基因的概念和结构3

1、u 有的基因不是固定在染色体的一个位置上，有的基因不是固定在染色体的一个位置上， 是可以移动的，称为可动基因或转座元件。是可以移动的，称为可动基因或转座元件。3.6 3.6 转座元件转座元件易位易位(translocation)：是染色体的一部分因断裂脱离，是染色体的一部分因断裂脱离，并与其它染色体联结的重排过程。并与其它染色体联结的重排过程。 转座（转座（transposition）：）：在转座酶的作用下，转座因子或是直接从原来的位在转座酶的作用下，转座因子或是直接从原来的位置上切离下来插入染色体的新的位置，或者是染色置上切离下来插入染色体的新的位置，或者是染色体上的体上的DNA序列转录成序

2、列转录成RNA，RNA反转录成反转录成cDNA插入染色体上新的位置。插入染色体上新的位置。 Ac-Ds系统系统 插入序列插入序列 转座子转座子 P因子和因子和 FB因子因子 反转录转座子反转录转座子I.以以DNA为基础的转座因子。为基础的转座因子。 II.自主的反转录转座因子，如：病毒超家族的各成员。自主的反转录转座因子，如：病毒超家族的各成员。III.非自主的反转录转座因子非自主的反转录转座因子 。如：细胞中的基因转录物。如：细胞中的基因转录物转座元件的分类：转座元件的分类：Ac-Ds系统的发现：系统的发现： 1932年年McClintock 发现了发现了 玉米籽粒色素斑点不稳定玉米籽粒色素

3、斑点不稳定 遗传行为。遗传行为。 1951年首次提出可在染色年首次提出可在染色 体上移动的控制元件的概体上移动的控制元件的概 念。念。 1984年获得诺贝尔奖。年获得诺贝尔奖。 Ac-Ds系统系统McClintock (1902-1992 )u 位于玉米的第位于玉米的第9 染色体染色体 u C 基因，色素合成基因。基因，色素合成基因。 u Ac 基因，自主移动的调节因子。基因，自主移动的调节因子。4.5 kb, 5 个个exon,两端有两端有11bp的的IR, 编码转座酶。编码转座酶。u Ds 基因，不能自主移动。基因，不能自主移动。 0.5-4.0 kb, 两端也有两端也有11bp的的IR,

4、 插入位点有正向重复序列。插入引起色素不能合成。插入位点有正向重复序列。插入引起色素不能合成。 关于关于Ac-Ds 系统系统每个控制元件家族都含有自主成员和非每个控制元件家族都含有自主成员和非自主成员，自主成分可以转座，非自主自主成员，自主成分可以转座，非自主成分不能独立转座。成分不能独立转座。 C基因的突变和回复突变基因的突变和回复突变 野 生 型野 生 型 C 基 因 使 胚 乳基 因 使 胚 乳 呈 紫 色 ，呈 紫 色 ， C 基 因 的 突基 因 的 突 变 那 么 胚 乳 呈 白 色 。变 那 么 胚 乳 呈 白 色 。 M c C l i n t o c k 推 测 ：推 测 ：

5、 C 突 变 是 由 解 离 因 子突 变 是 由 解 离 因 子 （ D s ） 插 入 到） 插 入 到 C 基 因 引基 因 引 起 的 。 另 一 个 可 移 动起 的 。 另 一 个 可 移 动 的 控 制 因 子 是 激 活 因的 控 制 因 子 是 激 活 因 子 （子 （ A c ） ， 它 可 激 活） ， 它 可 激 活 D s 转 座 进 入转 座 进 入 C 基 因 ，基 因 ， 也 能 使也 能 使 D s 从 基 因 中 转从 基 因 中 转 出 ， 使 突 变 基 因 产 生出 ， 使 突 变 基 因 产 生 “ 回 复 突 变回 复 突 变 ” ， 从 而 出，

6、 从 而 出 现斑点。现斑点。 插入序列插入序列 (insertion sequence, IS) 插入序列是最简单的转座子插入序列是最简单的转座子,长度多在长度多在7001500bp左右。左右。 由末端反向重复序列由末端反向重复序列(IR)，转座酶基因组成。插入基因组中时，在靶位上生成正向重复序列，转座酶基因组成。插入基因组中时，在靶位上生成正向重复序列(DR)插入序列插入序列 IS的遗传学特性：的遗传学特性：a)a)能编码转座酶，自主进行转座。能编码转座酶，自主进行转座。b)b)插入位点是随机的。插入位点是随机的。c)c)插入后是宿主染色体的插入位置上插入后是宿主染色体的插入位置上产生短的

