第六节DNA的转座

分子生物学 生态环境工程学院 分子生物学 青海大学生物科学系 第六节DNA的转座 1学时 一 转座子的分类和结构特征二 转座作用的机制三 转座作用的遗传学效应四 真核生物的转座子1 玉米中的控制因子2 果蝇中的转座子 分子生物学 青海大学生物科学系 一 转座子的分类和结构特征 1 定义DNA的转座 或称移位 transposition 是由可移动因子 transposableelement 介导的遗传物质重排现象 TransposableElements aresectionsofDNA sequenceelements thatmove ortranspose fromonesiteinthegenometoanother 转座因子 transposibleelement 也称作跳跃基因 jumpinggene 或可移动基因 movablegene 转座子 transposon Tn 是存在与染色体DNA上可自主复制和位移的基本单位 在复制过程中可以 随机地 插入到染色体或质粒上 也可以作为一个单位被切割下来插入到另一条染色体或质粒上 Atransposon transposableelement isaDNAsequenceabletoinsertitself oracopyofitself atanewlocationinthegenome withouthavinganysequencerelationshipwiththetargetlocus 分子生物学 青海大学生物科学系 跳跃基因 Jumpinggene movablegene Transposableelement 基因转座现象的发现 1914A EmersonCornelluniversity玉米种子色素的遗传 回复突变 花斑玉米果皮花斑突变pVVpvv1936Marcus M RhoadesIndianaUniversity玉米糊粉层斑点 DottedDt 突变玉米种子糊粉层色素遗传 二个基因相互作用 与回复突变有关 分子生物学 青海大学生物科学系 McClintock 1944 玉米第9条染色体三个连锁基因 想通过 桥 断片 桥 去掉染色体末端的基因C 但是发现 常常得到的是从着丝粒与Wx之间断裂的 丢失三个基因的染色体 她定义为 Ds dissociation 偶尔发现Ds可以跳到C内的某一位置 种子为无色在种子发育过程中 Ds可以从C跳出 种子大部分无色 少量斑点 DsWxShC 分子生物学 青海大学生物科学系 分子生物学 青海大学生物科学系 1951年 通过对玉米籽粒色斑不稳定遗传现象 B McClintock 美 首次提出转座子的概念Ds Ac系统 Dissociation ActivationSystem 抑制因子 inhibitor I 后改称为解离因子 dissociator Ds 激活因子 activator Ac 能够控制Ds因子 分子生物学 青海大学生物科学系 2 原核生物转座因子的种类 包括以下四类 1 插入序列 insertionalsequence IS 2 复杂型转座子 TnA家族 TnAfamily 3 转座噬菌体 Transposablephage 4 复合式转座子 compositetransposon 分子生物学 青海大学生物科学系 1 插入序列 insertionsequence IS 最简单的转座子 插入序列 是细菌染色体或质粒的正常组成成分 不含有任何宿主基因 分子生物学 青海大学生物科学系 插入序列转座插入序列 insertionsequences IS 长750 1500bp组成 反向重复序列 9 41bp 位于两侧转座酶编码基因 产物引起转座 位于中间正向重复序列 4 12bp 位于反向重复序列外侧 为插入序列所特有 分子生物学 青海大学生物科学系 插入序列 insertionalsequence IS 1 最简单的转座子 不含有任何宿主基因 2 是很小的DNA片段 约1kb 末端具有倒置重复序列 3 转座时常复制宿主靶位点4 15bp的DNA形成正向重复区 4 大部分IS序列只有一个开放读码框 5 是细菌染色体或质粒DNA的正常组成部分 分子生物学 青海大学生物科学系 标准命名法 分子生物学 青海大学生物科学系 IS的转座机制 IS的结构 分子生物学 