转位因子PPT课件

1、 自然界中的基因有千万种，哪类基因最为常见和最为丰富？由美国南佛罗里达州立大学、圣迭戈州立大学和芝加哥大学科学家组成的研究小组在对大量基因组进行成功解码后找到了答案，那就是有“自私DNA（脱氧核糖核酸）”之称的转座子。转座子因其独特的行为在科学界获得了诸多“名号”。目前仅知的功能就是到处传播自己，故有人昵称其“自私基因”；根据转座子可在生物体内或生物体之间移动，并产生不断变化的遗传物质的特性，也有人将其叫做“跳跃基因”。南佛罗里达州立大学海洋科学学院研究员米亚布赖特巴特称，转座子还有个称呼叫“剪贴基因”，它们能持续地改变和移动，有时甚至还能将其他基因一起带来。第1页/共70页l 转位因子 Tr

2、ansposable element 基因组中的一个独立单位，在基因组中可移动，是一个更小，更低级的结构单位。DNA的流动性定义： 能够进行复制并将一个拷贝插入新位点的DNA序列。（能在基因组中移动的DNA序列叫转位因子 ）由于它可以从染色体基因组上的一个位置转移到另一个位置,甚至在不同的染色体之间跃迁所以又称跳跃基因（jump-gene）抗药性存在：原核生物、植物中广泛存在，少数存在于动物中。第2页/共70页第3页/共70页l 最早于20世纪40年代由美国冷泉港实验室B.Mc Clintock发现玉米的颜色变化与某些基因的关启有关，而这些基因的关启可能与某些因子的控制有关，而这些因子在基因组

3、中是可以移动的控制因子。当时这一发现并没有引起人们的注意；l直到70年代Shapiro发现大肠杆菌的乳糖操纵子的突变是由于插入了一段序列，后来又发现了其它转位因子后，McClintock的发现才被重视；l1983年Clintock荣获诺贝尔生物学医学奖。发现:第4页/共70页转位因子的结构特点： 1. 两端存在末端重复序列inverted terminal repeats （IR），是转位过程中至关重要的结构； 2.绝大多数的转位因子含有开放阅读框，（ORF），编码一个转位酶，促进转位因子的转位； 3.受体DNA在接受插入DNA后，在插入序列的两侧形成同向重复序列； 4. 受体（靶序列）没有确

4、定的特异性，但趋向于一个“热点”区域即所谓“区域性优先”。 取决于DNA双螺旋状态，或DNA-PRO结合状态第5页/共70页第6页/共70页 原核生物的转位因子: IS因子 insert sequence 转位子Tn（ Transposon ）复合转座子 Mu-噬菌体 Mutation-phage 第7页/共70页1.IS 因子 insert sequence 最简单的转位因子l含有末端反向重复序列和转位酶基因 15-25bp 控制转位频率l IS因子插入后, 受体两端产生同向重复序列l 长度不一, 0.7-1.4kb E . coliE . coli的的F F因子和核染色体组上有一些相同的因

5、子和核染色体组上有一些相同的ISIS（如（如IS2IS2，IS3IS3等），通过这些同源等），通过这些同源序列间的重组，就可使序列间的重组，就可使 F F因子插入到因子插入到E . coliE . coli的核染色体组上，从而使后者成为的核染色体组上，从而使后者成为HfrHfr菌菌株。株。第8页/共70页第9页/共70页2. 转位子 Tn Transposonl长度比ISIS序列大 5-20Kb, l两端有反向重复序列IRIR，有的就是IS因子。 同向/ /反向；相同或不同l除含有转位酶基因外, ,还可能含有其他结构基因，如抗性基因、抗重金属离子基因等( (Tn1-ampR; Tn3AmpR,

6、 Tn5和Tn6KanaR)。 第10页/共70页第11页/共70页第12页/共70页 对于复合型转座子来说，随着中央序列的增长，转座的频率降低。所以长度的依赖性是决定普通复合型转座子大小的一个因素。 支持复合型转座子转座的一个主要的动力是对中心区所携带的标志的选择。第13页/共70页Tn3是一个典型的Tn因子第14页/共70页 3. Mu-噬菌体 Mutation-phage 一种以大肠杆菌为寄主的温和噬菌体，以裂解生长和溶源生长两种方式之一繁衍自己。 噬菌体存在于大肠杆菌细胞质中，通过整合到寄主染色体上成为源噬菌体状态，并与寄主DNA一起复制，这一现象称溶源化。 裂解生长第15页/共70页

7、 Mu DNA为线状分子，分子量最大（37kb），它含有多个基因。整合到宿主核基因组中去，会引起染色体上许多位点 的突变，故也叫突变因子（Mutator）, 其中约有2%是营养缺陷型突变。 Mu的转座频率比一般的转座子要高 第16页/共70页转座噬菌体 Mu phage （巨型转座子 ） C repressor for A, BB 33 kd 与转座有关A 70 kd 转座酶U, S 毒性蛋白attL, attR 与寄主同源，反向重复，转座必需 Gin G区倒位酶G 倒位区 38kb att L C A B S U att R 150bp 1.5kb Pgin 以E.coli为寄主的温和型噬菌