7、正向重复序列。产生短的正向重复序列。d)d)转座是罕见事件。转座是罕见事件。e)e)插入片断精确切离后，可使插入片断精确切离后，可使ISIS诱发诱发的突变回复为野生型。的突变回复为野生型。f)f)不精确切离使插入位点附近的宿主不精确切离使插入位点附近的宿主基因发生缺失。基因发生缺失。v 转座子插入处正向重复序列的产生转座子插入处正向重复序列的产生 转座子（转座子（transposon,Tntransposon,Tn） 带有转座酶基带有转座酶基因等必需基因因等必需基因,和抗药性等与和抗药性等与转座无关基因转座无关基因的转座因子。的转座因子。 结构特征：结构特征： 两两端具有同向或端具有同向或反向

8、插入序列，反向插入序列，同时，两端的同时，两端的IS可能相同或可能相同或不同。不同。两个两个IS10组件构成组件构成一个复合转座子，一个复合转座子，它能使它能使DNA的位于的位于他们之间的任何部他们之间的任何部位活动。当位活动。当Tn10是是一个小的圆形分子一个小的圆形分子的一部分时，的一部分时，IS10重复序列可转座环重复序列可转座环状分子的任一侧。状分子的任一侧。v 转座因子的转座途径：转座因子的转座途径：复制转座复制转座 非复制转座非复制转座复制转座作用引起了转座子的一个复制，它插入复制转座作用引起了转座子的一个复制，它插入到一个接受位点。捐赠位点保持不变，以致捐赠到一个接受位点。捐赠位

9、点保持不变，以致捐赠者和接受者都有转座子的一个复制。者和接受者都有转座子的一个复制。 复复 制制 转转 座座复制性转座要经过一个共整合阶段复制性转座要经过一个共整合阶段u 复制复制性性转转座座的原则是，转的原则是，转座座子通过复制子通过复制自自身身而转而转座座，在，在供供体体和和受受体体位点位点均均有有一一个个拷贝拷贝. .u整个过程中需整个过程中需要解离要解离酶和转座酶和转座酶。酶。供体受体v 接合是由一种类型细胞分泌的信息素与另一种接合是由一种类型细胞分泌的信息素与另一种 类型细胞携带的受体相互作用开始的。类型细胞携带的受体相互作用开始的。v 型细胞分泌多肽型细胞分泌多肽因子（含有因子（含

10、有13 个氨基酸）。个氨基酸）。 a型细胞分泌型细胞分泌a因子（含有因子（含有12个氨基酸）。个氨基酸）。v 接合型接合型a 是由位于是由位于MAT 基因座的基因信息决定基因座的基因信息决定 的。带有的。带有MATa 等位基因的细胞为等位基因的细胞为a类型。类型。v a/型细胞携带有型细胞携带有MATa 基因和基因和MAT基因，能基因，能 够产生孢子。够产生孢子。v 杂合子能产生孢子，纯合子不能产生孢子。杂合子能产生孢子，纯合子不能产生孢子。酵母接合型：酵母接合型： 类类型相型相反反的细胞能的细胞能够够接合接合； 同型同型的的则则不能不能接合接合。酵母接合型的相互转换是复制转座所产生。酵母接合

11、型的相互转换是复制转座所产生。非复制机制转座：非复制机制转座：转座因子做物理性运动，直接转座因子做物理性运动，直接从一个位点到另一个位点，并且是保守的，有如下从一个位点到另一个位点，并且是保守的，有如下两种机制。两种机制。非复制转座作用允许一个转座子像物体一样非复制转座作用允许一个转座子像物体一样从捐赠们点移动到接受位点，这样就在捐赠从捐赠们点移动到接受位点，这样就在捐赠位点留下了一个断裂，这就是致死因子，除位点留下了一个断裂，这就是致死因子，除非它能被修理。非它能被修理。 保守性转座只是序列的直接移动，没保守性转座只是序列的直接移动，没有核苷酸键的损失，原位点没有链断有核苷酸键的损失，原位点

