分子生物学第04章可移位遗传因子.ppt

4.1 可移位因子的类型 4.2 转座子 4.3 LTR逆转录转座子 4.4 无LTR逆转录转座子 4.5 花椰菜病毒中的逆转录酶 4可移位遗传因子 可移位遗传因子的发现 生物基因在染色体上的排列一般是稳定的， 它们的遗传方式也是遵从孟德尔方式的。但是在 上个世纪40年代末，Barbara McClintock发现了 遗传因子的转位现象，她是在对玉米籽粒颜色变 化的研究中发现这种现象的，并在1951年发表了 她的研究结果，对转位因子作了精确的描述。 可移位遗传因子的发现 在美国，人们见到的玉米籽粒大多是黄色的， 但是在玉米的发源地中、南美洲，野生型的玉米籽 粒却可以是蓝色、棕色和红色的。玉米粒的颜色取 决于籽粒胚乳表层的色素，而这种色素的合成是受 基因调控的。人们可以见到在同一个玉米棒子上存 在着几种颜色的玉米粒，这种现象称为“斑驳”。 可移位遗传因子的发现 20世纪30-40年代从事玉米遗传研究的 McClintock遇到的斑驳现象，用传统的孟德尔定律 解释不了。当按照孟德尔定律应是全部黑色籽粒玉 米的时候，却出现了全黑:花斑:白色为12:3:1的分布 。她在大量实验和分析的基础上提出了一个假说， 认为这些斑驳变异是特殊基因成分活动的结果。她 把这些基因成分称为控制因子。原来，决定胚乳色 素和其他特性的基因位于9号染色体。她发现，9号 染色体上有一小段从一个位置移到另一个位置时， 就会出现斑驳现象，她将具有改变邻近基因功能的 遗传材料称作“控制因子”。 可移位遗传因子的发现 1950年她进一步发现玉米染色体组中存在着一 个激活解离系统。该系统由激活因子（Ac）和解 离因子（Ds）构成。它们在染色体上的位置不定， 既可以单独存在，又可以从一条染色体跳到另一条 染色体上。Ds的功能是抑制邻近基因的表达，同时 由于它的跳跃（即转座）而引起原来染色体的断裂 和缺失。Ac的功能仅仅在于激活Ds。这种能跳跃的 遗传成分就是“转座基因”。 可移位遗传因子的发现 当时她的工作并未引起人们的重视，直到20世 纪60年代后期在大肠杆菌中也发现了转位因子，这 才引起了对McClintock工作的重视，并开展了广泛 深入的研究。为此McClintock因其开创性的工作而 获得了1983年的生理学及医学诺贝尔奖。现在发现 这类可移位的遗传因子普遍存在于各种生物中，它 们可以较频繁地在染色体DNA上转移位置，所以也 称它们为跳跃基因。它们位置的转移，会影响别的 基因表达，造成表型上的改变。 The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1983 “for her discovery of mobile genetic elements“ Cold Spring Harbor Laboratory Cold Spring Harbor, NY, USA Barbara McClintock b. 1902 d. 1992 转座子 转座子（transposon）是一段可移位的DNA片段 ，两端有反向重复序列，中间有1个或几个基因。玉 米中的AcDs就是McClintock发现的转座子。转座 子的移位过程称为转座（transposition）。 转座子的大小通常为几百到几千碱基对，大部分 基因组含有几种转座子，每种转座子又有几个到几百 个拷贝，所有转座子也是基因组中的一种散布重复序 列。 典型转座子结构模式 图 转座的两种方式 转座子可以被一些未知的信号激活，在染色体 上从一个位点跳到另一个位点。转座作用需经转座 酶催化，有些转座子的编码区就编码有转座酶。当 转座酶基因受某种信号激活表达后，产生的转座酶 能识别转座子两端的反向重复序列。转座方式有两 种，一种是保守型转座，它将转座子从原位点切下 ，再插入到一个新的位点，在插入位点处产生短的 同向重复序列。另一种方式是复制型转座，转座子 发生复制，复制的拷贝插入新的位点。 