8、体（溶源、裂解）第17页/共70页感染E.coli K12E.Coli C第18页/共70页第19页/共70页不同类型的转座 （1）复制型转座（replicative transposition）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20页/共70页第21页/共70页（2） 非复制型转座 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22页/共70页第23页/共70页第24页/共70页真核生物的转座成分 a) 转座机制与细菌的转座子类似 遗传信息： DNADNA 玉米的Ac-Ds元

9、件、果蝇的P元件和FB元件等 b) 转作机制类似逆转录病毒 遗传信息： RNADNARNA 如：逆转录病毒、果蝇的Copia元件、酵母的Ty元件根据转座机制目前分为两类：第25页/共70页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，一个转座子可由基因组的一个位置移到另一个位置。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。第26页/共70页 必须经过RNA中间体的转座过程是真核生物所特有的。 一些真核细胞的转座子和反转录病毒的原病毒的一般组成结构相关，并且通过RNA中间体进行转座，这一类结构单位称

10、为反转座子（retroposons）。第27页/共70页 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28页/共70页第29页/共70页逆转位因子 Retroposon 遗传信息的流动：DNA DNA 逆转位因子介导的转位作用： DNA RNA DNA 转位时，RNA cDNA 基因组逆转位因子逆转录病毒无膜蛋白包裹, 不能形成病毒颗粒逆转录酶第30页/共70页 反转录转座子是近年新发现的由RNA介导转座

11、的转座元件，在结构和复制上与反转录病毒(retrovirus)类似，只是没有病毒感染必须的env基因，它通过转录合成mRNA,再逆转录合成新的元件整合到基因组中完成转座，每转座1次拷贝数就会增加1份，是目前所知高等植物中数量最大的一类可活动遗传成分。 目前共发现了3种类型反转录转座子：Tyl-copia类，Ty3-gypsy类和LINE(long interspersed nuclear Clements)类转座子，前两类是具有长末端重复的转座子，LINE类转座子没有长末端重复。高等植物中的反转录转座子主要属于Tyl-copia类，分布十分广泛，几乎覆盖了所有高等植物种类。第31页/共70页第

12、32页/共70页第33页/共70页 Ac和和Ds这两个因子都位于玉米的第九号染色体短臂，在这两个因子都位于玉米的第九号染色体短臂，在色色素基因素基因C的附近。的附近。 Ac因子因子全长全长4.5kb，有，有5个外显子，其产物是转座酶。个外显子，其产物是转座酶。Ac因子两端是长因子两端是长11bp的反向重复序列的反向重复序列(IR)； Ds因子因子长长0.4-4kb，它的中间，它的中间(在在转座酶基因中转座酶基因中)有许多种有许多种长度不等的缺失长度不等的缺失, 如如Ds9只缺失只缺失194bp，而，而Ds6则缺失则缺失2.5kb，Ds的两端也都有的两端也都有11bp的反向重复序列。的反向重复序

13、列。 Ac和和Ds的末端反向重复几乎是一样的，只有一个不同之处：的末端反向重复几乎是一样的，只有一个不同之处：Ac两端最外边的核苷酸是彼此不互补的两端最外边的核苷酸是彼此不互补的T:G，而，而Ds是互补的是互补的T:A(图图)。 玉米的Ac-Ds元件第34页/共70页 Ac-Ds转座元件结构示意图。右边示Ac及Ds元件的单链DNA末端反向重复配对所形成的茎环结构，这种结构可能对转座有意义第35页/共70页 由于缺失转座酶，由于缺失转座酶，Ds因子不能自主移动，因此因子不能自主移动，因此Ds因子因子是非自主移动是非自主移动的受体因子的受体因子(dissociator)，而，而Ac则为自主移动的调

14、节因子则为自主移动的调节因子(activator )，Ds的转座的转座依赖于依赖于Ac元件的存在。元件的存在。 Ac、Ds的转座属于的转座属于非复制机制非复制机制，即不是复制，即不是复制一份拷贝后将拷贝转移，而是直接从原来位置消失。一份拷贝后将拷贝转移，而是直接从原来位置消失。 第36页/共70页 Ac-Ds系统中，在Ac成分激活下，Ds成分可转移到新的靶点上，使靶点附近的基因失活或改变表达活性。第37页/共70页玉米转座因子对胚乳颜色的影响 第38页/共70页第39页/共70页 果蝇中的转位因子 果蝇中的Copia基因有几种顺序上不相关，但结构和行为相似的因子，统称“类Copia因子”。它们

15、的一般特征如下：拷贝数拷贝数 长度长度末端同末端同 相重复相重复末端反末端反 相重复相重复Copia2060500027610FB30500500002501250P505002900031第40页/共70页 Copia因子因子是果蝇的一种反转录转座子是果蝇的一种反转录转座子(retrotransposon或或retroposon)，所谓反转录转，所谓反转录转座子是指通过座子是指通过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。的可动元件。 Copia因子由于存在大量密切相关的编码高丰因子由于存在大量密切相关的编码高丰度度mRNAs的序列而得名。的序列而得名。 家

