第11章--转座因子的遗传分析.ppt

1、遗 传 学,第11章 转座因子的遗传分析,本章主要内容,第1节 转座因子的发现与分类 第2节 原核生物中的转座因子 第3节 真核生物中的转座因子 第4节 转座作用的分子机制 第5节 转座因子的遗传学效应及其应用,第1节 转座因子的发现与分类,1914年，Emerson在研究玉米果皮色素遗传过程中，发现一种花斑果皮的突变类型。,（1） 玉米花斑的发现,1938年，Rhoades研究玉米籽粒糊粉层色素遗传，首次报道一个基因的遗传不稳定性受到一个独立基因的控制，但也未揭示其遗传机制,A1，a1的不稳定性,a1a1Dt_中，发生回复突变，即a1A1； 对a1a1Dt_(花斑)进行测交，后代完全有色（理

2、论上应为部分有色），表明在亲本a1是一种回复突变率很高的基因， 其不稳定性与Dt基因密切相关。 Rhoades已发现了某些基因的不稳定性，而且这种不稳定性是由另一个独立的因子所控制。但仍未揭示这种不稳定性的遗传学机制。,1940-1950年，McClintock研究了玉米胚乳的紫色、白色以及白色背景上带有的紫色斑点这些表型之间的相互关系,McClintock的实验,花斑表型是不稳定的，推断“花斑”表型并不是一般的基因突变产生的，而是由一种控制因子的存在所导致的。,A(anthocyan)花色素 C(color)决定红色和紫色的发生 R(red)红色，以A、C为先决条件 Pr(purple)紫色

3、，以A、C、R为先决条件 I(inhibitor)抑制C基因的作用,控制玉米糊粉的基因,McClintock认为花斑表型是不稳定的，并推断“花斑” 表型并不是一般的基因突变产生的，而是由于某种控制因子的存在所导致的； 玉米带有野生型C基因，则胚乳呈紫色；C基因的突变阻断了色素的合成，胚乳呈白色；在胚乳发育过程中，突变发生回复导致斑点的产生。,McClintock的解释,有色基因C可使籽粒呈现颜色，但在C旁由一个“可移动的遗传因子”，即Dissociator (Ds)，Ds可以移动并插入到C基因中； 当Ds从C上移走后，C作用恢复，出现颜色；花斑的大小是Ds从C上移走的早晚引起的，移走的早，花斑

4、就大，反之就小； Ds的移动还受另一个控制因子Activator (Ac)的控制，当Ac存在时，Ds可移动；Ac丢失，则Ds不能移动。,McClintock于 1951年提出转座因子学说：生物基因组中存在转座子，这些转座因子既可以沿染色体移动，也可以在不同染色体之间跳跃。因此，转座因子又可称为跳跃基因（jumping gene），但未受到重视 。,（2）Mc Clintock的转座因子学说,（3） 乳糖操纵子的发现,1967年，Shapiro在E.coli中发现半乳糖操纵子(gal), dgal-的密度 dgal+的密度,发现半乳糖操纵子(gal),出现一个多余的 DNA 环（IS1）,转座因

5、子被认可,2. DNA转座因子,转座(transposition)：基因组内一段相对独立的、可移动序列，它们不必借用噬菌体或质粒的形式就可以从基因组的一个部位直接转移到另一个部位，这个过程称为转座。 转座子每次移动时携带着转座必需的基因一起在基因组内跃迁，所以转座子又称跳跃基因(jumping gene),转座子的转座特点,基因组内移动 不依赖于供体与受体间的序列关系 一般仅移动转座子序列本身,转座因子分类,DNA转座子 直接以DNA序列某些区段作为转座成分 反转录转座子 以RNA介导转座,1. DNA转座子,复制型转座 非复制型转座 保守型转座,复制型转座,概念：转座过程中，转座子被复制，一

6、个拷贝保留在原位点，另一份拷贝插入到新的位点，转座的DNA序列实际上是原转座子的一个拷贝 转座过程伴随着转座子拷贝数的增加 转座酶、解离酶 如：TnA转座子家族,非复制型转座,概念：转座因子作为一个物理性实体，直接由一个位点转移到另一个位点 保守性强 需要转座酶 如：Tn10与Tn5,保守型转座,概念：保守型转座是转座元件从供体部位被切除并通过一系列的过程插入到靶部位，在该过程中每个核苷键皆被保留； 保守型转座是另一种非复制型的转座过程； 与 噬菌体整合机制非常相似，其转座酶与 整合酶也相关。,概念：由RNA介导，通过反转录酶将转座子RNA拷贝为cDNA后再整合到宿主基因组中形成转座，称为反/

7、逆转座子或反转录转座子 类型：反转录转座子和反转录病毒 只在真核生物基因组中发现,反转录转座子,反转录转座子与反转录病毒基因组比较,反转录病毒的基因组为RNA 分子，感染细胞时在反转录酶的作用下将 RNA 拷贝为 DNA，然后整合到宿主基因组中；反转录转座子是DNARNA 整合宿主中； 反转录转座子具有类似ERV的顺序，没有编码外壳蛋白的基因，不会包装形成具有蛋白质外壳的颗粒； 长散在核元件含有与反转座有关的类反转座基因； 短散在核元件本身无反转座酶基因，但可借用宿主中的反转座酶实现转座。,第2节 原核生物中的转座因子,原核生物的转座因子类型： 插入序列（insertion sequence，

8、IS） 转座子（transposon，Tn） 转座噬菌体（Muphage，Mu）,1. 插入序列,插入序列：原核生物中其中最简单的转座因子，不含任何宿主基因的可转位的 DNA 序列； 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多个 IS 序列 携带有介导自身转座的转座酶,IS元件是独立的结构单位，每个元件只编码为自身转座所需要的蛋白质； IS元件的末端为短的反向末端重复序列(IR)：在同一多核苷酸链内下游存在着与上游某一段序列的互补序列反向的序列。,含有IS的质粒经变性后形成颈环（或哑铃状）结构,IS的特点,长度在768-5 700 bp； 本身没有表型效应，只携带转座酶基

