分子遗传学反转录转座子

1、关于分子遗传学反转录转座子第1页，共34页，2022年，5月20日，11点16分，星期四6 反转录病毒和反转录转座子6.1 引 言6.2 反转录病毒生命周期6.3 反转录病毒基因的编码产物6.4 反转录病毒中DNA的产生6.5 病毒DNA整合到染色体6.6 反转录转座子的分类6.7 反转录转座子在基因组进化中的作用6.8 反转录转座子的应用第2页，共34页，2022年，5月20日，11点16分，星期四6.1 引言必需中间体RNA参与的转座(Transposition)是真核 生物所独有。反转录转座子（Retrosposon, retrotransposon): 以RNA形式移动的转座子，DNA

2、元件转录成RNA，再反转录为DNA, 然后插入基因组中某一新位点。 RNA依赖型转座子范围非常广泛 如：能自由地感染宿主细胞的反转录病毒自身； 以RNA为中间体进行转座的DNA序列； 以及本身不具有转座能力的元件。第3页，共34页，2022年，5月20日，11点16分，星期四6.2 反转录病毒生命周期反转录毒（retrovirus）含有单链RNA基因组的两份拷贝；整合的原病毒是双链DNA序列； 反转录病毒通过将其基因组反转录而产生原病毒；负责将RNA转变为DNA的酶是反转录酶 (reverse transcriptase), 整合酶 (integrase) 负责将DNA整合到宿主基因组中，这两

3、种酶均由病毒基因组编码;反转录病毒生命周期包括转座样事件。第4页，共34页，2022年，5月20日，11点16分，星期四艾滋病病毒 (HIV) 第5页，共34页，2022年，5月20日，11点16分，星期四反转录病毒颗粒示意图 (P295)第6页，共34页，2022年，5月20日，11点16分，星期四Retrovirus replication (The retrovirus life cycle p312)第7页，共34页，2022年，5月20日，11点16分，星期四逆转录病毒的繁殖周期 吸附于细胞表面的受体； 核侵入宿主细胞； 病毒RNA转录为DNA； 以DNA为模板复制DNA； 部分整合

4、于宿主细胞DNA形成前病毒； 前病毒利用宿主RNA聚合酶合成病毒RNA； RNA再翻译成蛋白质； 病毒粒的装配； 病毒的出芽及包膜的形成。 第8页，共34页，2022年，5月20日，11点16分，星期四The reproductive cycles of retroviruses and retroposons involve alternation of reverse transcription from RNA to DNA with transcription from DNA to RNA. Only retroviruses can generate infectious part

5、icles. Retroposons are confined to an intracellular cycle.第9页，共34页，2022年，5月20日，11点16分，星期四The retrovirus life cycle involves transposition-like events reverse transcriptaseintegraseRNADNA RNA第10页，共34页，2022年，5月20日，11点16分，星期四6.3 反转录病毒基因的编码产物 典型的反转录病毒含有3条基因：gag, pol, env ; 反转录病毒的编码产物是多聚蛋白质； Gag和Pol蛋白由基因

6、组的全长转录物翻译而来； Pol蛋白的翻译需要核糖体移码； Env由剪接过程产生的一种独立的mRNA翻译而来；三种蛋白质产物的每一种都可由蛋白酶加工产生出多种蛋白;第11页，共34页，2022年，5月20日，11点16分，星期四The genes of the retrovirus are expressed as polyproteins that are processed into individual products. 5%第12页，共34页，2022年，5月20日，11点16分，星期四反转录病毒颗粒示意图 (P295)gaggaggagenvenvpolpolpol第13页，共34

7、页，2022年，5月20日，11点16分，星期四6.4 反转录病毒中DNA的产生 病毒RNA的每一个末端都有短重复序列(R), 因而5和3端分别称为R-U5和U3-R； tRNA引物结合到5端的100200 bp位点后，反转录酶开始合成负链DNA； 当酶到达末端，RNA的5端就降解，接着露出DNA产物的3端； 暴露出的3端与另一个RNA基因组的3端配对； 合成继续进行，其产物两端都产生重复序列，重复结构为U3-R-U5； 当反转录酶利用DNA产物为模板合成互补链时，发生相似的链转换, 最终形成双链DNA。第14页，共34页，2022年，5月20日，11点16分，星期四Retroviral RN

8、A ends in direct repeats (R), the free linear DNA ends in LTRs, and the provirus ends in LTRs that are shortened by two bases each. envenvenv第15页，共34页，2022年，5月20日，11点16分，星期四Minus strand DNA is generated by switching templates during reverse transcription. 第16页，共34页，2022年，5月20日，11点16分，星期四Synthesis of

9、 plus strand DNA requires a second jump. 第17页，共34页，2022年，5月20日，11点16分，星期四Minus strand DNA is generated by switching templates during reverse transcription. Synthesis of plus strand DNA requires a second jump. 第18页，共34页，2022年，5月20日，11点16分，星期四6.5 病毒DNA整合到染色体原病毒两个末端的LTR是相同的，U5的3端由一个与U3的5端相关的短反向重复序列组成，L

