分子生物学可移位遗传因子.pptx

4.1 可移位因子的类型可移位因子的类型4.2 转座子转座子4.3 LTR逆转录转座子逆转录转座子4.4 无无LTR逆转录转座子逆转录转座子4.5 花椰菜病毒中的逆转录酶花椰菜病毒中的逆转录酶 4可移位遗传因子可移位遗传因子的发现 生生物物基基因因在在染染色色体体上上的的排排列列一一般般是是稳稳定定的的，它它们们的的遗遗传传方方式式也也是是遵遵从从孟孟德德尔尔方方式式的的。但但是是在在上上个个世世纪纪40年年代代末末，Barbara McClintock发发现现了了遗遗传传因因子子的的转转位位现现象象，她她是是在在对对玉玉米米籽籽粒粒颜颜色色变变化化的的研研究究中中发发现现这这种种现现象象的的，并并在在1951年年发发表表了了她的研究结果，对转位因子作了精确的描述。她的研究结果，对转位因子作了精确的描述。可移位遗传因子的发现 在在美美国国，人人们们见见到到的的玉玉米米籽籽粒粒大大多多是是黄黄色色的的，但但是是在在玉玉米米的的发发源源地地中中、南南美美洲洲，野野生生型型的的玉玉米米籽籽粒粒却却可可以以是是蓝蓝色色、棕棕色色和和红红色色的的。玉玉米米粒粒的的颜颜色色取取决决于于籽籽粒粒胚胚乳乳表表层层的的色色素素，而而这这种种色色素素的的合合成成是是受受基基因因调调控控的的。人人们们可可以以见见到到在在同同一一个个玉玉米米棒棒子子上上存存在着几种颜色的在着几种颜色的玉米粒，这种现象称为玉米粒，这种现象称为“斑驳斑驳”。可移位遗传因子的发现 20世世 纪纪 30-40年年 代代 从从 事事 玉玉 米米 遗遗 传传 研研 究究 的的McClintock遇遇到到的的斑斑驳驳现现象象，用用传传统统的的孟孟德德尔尔定定律律解解释释不不了了。当当按按照照孟孟德德尔尔定定律律应应是是全全部部黑黑色色籽籽粒粒玉玉米米的的时时候候，却却出出现现了了全全黑黑:花花斑斑:白白色色为为12:3:1的的分分布布。她她在在大大量量实实验验和和分分析析的的基基础础上上提提出出了了一一个个假假说说，认认为为这这些些斑斑驳驳变变异异是是特特殊殊基基因因成成分分活活动动的的结结果果。她她把把这这些些基基因因成成分分称称为为控控制制因因子子。原原来来，决决定定胚胚乳乳色色素素和和其其他他特特性性的的基基因因位位于于9号号染染色色体体。她她发发现现，9号号染染色色体体上上有有一一小小段段从从一一个个位位置置移移到到另另一一个个位位置置时时，就就会会出出现现斑斑驳驳现现象象，她她将将具具有有改改变变邻邻近近基基因因功功能能的的遗遗传材料称作传材料称作“控制因子控制因子”。可移位遗传因子的发现 1950年年她她进进一一步步发发现现玉玉米米染染色色体体组组中中存存在在着着一一个个激激活活解解离离系系统统。该该系系统统由由激激活活因因子子（Ac）和和解解离离因因子子（Ds）构构成成。它它们们在在染染色色体体上上的的位位置置不不定定，既既可可以以单单独独存存在在，又又可可以以从从一一条条染染色色体体跳跳到到另另一一条条染染色色体体上上。Ds的的功功能能是是抑抑制制邻邻近近基基因因的的表表达达，同同时时由由于于它它的的跳跳跃跃（即即转转座座）而而引引起起原原来来染染色色体体的的断断裂裂和和缺缺失失。Ac的的功功能能仅仅仅仅在在于于激激活活Ds。这这种种能能跳跳跃跃的的遗传成分就是遗传成分就是“转座基因转座基因”。可移位遗传因子的发现 当当时时她她的的工工作作并并未未引引起起人人们们的的重重视视，直直到到20世世纪纪60年年代代后后期期在在大大肠肠杆杆菌菌中中也也发发现现了了转转位位因因子子，这这才才引引起起了了对对McClintock工工作作的的重重视视，并并开开展展了了广广泛泛深深入入的的研研究究。为为此此McClintock因因其其开开创创性性的的工工作作而而获获得得了了1983年年的的生生理理学学及及医医学学诺诺贝贝尔尔奖奖。现现在在发发现现这这类类可可移移位位的的遗遗传传因因子子普普遍遍存存在在于于各各种种生生物物中中，它它们们可可以以较较频频繁繁地地在在染染色色体体DNA上上转转移移位位置置，所所以以也也称称它它们们为为跳跳跃跃基基因因。它它们们位位置置的的转转移移，会会影影响响别别的的基因表达，造成表型上的改变。基因表达，造成表型上的改变。