青海大学生物科学系 2 Transposon Tn TnAfamily 2 5kb20kb具有IR 转座酶基因 调节基因 抗抗生素基因 分子生物学 青海大学生物科学系 如Tn3含有3个基因 编码 内酰胺酶的氨苄青霉素抗性基因 ampk 转座酶基因 tnpA 和编一种阻遏物的调节基因 tnpk 分子生物学 青海大学生物科学系 TnA家族 TnA族Tn 两端是正向或反向重复序列 中间有与Tn功能相关的基因 编码转座酶 及抗生素抗性基因 总是作为一个单位进行转座 其末端不能单独转座 1 没有IS序列的 体积庞大 5000bp以上 的转座子 2 常带有3个基因 一个编码 内酰胺酶 AmpR 另两个则是转座作用所必须的 3 所有TnA类转座子两翼都带有38bp的倒置重复序列 分子生物学 青海大学生物科学系 3 转座噬菌体Muphage 巨型转座子 分子生物学 青海大学生物科学系 Mu噬菌体 即mutatorphage 诱变噬菌体 它是E coli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 与以上的IS和Tn两种转座因子相比 Mu噬菌体的分子量最大 37kb 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 Mu噬菌体的结构 分子生物学 青海大学生物科学系 分子生物学 青海大学生物科学系 4 复合因子 compositeelement compositetransposon IS插入到功能基因两端 可能形成复合转座因子 复合型转座子的结构 分子生物学 青海大学生物科学系 复合式转座子 compositetransposon 1 是一类带有某些抗药性基因 或其他宿主基因 的转座子 2 两翼往往是两个相同或高度同源的IS序列 3 IS序列就不能再单独移动 只能作为复合体移动 分子生物学 青海大学生物科学系 分子生物学 青海大学生物科学系 分子生物学 青海大学生物科学系 第二节 转座作用的机制 转座发生时 受体分子中有一段很短的 3 12bp 被称为靶序列的DNA会被复制 使插入的转座子位于两个重复的靶序列之间 靶序列的复制可能起源于特定内切酶所造成的黏性DNA末端 分子生物学 青海大学生物科学系 分子生物学 青海大学生物科学系 转座作用的机制 1 复制性转座 所移动和转位的仅仅是原转座子的拷贝 TnA类2 非复制性转座 IS序列 Mu及Tn5等 转座酶 transposase 原始转座子解离酶 resolvase 复制转座子 分子生物学 青海大学生物科学系 复制性转座 ReplicativeTransposition A 整个转座子被复制 所移动的仅仅是原转座子的拷贝 B 转座酶 transposase 和解离酶 resolvase 分别作用于原始及复制转座子 C TnA类主要是这种形式 分子生物学 青海大学生物科学系 非复制性转座 NonreplicativeTransposition A 原始转座子作为一个可移动的实体直接被移位B IS序列 Mu及Tn5等都以这种方式进行转座 分子生物学 青海大学生物科学系 分子生物学 青海大学生物科学系 分子生物学 青海大学生物科学系 由DDE转座酶介导的转座子 剪切 和 粘贴 机制 分子生物学 青海大学生物科学系 由Y 转座酶或S 转座酶介导的转座子 剪切 和 粘贴 机制 分子生物学 青海大学生物科学系 转座子的 复制 和 粘贴 机制 分子生物学 青海大学生物科学系 分子生物学 青海大学生物科学系 分子生物学 青海大学生物科学系 第三节 转座作用的遗传学效应 1 转座引起插入 或缺失 突变 导致结构基因基因失活 重排 2 转座产生新的基因 携带病毒 质粒 部分 基因进入染色体 3 转座产生的染色体畸变与恢复 4 转座引起的生物进化 分子生物学 青海大学生物科学系 分子生物学 青海大学生物科学系 四 真核生物的转座子 高等真核生物 随机分布而且能重复移动的转座子I型 剪贴式转座因子 cut paste Twocomponentssystem玉米中的控制因子 Ac Ds Spm dspm DtinmaizeIR transposase neededII型 反转录转座子 Retro transposon类似反转录病毒 果蝇中的转座子 