2日，星期三6.2细菌转座子细菌中可转座的遗传因子可分为四类插入序列转座子接合型转座子某些温和性噬菌体第6页，讲稿共33页，2023年5月2日，星期三6.2.1插入序列最简单的转座子，被称为插入序列IS（insertionsequences,IS）。IS元件是细菌染色体和质粒的正常组成部分，表示法一般按照发现的顺序或发现人的意愿，用阿拉伯数字表示，如IS1,IS2等。IS元件是独立的结构单位，每个元件只编码为自身转座所需要的蛋白质。第7页，讲稿共33页，2023年5月2日，星期三IS元件具有一个典型的结构，它的末端为反向重复序列，而与其相连的宿主DNA的末端为短的正向重复序列。IS结构第8页，讲稿共33页，2023年5月2日，星期三在插入部位，ISDNA总是和很短的正向重复序列（directrepeats）相连。但在插入之前靶部位只有这两个重复序列中的一个。转座后在转座子的两侧各存在一个此序列的拷贝。转座的结果是靶部位序列形成了两个正向重复序列。第9页，讲稿共33页，2023年5月2日，星期三当在一段DNA序列中见到这种结构类型时，可被用来鉴别转座子。反向重复序列标明了转座子的末端。所有类型转座子的转座皆需转座酶（transposase）对末端的识别。所有的IS元件皆含有一个单一的长编码区，其起始于一端的反向重复序列之内，而刚好终止于另一端的反向重复序列之前或之内，它编码转座酶。第10页，讲稿共33页，2023年5月2日，星期三6.2.2细菌转座子(Tn)将带有抗性基因并能在不同DNA分子间移动的遗传单位叫做细菌转座子（bacterialtransposon,Tn）一般带有抗性基因，容易被鉴定，所以研究得较为深入Tn还带有其它基因，如乳糖发酵基因、胞外肠毒素基因等第11页，讲稿共33页，2023年5月2日，星期三6.2.3细菌转座子的分类复合转座子有两个完全相同或类似的插入序列（IS）和某种抗药性基因组成的复合因子两个IS在Tn中做反向或正向排列，IS可单独转座，也可带动整个Tn转座。第12页，讲稿共33页，2023年5月2日，星期三复杂转座子（TnA转座子）长度约5000bp，两端是长度30-40bp的末端反向重复序列（IR），或正向重复序列（DR），中央是转座酶基因和抗药性基因。总是作为一个整体单位进行转座。IS：插入序列Tn:复合转座子TnA：复杂转座子IRISISIR第13页，讲稿共33页，2023年5月2日，星期三转座子插入到一个新的部位的通常步骤是：在靶DNA上制造一个交错的切口，然后转座子与突出的单链末端相连接，并填充切口。交错末端的产生和填充解释了在插入部位产生靶DNA正向重复的原因。链的切口之间的交错决定了正向重复的长度。6.2.4细菌转座因子的插入机制第14页，讲稿共33页，2023年5月2日，星期三第15页，讲稿共33页，2023年5月2日，星期三6.2.5三种不同类型的转座复制型转座（replicativetransposition）：作为自身移动的一个部分，转座子被复制，一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转座子拷贝数的增加。第16页，讲稿共33页，2023年5月2日，星期三剪-贴型转座（非复制）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。第17页，讲稿共33页，2023年5月2日，星期三保守型转座（非复制）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插入到靶部位，在该过程中每个核苷键皆被保留。该转座过程与λ的整合机制类似，并且转座酶与λ整合酶家族有关。