The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1983for her discovery of mobile genetic elementsCold Spring Harbor Laboratory Cold Spring Harbor,NY,USABarbara McClintockb.1902 d.1992转座子 转转座座子子（transposon）是是一一段段可可移移位位的的DNA片片段段，两两端端有有反反向向重重复复序序列列，中中间间有有1个个或或几几个个基基因因。玉玉米米中中的的AcDs就就是是McClintock发发现现的的转转座座子子。转转座座子子的移位过程称为转座（的移位过程称为转座（transposition）。）。转转座座子子的的大大小小通通常常为为几几百百到到几几千千碱碱基基对对，大大部部分分基基因因组组含含有有几几种种转转座座子子，每每种种转转座座子子又又有有几几个个到到几几百百个个拷拷贝贝，所所有有转转座座子子也也是是基基因因组组中中的的一一种种散散布布重重复复序序列。列。典型转座子结构模式图转座的两种方式 转转座座子子可可以以被被一一些些未未知知的的信信号号激激活活，在在染染色色体体上上从从一一个个位位点点跳跳到到另另一一个个位位点点。转转座座作作用用需需经经转转座座酶酶催催化化，有有些些转转座座子子的的编编码码区区就就编编码码有有转转座座酶酶。当当转转座座酶酶基基因因受受某某种种信信号号激激活活表表达达后后，产产生生的的转转座座酶酶能能识识别别转转座座子子两两端端的的反反向向重重复复序序列列。转转座座方方式式有有两两种种，一一种种是是保保守守型型转转座座，它它将将转转座座子子从从原原位位点点切切下下，再再插插入入到到一一个个新新的的位位点点，在在插插入入位位点点处处产产生生短短的的同同向向重重复复序序列列。另另一一种种方方式式是是复复制制型型转转座座，转转座座子子发发生复制，复制的拷贝插入新的位点。生复制，复制的拷贝插入新的位点。在转座子插入处产生短的同向重复序列直接转座和复制转座直接转座和复制转座某些细菌转座子（IS）的特征插入位点处产生的插入位点处产生的正向重复序列正向重复序列转座子两端的反转座子两端的反向重复序列向重复序列IS：insertion sequencesTn转座子和复合转座子 Some transposons carry drug resistance(or other)markers）in addition to the functions concerned with transposition.These transposons are named Tn followed by a number.One class of larger transposons are called composite elements,because a central region carrying the drug marker(s)is flanked on either side by arms that consist of IS elements.复合转座子的特点 Composite transposons have a central region flanked by an IS element at each end.Either one or both of the IS elements of a composite transposon may be able to undertake transposition.A composite transposon may transpose as a unit,but an active IS element at either end may also transpose independently.含有同向IS的复合转座子含有反向IS的复合转座子自主转座子与非自主转座子 编编码码有有转转座座酶酶的的转转座座子子是是自自主主的的，它它们们能能够够启启动动自自身身的的转转座座。还还有有一一些些转转座座子子不不含含转转座座酶酶基基因因，它它们们是是不不自自主主的的，必必须须在在有有相相应应自自主主转转座座子子存存在在下下，依靠自主转座子的转座酶而转座。