在转座子插入处产 生短的同向重复序 列 直接转座和复制转 座 直接转座和复制转 座 某些细菌转座子（IS）的特 征 插入位点处产生的 正向重复序列 转座子两端的反 向重复序列 IS：insertion sequences Tn转座子和复合转座 子 Some transposons carry drug resistance (or other) markers）in addition to the functions concerned with transposition. These transposons are named Tn followed by a number. One class of larger transposons are called composite elements, because a central region carrying the drug marker(s) is flanked on either side by “arms“ that consist of IS elements. 复合转座子的特点 Composite transposons have a central region flanked by an IS element at each end. Either one or both of the IS elements of a composite transposon may be able to undertake transposition. A composite transposon may transpose as a unit, but an active IS element at either end may also transpose independently. 含有同向IS的复合转座 子 含有反向IS的复合转座 子 自主转座子与非自主转座子 编码有转座酶的转座子是自主的，它们能够启 动自身的转座。还有一些转座子不含转座酶基因， 它们是不自主的，必须在有相应自主转座子存在下 ，依靠自主转座子的转座酶而转座。 玉米Ac-Ds家族 在玉米Ac-Ds家族中，Ac是自主转座子（活 化因子），Ds是非自主转座子（解离因子）。 Ac因子长4563bp，两端各有一个11bp长的反向 重复序列，从约300bp处开始至约4300bp处为转 录区域，其中有5个外显子和4个内含子，形成一 个长约3.5kb的mRNA，该mRNA翻译出一个807 个氨基酸的转座酶。 图44 玉米转座子 Ac 以及衍 生的几种 Ds 结构 图45 Ac-Ds 转座使玉米籽粒 颜色产生变异 Ds 因子的类型 按Ds内部序列的结构和功能不同，将它们分为 型和型。当型Ds因子插入某个基因时，通常 会引起染色体断裂，回复突变率低；而型Ds因子 几乎不引起染色体断裂，回复突变率高。在结构上 型Ds因子是Ac因子的简单缺失，型Ds因子却是 两个相邻或是一个Ds反向插入另一个Ds中形成双Ds 因子。 Ac和Ds因子两端序列的作 用 Ac和Ds因子两端的序列是转座酶的识别位点， 两端反向重复序列的存在可以使转座子形成茎环结 构，若插入基因中的转座子的末端序列发生了变化 ，它就不能再割离了，使突变成为永久性的。 将Ac因子引入烟草、马铃薯、番茄、胡萝卜、 拟南芥、矮牵牛中，Ac因子能正常转座。 寻找转座子的方法 由于对转座子编码蛋白了解很少，并且这些蛋 白的含量也很低，难以检测和纯化，所以一般不用 分离其mRNA再做成cDNA克隆、制备cDNA探针的 方法来寻找转座子，而是找出带有转座子的突变基 因，再从中找出转座子的方法来寻找转座子。 Spm家族 Spm家族（Suppressor/Mutator）由自主的Spm 因子和大量的非自主的dSpm因子组成。Spm长8.3kb ，两端为13bp的反向重复序列，中间编码一个5.8kb 的前体mRNA，通过对前体mRNA的不同加工，产 生2500bp（tnpA）和6000bp（tnpB）两种不同的 mRNA，合成出两种不同的蛋白，即67kD的TNPA 和132kD的TNPB，TNPA的表达量比TNPB高100倍 。Spm的插入在插入位点产生3bp的正向重复序列。 dSpm是Spm缺失所成（图46），因Spm-w只缺失 了内含子部分，所以它有弱的自主性。 图46 玉米转座子Spm以 及 几个非自主衍生物的 结构 转座子转座与基因表达 转座子的转座可以起到一种开关作用而影响基因 的表达，引起暂时性的突变。也有一些转座子由于丧 失了从染色体上割离下来的能力，而使突变成为永久 性的。因转座是经常发生的，所以由转座子转座引起 的突变最显著的特点是其不稳定性。 