实验五转座子引起的插入突变

1、实验五 转座子引起的插入突变 冷落四十年的转座子理论 1983年,美国遗传学家巴巴拉麦克林托克 （BMcClintock）由于发现了可移动的遗传 物质，被授予诺贝尔医学奖。 人们把麦氏的成就比之为一百年前另一位伟大 的遗传学家孟德尔的成就。 研究玉米 玉米是经典遗传学研究中采用的一个理想的供 试对象。因为它的籽粒和叶子有颜色变化。这 种颜色变化是由遗传结构的基本改变引起的。 为了探究遗传机构变化的内在机制，麦克林托 克年复一年地在田间仔细地观察玉米籽粒和玉 米叶子的颜色发生的一代又一代的复杂变化； 然后，将采下的材料带回实验室，观察玉米染 色体的断裂和重组情况。 30岁那年，麦克林托克在某些玉

2、米籽粒中发现 了玉米色素显现着一些稀奇古怪 的模式。她观 察到玉米籽粒颜色的遗传很不稳定，有时籽粒 上还出现一些斑斑点点。 她通过耐心的记录和仔细的分析，发现使籽粒 着色的色素基因是在某一特定代上“接上”或 “拉断”的。 1951年，在冷泉港生物学专题讨论会上，麦克 林托克递交了自己的学术论文，向科学界同行 报告了她的新理论。她提出遗传基因可以转移， 能从染色体的一个位置跳到另一个位置，甚至 从一条染色体跳到另一条染色体上。她把这种 能自发转移的遗传基因称为“转座因子” 。 “转座因子”除了具有跳动的特性之外，还具 有控制其他其因开闭的作用，因此“转座因子” 又可叫做“控制因子”。 转座系统

3、例如SG是一个产生紫色色素的结构基因，它 附近的一个控制因子D（称为离解因子或分 化变异因子）以一定的速率关闭SG，使玉米 籽粒不能产生紫色色素，而成为黄色。DS从 SG附近跳开，SG所受的控制作用即被解除， 玉米籽粒又变成紫色。而DS跳到远离AC处， 或者AC本身跳开，DS即不受AC的控制，它又 可以发挥对结构基因SG的抑制作用，使玉米 籽粒成为黄色。这些控制因子跳动得如此之快， 使得受它们控制的颜色基因时关时开，于是玉 米籽粒便出现了斑斑点点。 转座理论不被接受 在当时，占统治地位的染色体遗传学理论认为， 生物细胞内的遗传物质比较稳定，遗传基因以 一定的顺序在染色体上作线性排列，彼此之间

4、的距离也非常稳定。常规的交换和重组只发生 在等位基因之间，并不扰乱这种距离。除了在 显微镜下可见的、发生频率极为稀少的染色体 倒位和相互易位等畸变可以改变基因的位置外， 人们还从未认识到，也难以设想出基因会从一 处跳跃到另一处。 60年代中期，关于遗传物质的转移，人们在细 菌中发现了转化和转导现象。 60年代后期，当人们运用遗传工程这种强有力 的新工具时，终于在细菌中发现了“转座子” ， 从而开始激起人们对麦克林托克研究工作 的兴 趣。许多研究很快与麦氏的早期研究所提出的 相似现象联系起来。 终被接受 整个70年代，分子遗传学家找到了愈来愈多的 可移动的或可转移的遗传因子， 又称之为“跳 跃基

5、因” 。这些因子不仅存在于细菌中，同时 也存在于较高等的动物中。麦氏的理论又得到 了进一步的验证。 麦克林托克30年代初做出的发现、40年代提出 的理论，到60年代末终于被重新提起，80年代 初为科学界普遍接受。她走在时代前面四十年， 同时也为此冷落奋斗了四十年。 冷落的原因和启示 从转座子理论和经典遗传学的关系来看，转座子理论 推翻了经典遗传学关于基因是稳定的这一传统观念， 是一种革命性的理论，因而不为经典遗传学家所接受。 从转座子理论和分子遗传学的关系来看，是由于前者 走在了时代前面，是一种超时代发现。科学界还没有 做好接受它的准备。因而遭到分子遗传学家的冷落。 从转座子理论赖以建立的实验

6、材料看，是由于它离开 了分子生物学的主流。麦克林托克虽然身在冷泉港生 物学实验室，但她所采用的材料，与该室中极大多数 科学家不同。她没采用病毒和细菌作材料，研究基因 的拼接、剪切和重组，而是采用玉米这样的高等植物 作为研究对象。 值得庆幸的是，尽管麦克林托克采用了孟德尔 式的工作方式，利用了大体相同 的实验材料 （都是高等植物），得出了相同性质的超时代 发现，也遭受了大体相同的命运，但她毕竟在 晚年看到了自己理论的胜利，并获得了科学界 的最高奖励 诺贝尔奖。 实验目的 通过实验进一步认识转座子的遗传学效应之 一转座时可引起插入突变 实验原理 DNA的转座，或称移位（transposition）

7、，是由 可移位因子（transposable element）介导的遗 传物质重排现象。 已经发现转座这一命名并不十分准确，因为 在转座过程中，可移位因子的一个拷贝常常留 在原来位置上，在新位点上出现的仅仅是拷贝。 因此，转座有别于同源重组，它依赖于DNA的 复制。 转座子的分类和结构特征 简单转座子 转座子（transposon，Tn）是存在于染色 体DNA上可自主复制和移位的基本单位。 最简单的转座子不含有任何宿主基因而常被 称为插入序列（insertion sequence，IS）， 它们是细菌染色体或质粒DNA的正常组成部分。 一个细菌细胞常带有少于10个IS序列。转座子 常常被定位到

8、特定的基因中，造成该基因突变。 IS序列都是可以独立存在的单元，带有介导自 身移动的蛋白。 转座子的分类和结构特征 复合式转座子（composite transposon）是一 类带有某些抗药性基因（或其他宿主基因）的 转座子，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。 转座作用的机制 转座时发生的插入作用有一个普遍的特征，那 就是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

9、间。不同转座子的靶 序列长度不同，但对于一个特定的转座子来说， 它所复制的靶序列长度都是一样的，如IS1两 翼总有9个碱基对的靶序列，而Tn3两端总有 5bp的靶序列。 转座作用的机制 转座可被分为复制性和非复制性两大类。 在复制性转座中，所移动和转位的是原转座子 的拷贝。转座酶（transposase）和解离酶 （resolvase）分别作用于原始转座子和复制转 座子。TnA类转座主要是这种形式。 在非复制性转座中，原始转座子作为一个可移 动的实体直接被移位，IS序列、Mu及Tn5等都 以这种方式进行转座。 转座作用的遗传学效应 转座引起插入突变 转座产生新的基因 转座产生的染色体畸变 转座引起的生物进化. 果蝇的转座子 P因子 FB因子 Copia因子 F因子 细菌结合 实验材料 菌株： 受体菌：FD1006-(lac proB)galE strr 供体菌：Tn5.Gml-Flac+pro+/(proB lac)Val- 培养基： LB培