12、没有链断裂。裂。非复制性转座要经过链的断裂与重连非复制性转座要经过链的断裂与重连当交换结构被切断后释放出来时发生非复制性转座，将转座子插入靶当交换结构被切断后释放出来时发生非复制性转座，将转座子插入靶DNADNA，两，两翼为正向重复序列，供体位点则留下断裂的双链。翼为正向重复序列，供体位点则留下断裂的双链。Donor DNA（ green ）transposase (blue spheres)target DNA (red).v the mechanism of transposition（cut and paste） P因子和因子和 FB因子因子P因子（因子（P element）：所有的突变

13、都是由于）：所有的突变都是由于W 位点插入了位点插入了DNA片段。这个插入顺序被片段。这个插入顺序被称称 为为P因子。因子。 P因子因子果蝇中存在的转座元件果蝇中存在的转座元件 FB 家族家族 copia 反转座反转座子子1) 果蝇分成为果蝇分成为I（inducer）型）型雄果蝇和雄果蝇和R（reactive）型）型雌果蝇杂交看来会降低生育雌果蝇杂交看来会降低生育力，但反交并不如此。力，但反交并不如此。2) 果蝇分成为果蝇分成为P型（父本贡献型（父本贡献的，的，paternal contributing）和和M型（母本贡献的，型（母本贡献的，matenal contributing）。）。v

14、在果蝇中已鉴别出两个系统与杂种不育有关在果蝇中已鉴别出两个系统与杂种不育有关 开放阅读框开放阅读框 4个个, 2.9kb 内含子内含子 3个个 P因子表达差异：因子表达差异： ORF 0, 1, 2 66 KD ， 转座阻遏物转座阻遏物 ORF 0 ,1 ,2 ,3 87KD ， 转座酶转座酶 P 型细胞质：含型细胞质：含66 KD ， 阻遏转座阻遏转座 v P因子因子66KD蛋白质蛋白质是卵中是卵中母体因子产生的母体因子产生的,具有具有抑制转座的能力。抑制转座的能力。含有含有P因子的雌果蝇因子的雌果蝇与雄果蝇杂交，由于与雄果蝇杂交，由于P细胞型细胞型(66KD的蛋的蛋白质白质)的存在抑制了转

15、的存在抑制了转座酶的合成或激活。座酶的合成或激活。雌果蝇为雌果蝇为M型时，型时，在卵中无阻遏物，则在卵中无阻遏物，则导致来自雄果蝇中的导致来自雄果蝇中的P因子使生殖细胞中因子使生殖细胞中转座酶活化。转座酶活化。v FB 因因 子子 FB(Foldback 的缩写的缩写)，具有不同长度，具有不同长度 的末端重复序列。有些的末端重复序列。有些FB 元件包含很元件包含很 多并排的插入重复序列，但另一些多并排的插入重复序列，但另一些FB 中插入重复序列被非重复序列所分隔。中插入重复序列被非重复序列所分隔。 FB 元件的末端结构很令人迷惑，有时元件的末端结构很令人迷惑，有时 两个不相同的两个不相同的FB

16、 能协同转座一段能协同转座一段DNA 插入片段。插入片段。 果蝇中的果蝇中的FB因子因子的长度和的长度和DNA 序列序列有很大的变化，能引有很大的变化，能引起不稳定的突变，造起不稳定的突变，造成染色体的缺失和重成染色体的缺失和重排。排。 FB两端有很长的两端有很长的反向重复序列，二者反向重复序列，二者或者是直接相邻，或或者是直接相邻，或者中间隔开几个者中间隔开几个kb。当这些序列变性时，当这些序列变性时，很容易反折成为发夹很容易反折成为发夹状结构。状结构。 反转录转座子反转录转座子 通过通过RNA为中介，反转录成为中介，反转录成DNA后进行转座后进行转座 的可动元件，分为两类。的可动元件，分为