9、因； 两端几个到几十个bp的核苷酸顺序完全相同或相近，但方向相反，称为反向重复序列(IR)； 插入后引起靶DNA序列多数为5-11bp的正向重复； 一般情况下，转座频率为10-4-10-3/世代，恢复频率为10-7-10-6/世代。,转座子(transposon, Tn),一类较大的转座子：2000-25000bp，两端反向重复序列； 含有与转座有关的基因外，还带有抗药基因以及其它基因； 分为简单转座子和复合转座子； 某些Tn的反向重复序列是已知的IS，带有IS的Tn也称为复合型转座子，如Tn5、Tn10、Tn903；不含有IS的Tn称为简单转座子，如Tn3。 没有 IS 序列的、体积庞大的转

10、座子 TnA 家族,复合转座子,简单转座子,Tn3转座子,不含IS，为简单转座子； 含有3个基因：编码-内酰胺酶的氨苄青霉素抗性基因(ampR)，转座酶基因(tnpA)和编码一种阻遏物的调节基因(tnpR)； 两端为IR。,Tn5转座子,TnA 转座子,转座噬菌体(mutator phage, Mu),是大肠杆菌的温和噬菌体，38 000 bp的线状DNA； Mu的特点： 几乎可以插入宿主染色体任何一个位置上； 游离Mu和已经插入的Mu基因次序是相同的； 两端没有粘性末端，插入某基因中就引起该基因突变。,第3节 真核生物中的转座子,酵母基因组中的转座子 果蝇基因组中的转座子 玉米基因组中的转座

11、子 人类基因组中的转座子,酵母基因组中的转座子,酵母的Ty系列(transposon yeast, Ty)转座子 Ty1为5 900 bp，两端含有两个称为的正向重复序列； 重复序列长约340 bp，具有较高的A、T含量；含有一个启动子和一段被转座酶识别的序列。,Ty插入酵母菌染色体后，受体上就会出现5 bp的正向重复序列，与细菌中转座子作用相似。 可能发生类似于细菌中复制重组过程形成的小环，丢失一个 ，而留在酵母中的 称为 Solo ,Solo 的形成,Ty因子的转座是通过一种RNA中间物进行的，类似于反转录病毒的复制和整合，所以Ty1因子也称作反转录转座子 Ty1因子转座时首先以 DNA为

12、模板合成一个拷贝的RNA，再通过反转录合成一条新的Ty1因子，最后这条新的Ty1转座子再插入到新的位点上。,属于复制型转座,酿酒酵母的两种接合型的控制基因和a基因都可以转座 特殊性：只能转座到MAT座位上,果蝇基因组中的转座子,杂种劣育：在黑腹果蝇的一些品系间杂交子代出现某些异常现象：如卵巢发育不全、分离比异常、高突变率、染色体畸变等。 P品系：作为父方造成杂种劣育 M品系：作为母方造成杂种劣育,P因子,P品系的细胞中有导致杂种劣育的遗传因子称为P因子,全长2 907bp，两端有31 bp 的IR区； P 因子有 4个编码区（ 0、1、2、3 ）、3个内含子（ 1、2、3） 体细胞中，内含子1

13、、2被切除，外显子0、1、2被翻译成转录阻遏蛋白转录活性的抑制因子 生殖细胞中，全部4个外显子被翻译成转座酶，导致P因子转座，配子败育,M品系果蝇缺失阻遏蛋白,M品系缺失阻遏蛋白,果蝇的 P因子与杂种劣育,P因子插入后在靶DNA序列形成8bp正向重复序列； 切离：P因子可以从原来的位置上消失，这一过程称为切离(excision)； P因子的准确切离对遗传具有重要的意义； P因子的位置和数目：不同果蝇品系的基因组中P因子的位置、数目均不相同(30-50 copy)； 引起插入突变：P因子的插入而发生突变的基因有白眼(w)、焦刚毛(sn)、黄体(y)等。,果蝇的转座子（P因子）,Ac：activa

14、tor激活因子 长4563 bp，转录生成长 3500 nt单一的RNA，含一个长 807个密码子的开放阅读框。两端具有长 11 bp 的反向重复序列，在 Ac因子的插入位点上，两段反向重复序列之外各接有一段 8 bp的染色体 DNA 正向重复序列； 含有 4个内含子和 5个外显子 ， 可能编码与转座有关的转座酶； 具有活性的转座酶基因，可自主移动，为自主元件。,玉米基因组中的转座子（Ac-Ds家族）,Ds：dissociate解离因子 Ds: dissociate解离因子，在9号染色体上，是转座酶基因有缺失的Ac元件，需有Ac的存在才起作用，为非自主元件； Ds具有11 bp的反向重复序列和8 bp的染色体 DNA正向重复序列。,全长4563 bp，4个内含子，5个外显子,11bp反向重复序列,人类基因组中的转座子,长散在重复序列(LINE) 短散在重复序列(SINE) 反转录病毒类转座子 DNA转座子,第4节 转座作用的分子机制,复制型转座机制,转座子是以它的一个复制品转移到另一位置的，而在原来位置上仍然保留着原有的转座子； 转座过程是发生在特定的位点遗传重组过程 ； 伴随着DNA的合成，所以是复制式的位点专一性重组。,非复制型转座机制,2. 反转录转座子的转座机制,（1） 反转录病毒的转座机制,反转录病毒将其RNA基因组的DNA拷贝插入宿主细胞的染色体中而产生的,反转录病毒