第六节DNA的转座.ppt

分子生物学分子生物学1第六节 DNA的转座（1学时）v一、转座子的分类和结构特征一、转座子的分类和结构特征v二、转座作用的机制二、转座作用的机制v三、转座作用的遗传学效应三、转座作用的遗传学效应v四、真核生物的转座子四、真核生物的转座子v1、玉米中的控制因子、玉米中的控制因子v2、果蝇中的转座子、果蝇中的转座子 2一、转座子的分类和结构特征一、转座子的分类和结构特征1 1、定义、定义DNADNA的转座，或称移位（的转座，或称移位（transpositiontransposition），是由可移动因子），是由可移动因子（transposable elementtransposable element）介导的遗传物质重排现象。）介导的遗传物质重排现象。vvTransposable ElementsTransposable Elements：are sections of DNA(are sections of DNA(sequence elements)that move,or transpose,from one sequence elements)that move,or transpose,from one site in the genome to another.site in the genome to another.转座因子（transposible element）也称作跳跃基因（jumping gene）或可移动基因（movable gene）转座子（转座子（transposon,Tn,Tn）：）：是是存在与染色体存在与染色体DNA上可自主复制和上可自主复制和位移的基本单位位移的基本单位，在复制过程中可以，在复制过程中可以“随机地随机地”插入到染色体或插入到染色体或质粒上，也可以作为一个单位被切割下来插入到另一条染色体或质粒上，也可以作为一个单位被切割下来插入到另一条染色体或质粒上。质粒上。vA A transposon(transposable element)is a DNA sequence able to is a DNA sequence able to insert itself(or a copy of itself)at a new location in the genome,insert itself(or a copy of itself)at a new location in the genome,without having any sequence relationship with the target locus.without having any sequence relationship with the target locus.3跳跃基因（Jumping gene、movable gene）（Transposable element）基因转座现象的发现1914 A.Emerson Cornell university玉米种子色素的遗传：回复突变花斑玉米果皮花斑突变 pV V pv v 1936 Marcus.M.Rhoades Indiana University 玉米糊粉层斑点（Dotted Dt）突变 玉米种子糊粉层色素遗传：二个基因相互作用，与回复突变有关。A aDt Dta A4McClintockMcClintock（19441944）：）：玉米第玉米第 9 9 条染色体三个连锁基因：条染色体三个连锁基因：想通过想通过“桥断片桥桥断片桥”去掉染色体末端的基因去掉染色体末端的基因 C C。但是发现：但是发现：常常得到的是从着丝粒与常常得到的是从着丝粒与常常得到的是从着丝粒与常常得到的是从着丝粒与WxWx之间断裂的，丢失三之间断裂的，丢失三之间断裂的，丢失三之间断裂的，丢失三 个基个基个基个基因的染色体。她定义为因的染色体。她定义为因的染色体。她定义为因的染色体。她定义为“Ds”Ds”（dissociationdissociation）偶尔发现偶尔发现偶尔发现偶尔发现 Ds Ds 可以跳到可以跳到可以跳到可以跳到 C C 内的某一位置：种子为无色内的某一位置：种子为无色内的某一位置：种子为无色内的某一位置：种子为无色 在种子发育过程中，在种子发育过程中，在种子发育过程中，在种子发育过程中，Ds Ds 可以从可以从可以从可以从 C C 跳出：种子大部分无色，跳出：种子大部分无色，跳出：种子大部分无色，跳出：种子大部分无色，少少少少 量斑点。量斑点。量斑点。量斑点。