依靠自主转座子的转座酶而转座。玉米Ac-Ds家族 在在玉玉米米Ac-Ds家家族族中中，Ac是是自自主主转转座座子子（活活化化因因子子），Ds是是非非自自主主转转座座子子（解解离离因因子子）。Ac因因子子长长4563bp，两两端端各各有有一一个个11bp长长的的反反向向重重复复序序列列，从从约约300bp处处开开始始至至约约4300bp处处为为转转录录区区域域，其其中中有有5个个外外显显子子和和4个个内内含含子子，形形成成一一个个长长约约3.5kb的的mRNA，该该mRNA翻翻译译出出一一个个807个氨基酸的转座酶。个氨基酸的转座酶。图图44 玉米转座子玉米转座子 Ac 以及衍生的以及衍生的几种几种 Ds 结构结构图图45 Ac-Ds 转座使玉米籽粒颜色转座使玉米籽粒颜色产生变异产生变异Ds 因子的类型 按按Ds内内部部序序列列的的结结构构和和功功能能不不同同，将将它它们们分分为为型型和和型型。当当型型Ds因因子子插插入入某某个个基基因因时时，通通常常会会引引起起染染色色体体断断裂裂，回回复复突突变变率率低低；而而型型Ds因因子子几几乎乎不不引引起起染染色色体体断断裂裂，回回复复突突变变率率高高。在在结结构构上上型型Ds因因子子是是Ac因因子子的的简简单单缺缺失失，型型Ds因因子子却却是是两两个个相相邻邻或或是一个是一个Ds反向插入另一个反向插入另一个Ds中形成双中形成双Ds因子。因子。Ac和Ds因子两端序列的作用 Ac和和Ds因因子子两两端端的的序序列列是是转转座座酶酶的的识识别别位位点点，两两端端反反向向重重复复序序列列的的存存在在可可以以使使转转座座子子形形成成茎茎环环结结构构，若若插插入入基基因因中中的的转转座座子子的的末末端端序序列列发发生生了了变变化化，它就不能再割离了，使突变成为永久性的。它就不能再割离了，使突变成为永久性的。将将Ac因因子子引引入入烟烟草草、马马铃铃薯薯、番番茄茄、胡胡萝萝卜卜、拟南芥、矮牵牛中，拟南芥、矮牵牛中，Ac因子因子能正常转座。能正常转座。寻找转座子的方法 由由于于对对转转座座子子编编码码蛋蛋白白了了解解很很少少，并并且且这这些些蛋蛋白白的的含含量量也也很很低低，难难以以检检测测和和纯纯化化，所所以以一一般般不不用用分分离离其其mRNA再再做做成成cDNA克克隆隆、制制备备cDNA探探针针的的方方法法来来寻寻找找转转座座子子，而而是是找找出出带带有有转转座座子子的的突突变变基基因，再从中找出转座子的方法来寻找因，再从中找出转座子的方法来寻找转座子。转座子。Spm家族 Spm家家族族（Suppressor/Mutator）由由自自主主的的Spm因因子子和和大大量量的的非非自自主主的的dSpm因因子子组组成成。Spm长长8.3kb，两两端端为为13bp的的反反向向重重复复序序列列，中中间间编编码码一一个个5.8kb的的前前体体mRNA，通通过过对对前前体体mRNA的的不不同同加加工工，产产生生2500bp（tnpA）和和 6000bp（tnpB）两两 种种 不不 同同 的的mRNA，合合成成出出两两种种不不同同的的蛋蛋白白，即即67kD的的TNPA和和132kD的的TNPB，TNPA的的表表达达量量比比TNPB高高100倍倍。Spm的的插插入入在在插插入入位位点点产产生生3bp的的正正向向重重复复序序列列。dSpm是是Spm缺缺失失所所成成（图图46），因因Spm-w只只缺缺失失了内含子部分，所以它有弱的自主性。了内含子部分，所以它有弱的自主性。图图46 玉米转座子玉米转座子Spm以及以及 几个非自主衍生物的结构几个非自主衍生物的结构 转座子转座与基因表达 转转座座子子的的转转座座可可以以起起到到一一种种开开关关作作用用而而影影响响基基因因的的表表达达，引引起起暂暂时时性性的的突突变变。也也有有一一些些转转座座子子由由于于丧丧失失了了从从染染色色体体上上割割离离下下来来的的能能力力，而而使使突突变变成成为为永永久久性性的的。因因转转座座是是经经常常发发生生的的，所所以以由由转转座座子子转转座座引引起起的突变最显著的特点是其不稳定性。的突变最显著的特点是其不稳定性。转座子转座与基因表达 当当转转座座子子插插入入到到一一个个基基因因的的启启动动区区或或调调节节区区，会会抑抑制制或或促促进进该该基基因因的的表表达达。