CopiaindrosophilaTy1inyeastAlufamily 分子生物学 青海大学生物科学系 1 玉米中的控制因子 1932年 美国玉米遗传学家B McClintock发现玉米籽粒色斑不稳定遗传现象 于1951年 第一次提出转座因子的概念 因为玉米中发现的转座因子除了具有转座的特性外 还具有调节其他基因的作用 又称之为控制因子 Controllingelements 分子生物学 青海大学生物科学系 表23 5一些有代表性的真核转座子的属性 分子生物学 青海大学生物科学系 自主性因子 具有自主剪接和转座的功能非自主性因子 单独存在时是稳定的 不能转座 可成为与自主性因子相同的转座子 当基因组中存在与非自主性因子同家族的自主性因子时 它才具备转座功能 典型的IS特征 两翼有两个倒转重复序列 在靶DNA插入位点有两个短的正向重复序列 分子生物学 青海大学生物科学系 a Ds Ac系统 C代表颜色 决定玉米糊粉层红和紫色的发生 抑制因子 inhibitor I 后改称为解离因子 dissociator Ds 它抑制C基因的作用 I和C都在玉米的第九对染色体上 且两者的座位很近 激活因子 activator Ac 能够控制Ds因子 C与I基因之间易发生断裂 使I基因转座到原来染色体的其他部位或别的染色体上 于是C恢复活性表现有色 如果I Ds 因子停留在原来的座位 并未发生断裂和转座 那么玉米籽粒为无色 分子生物学 青海大学生物科学系 Ac Dssystem 作用方式 分子生物学 青海大学生物科学系 为什么Ds既能停留在原位 对C基因起着抑制作用 又能在玉米籽粒发育的不同阶段发生断裂和转座呢 Ds的作用还受到激活因子Ac的控制Ac和Ds在不同的染色体上 没有Ac的情况下籽粒为无色 但当Ac从1个增加到2或3个时 籽粒上带色斑点反而减少了 说明Ac的增加推迟了Ds因子的解离和转座 Ds和Ac都可以转座 Ac的作用是自主的 而Ds的行为却依赖于Ac的作用 这是因为Ds和Ac在很大程度上表现出核苷酸序列的同源 特别是两端的序列是相同的 只是Ds基因不同程度的缺失是间序列 如丢失产生转座所需要有关酶 转位酶 分子生物学 青海大学生物科学系 玉米的Ac Ds系统 分子生物学 青海大学生物科学系 Ac 4565bp末端反向重复序列 11bp 自主元件转座酶基因Ds Ac的缺失序列 结构多样末端反向重复序列 6 13 非自主元件 分子生物学 青海大学生物科学系 分子生物学 青海大学生物科学系 b Spm suppressor mutator 和En enhancer 分子生物学 青海大学生物科学系 分子生物学 青海大学生物科学系 分子生物学 青海大学生物科学系 2 果蝇中的转座子 Copia转座子具有数百bp的末端正向重复和类似于酵母Ty转座子及RNA肿瘤前病毒的结构 主要特征是它们能以高速度转录并产生多聚腺苷化末端的全长RNA 果蝇转座子可能属于诱发杂种不育的P转座子 非复制型 能引起原P位点断裂全长P因子 2907bp 两端33bp的IR 4个外显子 在生殖细胞中编码有活性的转座酶 在体细胞中编码无活性的转座酶 缺失型P因子 P因子中段缺失衍生物 长度为0 5 1 4kb 依赖全长P因子的转座酶才能转座 果蝇P品系的基因组有30 50份P因子拷贝 1 3为全长P因子 分子生物学 青海大学生物科学系 分子生物学 青海大学生物科学系 果蝇的P因子 由于P因子的转座而引起的果蝇的杂种发育障碍 P M P因子转座 引起插入突变 染色体畸变M M 或M P 无生育障碍 卵细胞质中含有大量的无活性的转座酶 转座抑制元件 杂种发育障碍有效地将相互杂交的群体逐渐隔离开来 并在生殖细胞中引入新的突变 对物种形成有重要影响第三个内含子的切除是发生转座所必需的几乎都是由于P转座子插入基因组W位点而引起的两翼31bp倒置重复序列 导致8bp正向重复序列 分子生物学 青海大学生物科学系 分子生物学 青海大学生物科学系 反转录转座子 retro transposon 类似反转录病毒 原核生物与真核生物中均有存在 分子生物学 青海大学生物科学系 反转座子的转座机制 分子生物学 青海大学生物科学系 LTR反转座子和非LTR反转座子的结构 分子生物学 青海大学生物科学系 分子生物学 青海大学生物科学系 分子生物学 青海大学生物科学系 分子生物学 青海大学生物科学系 分子生物学