16、族数量巨大，分布广泛。家族数量巨大，分布广泛。 第41页/共70页 Copia因子全长因子全长5000bp左右，两端各有左右，两端各有-个相同的个相同的276bP的正向重复序列的正向重复序列(DR)，每个正向重复序列本身，每个正向重复序列本身的两端还各有一个反向重复序列的两端还各有一个反向重复序列(IR)。当。当Copia因子转因子转座插入染色体时，在插入位点上产生座插入染色体时，在插入位点上产生5bp的正向重复序的正向重复序列。列。 第42页/共70页 Copia因子的转录产物是因子的转录产物是po1y(A)+mRNA，它有两种形式，一种是，它有两种形式，一种是完整全长的转录本，另一种是部分

17、长度即截短的转录本，二者都有相同的完整全长的转录本，另一种是部分长度即截短的转录本，二者都有相同的5末端。翻译产生的蛋白质可能参与末端。翻译产生的蛋白质可能参与RNA的剪接和多肽的切割。关于的剪接和多肽的切割。关于Copia因子转座的具体过程和细节目前还不十分清楚。因子转座的具体过程和细节目前还不十分清楚。 第43页/共70页FB因子：末端反向重复序列长度不同，同一个FB成分的两个LTR也不完全相同，转座时靶点序列产生9bp的倍增，有时两个不同的FB因子共同引起一大段DNA的转移。第44页/共70页P因子 具有不一定的长度，完整的P成份有2900bp，含有四个阅读框，它们是转座所必需的，因此只

18、有完整的P成分才具有转座功能。 共同特点：两端都有31bp的反向重复序列。 第45页/共70页果蝇P因子的结构 第46页/共70页果蝇杂种不育仅发生在P X M中 不带有P因子的品系称为M品系第47页/共70页第48页/共70页果蝇杂种不育取决于基因组中P因子和不同细胞型中阻遏蛋白的相互作用 第49页/共70页真核生物的转位因子酵母中的Ty因子： 是一种分散重复序列，每个Ty因子全长6.3Kb，两端各有一段334bp的同向重复序列，称序列，富含AT，可翻译成42个残基的氨基酸，每个酵母细胞基因组中有3035个拷贝。第50页/共70页第51页/共70页Transposon Tagging The

19、 molecular isolation of transposable elements now permits the cloning of genes in which the element resides. The major advantage of this system is that genes whose function is not known can be cloned. The first step in this procedure is to identify a plant stock that is mutant for a specific trait b

20、ecause a transposable element has been inserted into and inactivated the gene. Next, a genomic library (often in bacteriophage lambda) of the plant stock is created. This library is then screened with a clone for the transposable element. Any clone that is selected from the screening will contain th

21、e element. In the clone, sequences for the mutated gene will lie adjacent to the element. A sublcone containing sequences from the gene is then developed from the non-transposable element DNA of the original clone. This clone is then used to screen a genomic library containing DNA from a normal plan

22、t. In this manner, any clone that is selected should contain a full, normal copy of the gene. Because this system is so powerful, scientist have begun introducing elements from corn and Antirrhinum into other species using transformation techniques. It has been demonstrated that these elements can b

23、e induced to move from one location to another in the new species. If this movement is coupled with the appearance of mutant phenotype, then the gene responsible for the phenotype can cloned in that particular species. These techniques have now allowed the use of transposon tagging in plant species

24、in which active transposable elements have not been identified.第52页/共70页第53页/共70页a) 不依赖供体序列与靶位点间序列的同源性b) 转座不是简单的转移，涉及转座子的复制Hotspots (热点)Regional preference ( 在3kb区域内的随机插入) d) 某些转座因子（Tn3）对同类转座因子的插入具有排他性 （免疫性）e) 靶序列在转座因子两侧会形成正向重复 f) 转座因子的切除与转座将产生复杂的遗传学效应c) 转座插入的靶位点并非完全随机（插入专一型）第54页/共70页指减低蛋白质合成速度的基因突变

25、第55页/共70页第56页/共70页 造成插入位点靶造成插入位点靶DNA的少量碱基对的少量碱基对重复重复IS1、Tn10： 造成造成9bp的重复。的重复。 IS3： 造成造成3或或4bp的重复。的重复。 IS4： 造成造成11bp的重复。的重复。插入位点出现新基因 复合转座子带有抗性基因（如抗药性基因ampc)，可产生两方面效应：一个基因的插入突变；出现抗药基因。第57页/共70页 引起染色体畸变引起染色体畸变 在一个染色体上（甚至不同染色体上）若有同一在一个染色体上（甚至不同染色体上）若有同一转座子的两个拷贝，其提供的相同重组位点，可导致缺转座子的两个拷贝，其提供的相同重组位点，可导致缺失、倒位、插入。失、倒位