17、两类。 反转录转座作用是新基因形成和基因组复杂反转录转座作用是新基因形成和基因组复杂 性提高的主要因素。性提高的主要因素。i.病毒超家族病毒超家族,可编码反转录酶或整合酶，自主转可编码反转录酶或整合酶，自主转录。呈录。呈DNA时，具有时，具有LTR序列。序列。ii. 非病毒超家族非病毒超家族,不可编码反转录酶或整和酶，不不可编码反转录酶或整和酶，不能自主转录。呈能自主转录。呈DNA时，无时，无LTR序列。序列。 反转录病毒反转录病毒 原病毒原病毒(Provirus) 被整合到细胞基因组中的逆转录病毒序列。被整合到细胞基因组中的逆转录病毒序列。 逆转录酶逆转录酶(Reverse transcri

18、ptase) 负责将负责将RNA 逆转录成逆转录成DNA 的酶。的酶。 前病毒前病毒DNA（Provirus DNA ） 这种插入的、经反转录生成的这种插入的、经反转录生成的DNA 。 内源性前病毒内源性前病毒 下一代细胞即使未经过反转录病毒直接感染，下一代细胞即使未经过反转录病毒直接感染， 在基因组中也带有了前病毒在基因组中也带有了前病毒DNA。 病毒的病毒的RNA基因组经逆转录成为双链基因组经逆转录成为双链DNA，双链，双链DNA 插入宿主的基因组中。已插入宿主的基因组中。已整合整合的的DNA再转再转录出病毒录出病毒RNA。反转录病毒的生活周期反转录病毒的生活周期反转反转录病毒的表达产物为

19、多聚蛋白，录病毒的表达产物为多聚蛋白，经过加工后才成为单个蛋白。经过加工后才成为单个蛋白。gag 编码编码病毒的核心蛋病毒的核心蛋白白 pol 编码编码反转录酶反转录酶 env编码编码病毒的薄膜蛋病毒的薄膜蛋白白LTRLTR是如何转录而成的呢？是如何转录而成的呢？1. RNA正链正链4. DNA负链合成中止负链合成中止2. 退火退火3. DNA负链合成负链合成7. 反转录酶继续作用反转录酶继续作用6. 第一次跳跃第一次跳跃5. RNA链在链在5端降解端降解8. RNA引物被除掉引物被除掉13. 负链负链DNA合成，合成，LTR生成生成12. 正链正链DNA合成合成11. 11. 第二次跳跃第二

20、次跳跃10. 合成中止的合成中止的DNA链链9. RNA降解，降解，DNA合成合成 LTR对病毒对病毒DNA整合进宿主细胞基因组合控制病毒整合进宿主细胞基因组合控制病毒 RNA合成有着重要的作用。合成有着重要的作用。 LTR在在U3区内有同区内有同“TATAA”框相似的序列。框相似的序列。TATTA 框是真核生物中使用框是真核生物中使用RNA多聚酶多聚酶的转录单位所特有的转录单位所特有 的序列。的序列。 每个每个LTR的的U3带有一个启动子。左边带有一个启动子。左边LTR中的启动子中的启动子 负责起始前病毒的转录。负责起始前病毒的转录。 LTR中有增强子序列，可增强病毒中有增强子序列，可增强病

21、毒RNA的转录能力，的转录能力， 或对前病毒或对前病毒DNA两侧宿主两侧宿主DNA的转录活性起调控作用。的转录活性起调控作用。LTR的功能：酵母酵母Ty（Transposon yeast）转座元）转座元件件 Ty的转座效率比细菌转座子要低，在的转座效率比细菌转座子要低，在 Ty插入位点两侧各生成插入位点两侧各生成5bp的重复序列。的重复序列。 Ty的结构基因基本相同，长约的结构基因基本相同，长约6.3kb,两两端端 有有330bp的正向重复序列，称为的正向重复序列，称为序列。序列。Ty 组分的两端是组分的两端是短的正向重复序短的正向重复序列。列。Ty组分转录组分转录后产生两个具有后产生两个具有

22、重叠序列的转录重叠序列的转录本，本，TyA是结合是结合蛋白，蛋白，TyB含有含有反转录酶，蛋白反转录酶，蛋白酶和整合酶的同酶和整合酶的同源物。源物。 人为构造人为构造 独特独特Ty 组分组分 内含有一个内含有一个 内含子。内含子。 转座拷贝具有相转座拷贝具有相 同的末端重复，同的末端重复， 内含子被删除。内含子被删除。 Ty 通过通过RNA 剪接剪接 除去内含子，反除去内含子，反 转录成转录成DNA，插，插 入染色体的新位入染色体的新位 置。置。果果蝇蝇中中三三种类种类型型的转座成的转座成分分具有具有不不同同的的结结构构copia 反转录转座子反转录转座子 copia的拷贝数是由果蝇的种系决定

