分子遗传学反转录转座子

关于分子遗传学反转录转座子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，2024年2月25日，星期天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，2024年2月25日，星期天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(reversetranscriptase),

整合酶(integrase)

负责将DNA整合到宿主基因组中，这两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，2024年2月25日，星期天艾滋病病毒(HIV)第5页,共34页，2024年2月25日，星期天反转录病毒颗粒示意图(P295)第6页,共34页，2024年2月25日，星期天Retrovirusreplication(Theretroviruslifecyclep312)第7页,共34页，2024年2月25日，星期天逆转录病毒的繁殖周期①吸附于细胞表面的受体；②核侵入宿主细胞；③病毒RNA→转录为DNA；④以DNA为模板复制DNA；⑤部分整合于宿主细胞DNA形成前病毒；⑥前病毒利用宿主RNA聚合酶合成病毒RNA；⑦RNA再翻译成蛋白质；⑧病毒粒的装配；⑨病毒的出芽及包膜的形成。第8页,共34页，2024年2月25日，星期天ThereproductivecyclesofretrovirusesandretroposonsinvolvealternationofreversetranscriptionfromRNAtoDNAwithtranscriptionfromDNAtoRNA.Onlyretrovirusescangenerateinfectiousparticles.Retroposonsareconfinedtoanintracellularcycle.第9页,共34页，2024年2月25日，星期天

Theretroviruslifecycleinvolvestransposition-likeevents

reversetranscriptaseintegraseRNA→DNA→RNA第10页,共34页，2024年2月25日，星期天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，2024年2月25日，星期天Thegenesoftheretrovirusareexpressedaspolyproteinsthatareprocessedintoindividualproducts.5%第12页,共34页，2024年2月25日，星期天反转录病毒颗粒示意图(P295)gaggaggagenvenvpolpolpol第13页,共34页，2024年2月25日，星期天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100~200bp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，2024年2月25日，星期天RetroviralRNAendsindirectrepeats(R),thefreelinearDNAendsinLTRs,andtheprovirusendsinLTRsthatareshortenedbytwobaseseach.envenvenv第15页,共34页，2024年2月25日，星期天MinusstrandDNAisgeneratedbyswitchingtemplatesduringreversetranscription.第16页,共34页，2024年2月25日，星期天SynthesisofplusstrandDNArequiresasecondjump.第17页,共34页，2024年2月25日，星期天MinusstrandDNAisgeneratedbyswitchingtemplatesduringreversetranscription.SynthesisofplusstrandDNArequiresasecondjump.第18页,共34页，2024年2月25日，星期天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，LTR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，2024年2月25日，星期天Integraseistheonlyviralproteinrequiredfortheintegrationreaction,inwhicheachLTRloses2bpandisinsertedbetween4~6bprepeatsoftargetDNA.第20页,共34页，2024年2月25日，星期天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Ⅲ转录成的假基因

末端特性

长末端重复

无重复

靶位重复4-6bp16-621bp

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，2024年2月25日，星期天Retroposonsthatarecloselyrelatedtoretroviruseshaveasimilarorganization,butLINESshareonlythereversetranscriptaseactivity.第22页,共34页，2024年2月25日，星期天Retro­transpositionofnon-LTRelementsoccursbynickingthetargettoprovideaprimerforcDNAsynthesisonanRNAtemplate.Thearrowheadsindicate3ends.Forexample,LINESdonothaveLTRsandrequiretheretroposontocodeforanendonucleasethatgeneratesanicktoprimereversetranscriptionPrimingresultsfromnicking第23页,共34页，2024年2月25日，星期天

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，2024年2月25日，星期天Fourtypesoftransposableelementsconstitutealmosthalfofthehumangenome.第25页,共34页，2024年2月25日，星期天问题

1、反转录转座子在基因组中有什么作用？

第26页,共34页，2024年2月25日，星期天

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，2024年2月25日，星期天

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，2024年2月25日，星期天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,共34页，2024年2月25日，星期天

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SmaⅠFokⅠ和HapⅠ,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HapⅠ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性及遗传连锁分析第30页,共34页，2024年2月25日，星期天②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，BrassicaSINE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。③反转录转座子分子标