10、TR本身两端是以短的反向重复序列结尾。原病毒DNA在染色体上的组织与转座子相同，在靶位点，原病毒的两侧都有短的同向重复序列；线性DNA被反转录病毒的整合酶直接插入到宿主染色体上；整合过程中反转录病毒序列的两端各丢失2个碱基对。第19页，共34页，2022年，5月20日，11点16分，星期四Integrase is the only viral protein required for the integration reaction, in which each LTR loses 2 bp and is inserted between 46 bp repeats of target DNA

11、. 第20页，共34页，2022年，5月20日，11点16分，星期四6.6 反转录转座子分类类病毒超家族非病毒类超家族 普通类型Ty（酵母）Copia（果蝇）LINESL1（哺乳动物）SINESB1/Alu（哺乳动物）聚合酶转录成的假基因 末端特性 长末端重复 无重复 靶位重复 4-6 bp 16-621 bp 可读框 反转录酶/整合酶 无 组织 可能含内含子 无内含子第21页，共34页，2022年，5月20日，11点16分，星期四Retroposons that are closely related to retroviruses have a similar organization,

12、but LINES share only the reverse transcriptase activity.第22页，共34页，2022年，5月20日，11点16分，星期四Retrotransposition of non-LTR elements occurs by nicking the target to provide a primer for cDNA synthesis on an RNA template. The arrowheads indicate 3 ends. For example, LINES do not have LTRs and require the r

13、etroposon to code for an endonuclease that generates a nick to prime reverse transcription Priming results from nicking第23页，共34页，2022年，5月20日，11点16分，星期四 真核生物基因组10-20%：编码基因序列80-90%：各种重复序列串联重复序列散在重复序列短散在元件长散在元件加工的逆转录重复6.7 反转录转座子在基因组进化中的作用第24页，共34页，2022年，5月20日，11点16分，星期四Four types of transposable elemen

14、ts constitute almost half of the human genome. 第25页，共34页，2022年，5月20日，11点16分，星期四问题 1、反转录转座子在基因组中有什么作用？ 第26页，共34页，2022年，5月20日，11点16分，星期四 分散在真核生物基因组中的大量反转录转座子构成了基因组的不稳定因素，可引起基因组序列的删除、扩增、倒位、移位、断裂、同源序列重组等现象。（1）如果插入到基因的3，和5，非翻译区或内含子时可能会影响到基 因的转录、转录后加工及翻译； （2）如果插入在基因上游的调控区，其启动子和增强子可能使邻近 沉默的基因得以表达；（3）当其插入到基

15、因的编码序列或启动子序列中时可能会造成基因 失活、基因活化及基因重排等现象。第27页，共34页，2022年，5月20日，11点16分，星期四 总结： 研究表明在生物进化的过程中当一定的外源刺激激活后，反转录转座子会经过反转座作用产生新的拷贝插入到新的位点，造成生物的遗传变异，在自然选择和物种优化中起着一定的作用。已经发现反转录转座子是引起插入突变、生物多样性和重复序列产生的原因，也是基因组保持可塑性的原因。第28页，共34页，2022年，5月20日，11点16分，星期四6.8 反转录转座子的应用1、转座子用于生物多样性及遗传连锁分析2、利用转座子鉴定功能基因3、植物性状改良方面的应用第29页，

16、共34页，2022年，5月20日，11点16分，星期四 用于谱系中建立系统发生关系 SINEs以其拷贝数多、广布于整个真核基因组、以及其插入的独立性和不可逆性等特点，已经被用于动物分类中； Okada研究组首先从鲑鱼基因组中分离并分析了3个SINE家族Sma Fok和Hap,发现了SINE在鲑科鱼类属中间的特异分布。此后，以12种鲑科鱼类为材料，分析Hap家族中的几个亚家族，结果推论这12种鲑鱼分为3支并重建了系统发生树。通过SINE拷贝数和特异核苷酸鉴别位点的分析，该研究组还讨论了SINE在鲑科鱼类进化史中的水平扩增历程，并据此重建了太平洋和大西洋鲑科鱼类的系统发生树。1、转座子用于生物多样

17、性及遗传连锁分析第30页，共34页，2022年，5月20日，11点16分，星期四 非LTR反转录转座子也可作为分子标记来分析物种及属间的遗传多样性，Brassica SINE元件用于Cruciferae的遗传多样性研究，并分析Brassica栽培种和野生种间渐渗现象的发生程度。 反转录转座子分子标记IRSP、REMAP、SSAP应用于构建遗传图谱，指纹图谱、品种鉴定第31页，共34页，2022年，5月20日，11点16分，星期四2、利用转座子鉴定功能基因 1996年Hirchick等利用水稻反转录转座Tosl建立了水稻基因敲除体系(geneknock-outsystem) 1999年Sato等利用Tosl7基因敲除体系分离克隆了6个水稻knl型同源异型框基因，发现了引起水稻矮化的突变基因OSH15第32页，共34页，2022年，5月20日，11点16分，星期四3、植物性状改良方面的应用 Shimamoto