DsDs Wx Sh Wx Sh C C56玉米糊粉层色斑不稳定遗传是玉米糊粉层色斑不稳定遗传是由可转座因子由可转座因子Ac-Ds引起引起 -19471951年，通过对玉米籽粒色斑不稳定遗传现象，年，通过对玉米籽粒色斑不稳定遗传现象，B.McClintock(美美)首次提出转座首次提出转座子的概念子的概念Ds-Ac系统系统(Dissociation-ActivationSystem)：抑制因子（抑制因子（inhibitor,I)，后改称为解离因子，后改称为解离因子(dissociator,Ds)。激活因子激活因子(activator,Ac),能够控制能够控制Ds因子。因子。72 2、原 核 生 物 转 座 因 子 的 种 类v包括以下四类：包括以下四类：1）插入序列（插入序列（insertionalsequence，IS）2）复杂型转座子复杂型转座子:TnA家族（家族（TnA family）3）转座噬菌体转座噬菌体（Transposable phage）4）复合式转座子（复合式转座子（composite transposon）81）插入序列（insertion sequenceinsertion sequence，IS IS）v最简单的转座子最简单的转座子插入序列，是细菌染色体或插入序列，是细菌染色体或质粒的正常组成成分。质粒的正常组成成分。v不含有任何宿主基因。不含有任何宿主基因。GATCGTC-GACGATCl700 2000 base pair（bp）IR IRGATCGTC-GACGATCCTAGCAG-CTGCTAGStem-loop 5 GATCGTC 3 CTAGCAG9插入序列转座插入序列（insertion sequences，IS）：长750 1500bp组成：反向重复序列：941bp，位于两侧转座酶编码基因：产物引起转座，位于中间正向重复序列：412bp，位于反向重复序列外侧，为插入序列所特有10插入序列（插入序列（insertional sequence,IS）1.最简单的转座子最简单的转座子,不含有任何宿主基因。不含有任何宿主基因。2.是很小的是很小的DNA片段片段(约约1kb)，末端具有倒置重复序列。，末端具有倒置重复序列。3.转座时常复制宿主靶位点转座时常复制宿主靶位点415bp的的DNA形成正向重复区。形成正向重复区。4.大部分大部分IS序列只有一个开放读码框。序列只有一个开放读码框。5.是细菌染色体或质粒是细菌染色体或质粒DNA的正常组成部分。的正常组成部分。11Individual elements comprise transposable units or modules of composite transposonsIRIRIRIRDRDRDRDR标准命名法标准命名法12IS的转座机制的转座机制IS的结构的结构132 2）Transposon(Tn/TnA family)Transposon(Tn/TnA family)2.5 kb 20 kb 具有IR、转座酶基因、调节基因、抗抗生素基因 l lTn1(AmpR)Tn2(AmpR)Tn3(AmpR)Tn4(AmpRStrR)Tn5(KanR)Tn6(kanR)Tn7(StrRTmpR)Tn9(CamR)Tn10(TetR)lTn3IRTnpAResTnpRAmpRIR37bp37bptransposaseregulator-lactamase14v如如Tn3Tn3含有含有3 3个基因：编码个基因：编码-内酰胺酶的氨苄青内酰胺酶的氨苄青霉素抗性基因（霉素抗性基因（ampkampk）,转座酶基因（转座酶基因（tnpAtnpA）和）和编一种阻遏物的调节基因（编一种阻遏物的调节基因（tnpktnpk）。）。15TnA家族家族vTnA族族Tn:两端是正向或反向重复序列，中间有与两端是正向或反向重复序列，中间有与Tn功能相关功能相关的基因（编码转座酶）及抗生素抗性基因。总是作为一个单位进的基因（编码转座酶）及抗生素抗性基因。总是作为一个单位进行转座，其末端不能单独转座。行转座，其末端不能单独转座。v1.1.没有没有IS序列的、体积庞大序列的、体积庞大(5 000bp以上以上)的转座子。的转座子。v2.常带有常带有3个基因，一个编码个基因，一个编码-内酰胺酶内酰胺酶(AmpR)，另两个则是，另两个则是转座作用所必须的。转座作用所必须的。v3.所有所有TnA类转座子两翼都带有类转座子两翼都带有38bp的倒置重复序列。的倒置重复序列。163）转座噬菌体 Mu phage 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attLCABSUattR150bp1.5kbG 倒位区倒位区 38kbPgin17Mu噬菌体（即 mutator phage，诱变噬菌体）v它是E.coli的一种温和噬菌体。