23、的，通常是的拷贝数是由果蝇的种系决定的，通常是 20-60 个拷贝。家族的成员非常分散，在每一种个拷贝。家族的成员非常分散，在每一种 果蝇中果蝇中copia的位点都表现出很大的不同。的位点都表现出很大的不同。 copia 元件长大约元件长大约5000bp，有相同的，有相同的276bp 同向同向 重复序列。在插入位点使靶基因产生重复序列。在插入位点使靶基因产生5bp 同向重同向重 复。复。 copia 基因的转录产物是一系列基因的转录产物是一系列poly(A)+mRNA， 包括全长的和部分长度的转录产物。这些包括全长的和部分长度的转录产物。这些mRNA 有相同的有相同的5端。端。 哺乳动物基因组

24、含很多相对短但彼此相关的序列，哺乳动物基因组含很多相对短但彼此相关的序列， 其重要部分包含转座子。可归纳为两个家族。其重要部分包含转座子。可归纳为两个家族。A.LINES L1重复序列和重复序列和SINESv 非自主反转录转座子非自主反转录转座子长散布重复序列长散布重复序列(LINES)： RNA 聚合酶聚合酶的转录物的转录物短散布重复序列短散布重复序列(SINES)： RNA聚合酶聚合酶的转录物的转录物 LINE L1没有没有LTR,故归于非病毒超家族。但测序发现故归于非病毒超家族。但测序发现LINE L1的的一个可读框同反转录酶是同源的一个可读框同反转录酶是同源的 被归入病毒超家族。被归入

25、病毒超家族。 L1被认为是人类基因组中主要的可动因子，除能自主转座外，它被认为是人类基因组中主要的可动因子，除能自主转座外，它的蛋白质产物可促使非自主转座因子的反转录转座。的蛋白质产物可促使非自主转座因子的反转录转座。L1还能十分有效地将位于还能十分有效地将位于L1 3端的侧序一起转座到新的位置，这端的侧序一起转座到新的位置，这种作用称为种作用称为3转导，将宿主基因组中的原先不连锁的两个转导，将宿主基因组中的原先不连锁的两个DNA片段片段排列在一起。排列在一起。v LINE L1LINES 元件无元件无LTR，其逆转录是怎样进行的？，其逆转录是怎样进行的？a.反转座子编码的核酸内切酶活反转座子

26、编码的核酸内切酶活性将靶基因位点切口。性将靶基因位点切口。b.相关相关RNA 产物结合到切口上。产物结合到切口上。切口提供一个切口提供一个3-OH 末端，末端，c.以此为引物，以以此为引物，以RNA 为模板合为模板合成成cDNA。d.然后打开然后打开DNA 的另一条链并产的另一条链并产生缺口，生缺口，e.接着或在接着或在RNA/DNA 杂交分子杂交分子转变成双链转变成双链DNA后，将其到切后，将其到切口的另一末端。口的另一末端。类病毒类病毒型返型返座子具有座子具有开放开放阅阅读框读框和和末末端端重复。重复。 最典型的最典型的SINES由一个单一家族成员组由一个单一家族成员组 成。它们非常短并且

27、有很高的重复性，成。它们非常短并且有很高的重复性， 除其成员在整个基因组中散布分布而非除其成员在整个基因组中散布分布而非 成簇分布外，与简单序列成簇分布外，与简单序列DNA 非常相像。非常相像。 所有能被限制酶所有能被限制酶Alu酶切的序列都是酶切的序列都是 同一家族的成员，该家族称为同一家族的成员，该家族称为Alu 家族家族 (Alu family)。 许多假基因是由剪切连接的外显许多假基因是由剪切连接的外显子组成，但在子组成，但在DNA 中不存在识别内中不存在识别内含子的机制，所以此过程可能时通含子的机制，所以此过程可能时通过过RNA 中间体来完成。假基因通常中间体来完成。假基因通常以一段