当当转转座座子子插插入入到到一一个个基基因因的的编编码码区区，往往往往会会使使该该基基因因编编码码的的蛋蛋白白质质失失去去功功能能。比比如如说说一一个个转转座座子子跳跳到到一一个个参参与与花花色色素素苷苷生生物物合合成成的的基基因因中中，就就可可能能产产生生一一个个突突变变体体，使使本本来来开开紫紫花花的的植植物物变变成成开开白白花花。在在一一般般情情况况下下，由由转转座座子子转转座座产产生生的的突突变变体体不不太太稳稳定定，因因此此，一一旦旦该该转转座座子子从从该该基基因因中中转转移移走走，又又可可以以恢恢复复开开紫紫花花的的表表型型。转转座座子子的的转转座座若若发发生生在在性性细细胞胞中中，可可以以产产生生较较稳稳定定的的突突变变体体后后代代，由由开开紫紫花花的的亲亲本本变变成成开开白白花花的的子子代代。若若转转座座发发生生在在体体细细胞胞中中，则则可可以以开开出出不不同同颜颜色色的的花花，甚甚至至在在一一朵朵花花上上出出现现不同颜色的花瓣。不同颜色的花瓣。转座频率 转转座座子子的的转转座座有有一一定定的的频频率率，细细菌菌中中的的转转座座频频率率为为每每世世代代细细胞胞105107，切切除除频频率率为为每每世世代代细细胞胞1061010。果果蝇蝇copia的的转转座座频频率率为为每每世世代细胞代细胞103104。图图48 转座子移位导致靶基因转座子移位导致靶基因 DNA序列的突变序列的突变 转座子插入染色体靶位点转座子插入染色体靶位点转座子移出靶位点转座子移出靶位点转座子被不转座子被不完全切除完全切除转座子被完全切除，转座子被完全切除，留下短序列重复留下短序列重复转座子切除后，留下转座子切除后，留下额外反向靶位点序列额外反向靶位点序列切除时，造成切除时，造成靶位点缺失靶位点缺失逆转录转座子 真真核核生生物物中中有有一一些些可可移移位位遗遗传传因因子子，它它们们在在转转座座时时必必须须有有逆逆转转录录发发生生，故故把把这这类类可可移移位位因因子子称称为为逆逆转转录录转转座座子子，并并把把它它们们的的转转位位过过程程称称为为逆逆转转座座作作用用（retroposition）。逆逆转转录录转转座座子子又又分分为为病病毒毒类类逆逆转转录录转转座座子子（LTR逆逆转转录录转转座座子子）和和非非病病毒毒类类逆逆转转录录转转座座子子（无无LTR逆逆转转录录转转座座子子）两两类类，前前者者的的两两端端有有长长的的同同向向重重复复序序列列，后后者者常常含含有有3末末端端poly（A）序列。）序列。LTR逆转录转座子 逆逆转转录录转转座座子子与与某某些些病病毒毒很很相相似似。逆逆转转录录转转座座子子和和逆逆转转录录病病毒毒都都是是可可移移动动的的遗遗传传因因子子，两两者者都都含含有有促促进进它它们们在在细细胞胞中中进进行行复复制制的的信信息息，都都需需要要逆逆转转录录的的过过程程；病病毒毒不不同同于于转转座座子子主主要要是是在在生生活活周周期期的的某某些些阶阶段段由由蛋蛋白白质质包包装装成成病病毒毒颗颗粒粒。为为了了更更好好地地了了解解逆逆转转录录转转座座子子，有有必必要要先先了了解解一一下下逆逆转转录录病病毒毒的的结构和生活史。结构和生活史。逆转录病毒 逆逆转转录录病病毒毒具具有有单单链链正正义义RNA基基因因组组，大大多多数数植植物物病病毒毒也也是是具具有有单单链链正正义义RNA基基因因组组，但但逆逆转转录录病病毒毒生生活活史史中中须须经经过过逆逆转转录录，而而具具有有单单链链正正义义RNA基基因因组组的的植植物物病病毒毒的的生生活活史史中中没没有有逆逆转转录录过过程程。已已知的逆转录病毒只侵染动物知的逆转录病毒只侵染动物细胞。细胞。逆转录逆转录病毒生病毒生活周期活周期模式图模式图 逆逆 转转 录录病病毒毒由由单单链链RNA、逆逆转转录录酶酶、衣衣壳壳蛋蛋白白、外外膜膜蛋蛋白白组组成成。艾艾滋滋病病毒毒和和乙乙肝肝病病毒毒都都是是逆逆转转录录病病毒。毒。原病毒 DNA 由由逆逆转转录录酶酶转转录录出出的的双双链链DNA称称为为原原病病毒毒DNA（provirus）。原原病病毒毒DNA与与单单链链正正义义RNA有有所所不不同同，前前者者两两端端有有长长末末端端重重复复（long terminal repeats，LTRs，U3-R-U5），而而LTR本本身身两两端端有有短短的的反反向向重重复复序序列列。