第18页，讲稿共33页，2023年5月2日，星期三保守型转座第19页，讲稿共33页，2023年5月2日，星期三6.2.6反转座子和反转录病毒转座元件或转座子是基因组中可移动的独立的DNA序列从DNA到DNA的转移过程称为转座从DNA到RNA再到DNA的过程称为反转座。反转座是经RNA介导的转座过程，是真核生物所特有的。第20页，讲稿共33页，2023年5月2日，星期三第21页，讲稿共33页，2023年5月2日，星期三反转座子共有的可鉴定的特性为：插入位点会产生短的靶序列的正向重复。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；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，但不能在细胞间迁移。第22页，讲稿共33页，2023年5月2日，星期三7.2.7Mu噬菌体的转座转座噬菌体是具有转座功能的一类可引起突变的溶源性噬菌体，无论是溶源状态还是裂解状态，总是整合到寄主染色体上。研究较多的是Mu噬菌体，同一般噬菌体不同，它可以整合到染色体的任一位点上。特点不是细菌基因组的成分，易于识别可诱导产生，易于制备第23页，讲稿共33页，2023年5月2日，星期三7.3细菌转座子的遗传效应和应用遗传效应插入突变（抗药性、营养缺陷型）基因重排（缺失、扩增和倒位）极性效应：不仅能破坏被插入的基因，还可大大降低位于远离启动子一端的基因的表达应用随机诱变：通过质粒载体转座子基因打靶技术标签技术第24页，讲稿共33页，2023年5月2日，星期三转座引起的DNA缺失第25页，讲稿共33页，2023年5月2日，星期三转座引起的DNA倒位第26页，讲稿共33页，2023年5月2日，星期三确定微生物基因组功能应用转座子及其相关技术,全面确定了微生物基因组功能特征,特别是分支菌属基因组功能.例如,结核分支杆菌模式菌株的必需基因组及其相关功能均用此类方法得到确认第27页，讲稿共33页，2023年5月2日，星期三鉴别菌株及群体多样性转座子通常限制性地分布于特定的真菌菌株或群体中,可以作为特定菌株的诊断工具.已用于丝状真菌群体多样性分析.在医药工业方面已用于有益菌株的鉴别,在植物病理学方面已用于鉴别特定的病原体.第28页，讲稿共33页，2023年5月2日，星期三生态环境污染的生物修复由于基因的可变性及转座子的遗传调控,许多微生物能够利用人工合成的化学物质,与微生物分解代谢相关的基因往往与插入元件相连。当环境污染时,转座子转移频率提高,增加了微生物种群的生物降解潜力。第29页，讲稿共33页，2023年5月2日，星期三基因治疗新方法：使用转座子进行转基因《Gene》杂志中报道了一种使用转座子实现真核DNA的目的基因替代的新方法。这样一个系统可以提供一种基因治疗方法，避免了目前在基因替代中常用的病毒载体面临的一些问题。研究者使用一个移动的细菌系统将一个基因转到人DNA的一个特定位置。一个大肠杆菌转座子将一个抗生素抗性基因转入人DNA。这项技术有很多优点。“可以避免使用引起免疫反应的病毒，将基因放入正确的已知位置，而不是随机插入细胞DNA中，并且只插入一个拷贝，”美国和其它国家使用病毒或非病毒载体进行基因治疗已经到了临床试验阶段。他希望能使用他们的非病毒方法在血友病，镰刀型细胞贫血症，肌营养失调症和苯丙酮酸尿症患者体内导入正常功能基因，并通过导入治疗性基因进行癌症的治疗。第30页，讲稿共33页，2023年5月2日，星期三

埃氏巨型球菌（Megasphaeraelsdenii）是奶牛瘤胃内一种常见的革兰氏阴性乳酸发酵菌，它能发酵很多种不同的可溶性碳水化合物，利用丙烯酸途径将乳酸分解为丙酸，或者经乙酰辅酶A途径在乙酸激酶（AK）和磷酸转乙酰酶（PTA）的作用下生成乙酸[1]。奶牛在妊娠后期和泌乳初期及疾病状态下，瘤胃内发酵菌的数量和比例发生改变，使丙酸生成减少，而乙酸生成增加[2]。恢复和重建瘤胃微生物区系，不仅可增强围产期奶牛的消化功