28、的以一段的AT 序列结尾，推测它可序列结尾，推测它可能来源于能来源于poly(A)尾。尾。 假基因不编码反转录酶，也不产假基因不编码反转录酶，也不产生转座酶，具有生转座酶，具有mRNA的特性，是的特性，是非自主反转录转座元件。非自主反转录转座元件。v 假基因假基因转座因子可作为基因的标记克隆目的基因。转座因子可作为基因的标记克隆目的基因。方法：从带转座因子生物筛选有突变品系。方法：从带转座因子生物筛选有突变品系。如果这些突变是由转座子如果这些突变是由转座子DNADNA克隆所产生，克隆所产生，则必定有与该突变体有关的基因存在（用转则必定有与该突变体有关的基因存在（用转座子给未知目的基因加上标记）

29、座子给未知目的基因加上标记）以此突以此突变基因的有关顺序作探针变基因的有关顺序作探针从野生品系的基从野生品系的基因文库中获得野生型目的基因。因文库中获得野生型目的基因。结合原来突变品系表型，可探知此基因功能，结合原来突变品系表型，可探知此基因功能，从分子水平上对基因进行研究与利用。从分子水平上对基因进行研究与利用。v 转座因子的应用转座因子的应用真核生物中的转座子有真核生物中的转座子有： Ac-Ds系统、系统、 插入序列插入序列IS、 转座子转座子Tn、P因子和因子和 FB因子因子反转录转座子有：反转录转座子有：自主反转录：自主反转录：Ty转座子、转座子、Copia、LINES、非自主反转录：

30、非自主反转录：SINE、Alu、假基因、假基因转座现在还在基因组中继续发生吗？转座现在还在基因组中继续发生吗？还是我们发现的只是以前发生转座的还是我们发现的只是以前发生转座的遗迹？必须注意，转座子要存活下去遗迹？必须注意，转座子要存活下去就必须在生殖细胞中发生。当然，相就必须在生殖细胞中发生。当然，相似的事件可在体细胞中发生，但它们似的事件可在体细胞中发生，但它们不能遗传给下一代。不能遗传给下一代。Ac-Ds系统的发现：系统的发现： 1932年年McClintock 发现了发现了 玉米籽粒色素斑点不稳定玉米籽粒色素斑点不稳定 遗传行为。遗传行为。 1951年首次提出可在染色年首次提出可在染色

31、体上移动的控制元件的概体上移动的控制元件的概 念。念。 1984年获得诺贝尔奖。年获得诺贝尔奖。 Ac-Ds系统系统McClintock (1902-1992 ) 转座子（转座子（transposon,Tntransposon,Tn） 带有转座酶基带有转座酶基因等必需基因因等必需基因,和抗药性等与和抗药性等与转座无关基因转座无关基因的转座因子。的转座因子。 结构特征：结构特征： 两两端具有同向或端具有同向或反向插入序列，反向插入序列，同时，两端的同时，两端的IS可能相同或可能相同或不同。不同。 转座子（转座子（transposon,Tntransposon,Tn） 带有转座酶基带有转座酶基因等

32、必需基因因等必需基因,和抗药性等与和抗药性等与转座无关基因转座无关基因的转座因子。的转座因子。 结构特征：结构特征： 两两端具有同向或端具有同向或反向插入序列，反向插入序列，同时，两端的同时，两端的IS可能相同或可能相同或不同。不同。v FB 因因 子子 FB(Foldback 的缩写的缩写)，具有不同长度，具有不同长度 的末端重复序列。有些的末端重复序列。有些FB 元件包含很元件包含很 多并排的插入重复序列，但另一些多并排的插入重复序列，但另一些FB 中插入重复序列被非重复序列所分隔。中插入重复序列被非重复序列所分隔。 FB 元件的末端结构很令人迷惑，有时元件的末端结构很令人迷惑，有时 两个不相同的两个不相同的FB 能协同转座一段能协同转座一段DNA 插入片段。插入片段。 反转录转座子反转录转座子 通过通过RNA为中介，反转录成为中介，反转录成DNA后进行转座后进行转座 的可动元件，分为两类。的可动元件，分为两类。 反转录转座作用是新基因形成和基因组复杂反转录转座作用是新基因形成和基因组复杂 性提高的主要因素。性提高