原原病病毒毒DNA能能插插入入到到寄寄主主细细胞胞染染色色体体的的几几乎乎所所有有位位点点上上，在在插插入入处处造造成成短短的的正正向向重重复序列，所以原病毒复序列，所以原病毒DNA与转座子与转座子很相似。很相似。原原病病毒毒DNA插插入入染染色色体体后后，可可随随着着寄寄主主染染色色体体的复制而复制，随着细胞的分裂而传给子代细胞。的复制而复制，随着细胞的分裂而传给子代细胞。逆转录病毒的基因 在在原原病病毒毒DNA中中间间的的编编码码区区有有三三个个基基因因：gag基基因因编编码码衣衣壳壳蛋蛋白白，pol基基因因编编码码逆逆转转录录酶酶和和整整合合酶酶，env基基因因编编码码外外膜膜蛋蛋白白。自自组组装装的的病病毒毒可可以以通通过过出出芽芽方方式式分分泌泌出出去去，再再感感染染其其它它细细胞胞，从从原原病病毒毒DNA上上转转录录下下来来的的mRNA经经过过加加工工，有有的的用用来来翻翻译译蛋蛋白白质质，有的用作子代病毒的基因组有的用作子代病毒的基因组RNA。图图410 逆转录病逆转录病毒原病毒毒原病毒DNA的结的结构及转录构及转录表达过程表达过程LTR逆转录转座子 LTR逆逆转转录录转转座座子子的的结结构构与与逆逆转转录录病病毒毒的的原原病病毒毒DNA很很相相似似，也也以以长长末末端端重重复复为为两两端端，一一端端带带有有被被寄寄主主细细胞胞RNA聚聚合合酶酶启启动动转转录录的的信信号号。但但逆逆转转录录转转座座子子只只编编码码与与逆逆转转录录病病毒毒的的逆逆转转录录酶酶和和整整合合酶酶有有相相当当同同源源性性的的逆逆转转录录酶酶和和整整合合酶酶，没没有有编编码码衣衣壳壳蛋蛋白白和和外外膜膜蛋蛋白白的的基基因因，所所以以可可以以把把逆逆转转录录转转座座子子看成是缺损了的逆转录病毒。看成是缺损了的逆转录病毒。LTR逆转录转座子的结构模式NA：核酸结合位点：核酸结合位点 PR：蛋白酶：蛋白酶 RT：逆转录酶：逆转录酶RH：RNase H IN：整合酶：整合酶transcriptiongagpol NA PR R T RH IN U3 R U5U3 R U5LTRLTR逆转录转座子LTR的性质 类型类型名称名称末端末端5 3LTR长度长度/bp左左 右右靶位点侧向重复序列靶位点侧向重复序列copia型型Ta1Tnt1Tst1TG CATG CATG CA514 514610 610285 283ATCAA,CTTTC,TTTAT GAAGTTAGTCgypsy型型Del1IfgTG CATG CA2406 2415331 333ATTTT,TATATAAGTA,ATATA/C未确定未确定类型类型Cin1Bs1Wis-2Pdr1TG CATG CATG CATG CA691（单（单LTR）302 302？156 156CTCG,ATAAT,GTTAGGCCACGGTACATACC无LTR逆转录转座子NA：核酸结合位点：核酸结合位点 RT：逆转录酶：逆转录酶 RH：RNase H IN：整合酶：整合酶transcriptionORF1 ORF2 NA R T (RH)(IN)无无LTR逆逆转转录录转转座座子子两两端端不不具具有有同同向向或或反反向向重重复复序序列列，一一般般含含有有poly(A)尾尾，在在插插入入点点可可产产生生721bp的的正正向向重重复复。中中间间往往往往含含有有ORF，但但因因其其无无启动子，一般不能表达。启动子，一般不能表达。无LTR逆转录转座子的来源 这这类类转转座座子子是是部部分分的的或或完完全全的的细细胞胞RNA分分子子的的DNA拷拷贝贝，它它们们是是由由细细胞胞中中的的RNA分分子子经经逆逆转转录录产产生生的的。除除了了rRNA不不能能产产生生无无LTR逆逆转转录录转转座座子子外外，mRNA和和tRNA都都可可以以产产生生无无LTR逆逆转转录录转转座座子子。由由mRNA产产生生的的这这种种转转座座子子成成为为假假基基因因，假假基基因因不不含含内内含含子子，含含有有poly(A)尾尾，因因没没有有启启动动子子，故故不不能能表达。表达。Cin4整合机制的模式 无无LTR逆逆转转录录转转座座子子的的转转座座是是被被动动的的，需需要要利利用用其其它它来来源源的的逆逆转转录录酶酶。关关于于它它们们转转座座的的机机制制知知之之不不多。多。