转座子转座与基因表 达 当转座子插入到一个基因的启动区或调节区，会 抑制或促进该基因的表达。当转座子插入到一个基因 的编码区，往往会使该基因编码的蛋白质失去功能。 比如说一个转座子跳到一个参与花色素苷生物合成的 基因中，就可能产生一个突变体，使本来开紫花的植 物变成开白花。在一般情况下，由转座子转座产生的 突变体不太稳定，因此，一旦该转座子从该基因中转 移走，又可以恢复开紫花的表型。转座子的转座若发 生在性细胞中，可以产生较稳定的突变体后代，由开 紫花的亲本变成开白花的子代。若转座发生在体细胞 中，则可以开出不同颜色的花，甚至在一朵花上出现 不同颜色的花瓣。 转座频率 转座子的转座有一定的频率，细菌中的转座 频率为每世代细胞105107，切除频率为每世 代细胞1061010。果蝇copia的转座频率为每世 代细胞103104。 图48 转座子移位导致靶基因 DNA序列的突变 转座子插入染色体靶位点 转座子移出靶位点 转座子被不 完全切除 转座子被完全切除 ，留下短序列重复 转座子切除后，留下 额外反向靶位点序列 切除时，造成 靶位点缺失 逆转录转座 子 真核生物中有一些可移位遗传因子，它们在转 座时必须有逆转录发生，故把这类可移位因子称为 逆转录转座子，并把它们的转位过程称为逆转座作 用（retroposition）。逆转录转座子又分为病毒类 逆转录转座子（LTR逆转录转座子）和非病毒类逆 转录转座子（无LTR逆转录转座子）两类，前者的 两端有长的同向重复序列，后者常含有3末端 poly（A）序列。 LTR逆转录转座 子 逆转录转座子与某些病毒很相似。逆转录转座 子和逆转录病毒都是可移动的遗传因子，两者都含 有促进它们在细胞中进行复制的信息，都需要逆转 录的过程；病毒不同于转座子主要是在生活周期的 某些阶段由蛋白质包装成病毒颗粒。为了更好地了 解逆转录转座子，有必要先了解一下逆转录病毒的 结构和生活史。 逆转录病毒 逆转录病毒具有单链正义RNA基因组，大多数 植物病毒也是具有单链正义RNA基因组，但逆转录 病毒生活史中须经过逆转录，而具有单链正义RNA 基因组的植物病毒的生活史中没有逆转录过程。已 知的逆转录病毒只侵染动物细胞。 逆 转 录 病 毒 生 活 周 期 模 式 图 逆转录 病毒由单链 RNA、逆转 录酶、衣壳 蛋白、外膜 蛋白组成。 艾滋病毒和 乙肝病毒都 是逆转录病 毒。 原病毒 DNA 由逆转录酶转录出的双链DNA称为原病毒DNA （provirus）。原病毒DNA与单链正义RNA有所不 同，前者两端有长末端重复（long terminal repeats ，LTRs，U3-R-U5），而LTR本身两端有短的反向 重复序列。原病毒DNA能插入到寄主细胞染色体的 几乎所有位点上，在插入处造成短的正向重复序列 ，所以原病毒DNA与转座子很相似。 原病毒DNA插入染色体后，可随着寄主染色体 的复制而复制，随着细胞的分裂而传给子代细胞。 逆转录病毒的基因 在原病毒DNA中间的编码区有三个基因：gag基 因编码衣壳蛋白，pol基因编码逆转录酶和整合酶， env基因编码外膜蛋白。自组装的病毒可以通过出芽 方式分泌出去，再感染其它细胞，从原病毒DNA上 转录下来的mRNA经过加工，有的用来翻译蛋白质 ，有的用作子代病毒的基因组RNA。 图4 10 逆转 录病 毒原 病毒 DNA 的结 构及 转录 表达 过程 LTR逆转录转座子 LTR逆转录转座子的结构与逆转录病毒的原 病毒DNA很相似，也以长末端重复为两端，一端带 有被寄主细胞RNA聚合酶启动转录的信号。但逆转 录转座子只编码与逆转录病毒的逆转录酶和整合酶 有相当同源性的逆转录酶和整合酶，没有编码衣壳 蛋白和外膜蛋白的基因，所以可以把逆转录转座子 看成是缺损了的逆转录病毒。 LTR逆转录转座子的结构模 式 NA：核酸结合位点 PR：蛋白酶 RT：逆转录酶 RH：RNase H IN：整合酶 transcription gagpol NA PR R T RH IN U3 R U5U3 R U5 LTRLTR 逆转录转座子LTR的性质 类类型名称 末端 5 3 LTR长长度/bp 左 右 靶位点侧侧向重复序列 copia型 Ta1 Tnt1 Tst1 TG CA TG CA TG CA 514 514 610 610 285 283 ATCAA,CTTTC, TTTAT GAAGT