v与必须整合到宿主染色体特定位置上的一般温和噬菌体不同，Mu噬菌体并没有一定的整合位置。v与以上的IS和Tn两种转座因子相比，Mu噬菌体的分子量最大（37kb），它含有20多个基因。vMu噬菌体引起的转座可以引起插入突变，其中约有2%是营养缺陷型突变。Mu噬菌体的结构噬菌体的结构18 sv 56kdu 21kd sv 48kdu 26kdMuphage的转座与基因表达 P 倒位酶P194）复合因子）复合因子 （composite element/composite transposoncomposite element/composite transposon）IS插入到功能基因两端，可能插入到功能基因两端，可能形成复合转座因子形成复合转座因子IS ISISISLISR臂中心区臂transpositionmutation复合型转座子的结构复合型转座子的结构20复合式转座子（复合式转座子（composite transposon）v1.是一类带有某些抗药性基因是一类带有某些抗药性基因(或其他宿主基因或其他宿主基因)的转座的转座子。子。v2.两翼往往是两个相同或高度同源的两翼往往是两个相同或高度同源的IS序列。序列。v3.IS序列就不能再单独移动，只能作为复合体移动。序列就不能再单独移动，只能作为复合体移动。2122 复合转座子一旦形成，转座功能受较多因子调控复合转座子一旦形成，转座功能受较多因子调控 结构特点结构特点IRIRIRIRIRIRIS10LTn10(9.3kb)IS10RIRIRIRIRDRDRIS1LTn9(2.5kb)IS1R23第二节、转座作用的机制第二节、转座作用的机制v转座发生时，受体分子中有一段很短的（转座发生时，受体分子中有一段很短的（312bp）、被称为靶序列的）、被称为靶序列的DNA会被复制，使插入的转会被复制，使插入的转座子位于两个重复的靶序列之间。座子位于两个重复的靶序列之间。v靶序列的复制可能起源于特定内切酶所造成的黏靶序列的复制可能起源于特定内切酶所造成的黏性性DNA末端。末端。2425转座作用的机制转座作用的机制v1.复制性转座复制性转座：所移动和转位的仅仅是原转座子：所移动和转位的仅仅是原转座子的拷贝。的拷贝。TnA类类v2.非复制性转座非复制性转座IS序列、序列、Mu及及Tn5等。等。v转座酶（转座酶（transposase）原始转座子原始转座子v解离酶（解离酶（resolvase）复制转座子复制转座子26复制性转座复制性转座(ReplicativeTransposition)vA.整个转座子被复制，所移动的仅仅是原转座子的拷贝。整个转座子被复制，所移动的仅仅是原转座子的拷贝。vB.转座酶转座酶(transposase)和解离酶和解离酶(resolvase)分别作用于原始分别作用于原始及复制转座子。及复制转座子。vC.TnA类主要是这种形式。类主要是这种形式。27非复制性转座非复制性转座(NonreplicativeTransposition)vA.原始转座子作为一个可移动的实体直接被移位原始转座子作为一个可移动的实体直接被移位vB.IS序列、序列、Mu及及Tn5等都以这种方式进行转座等都以这种方式进行转座282930由由DDE转座酶介导的转座子转座酶介导的转座子“剪切剪切”和和“粘贴粘贴”机制机制31由由Y-转座酶或转座酶或S-转座酶介导的转座子转座酶介导的转座子“剪切剪切”和和“粘贴粘贴”机制机制32转座子的转座子的“复制复制”和和“粘贴粘贴”机制机制333435第三节、转座作用的遗传学效应第三节、转座作用的遗传学效应1、转座引起插入（或缺失）突变、转座引起插入（或缺失）突变、导致结构基因导致结构基因基基因失活、重排；因失活、重排；2、转座产生新的基因，携带病毒、质粒（部分）基、转座产生新的基因，携带病毒、质粒（部分）基因进入染色体；因进入染色体；3、转座产生的染色体畸变与恢复；、转座产生的染色体畸变与恢复；4、转座引起的生物进化。、转座引起的生物进化。3637四、真核生物的转座子四、真核生物的转座子v高等真核生物：随机分布而且能重复移动的转座子高等真核生物：随机分布而且能重复移动的转座子vI 型；剪贴式转座因子（cut-paste ）Two components system玉米中的控制因子：玉米中的控制因子：Ac/Ds,Spm/dspm,Dt in maize Ac/Ds,Spm/dspm,Dt in maize IR,transposase,needed IR,transposase,needed vII 型；反转录转座子（Retro-transposon 类似反转录病毒）果蝇中的转座子：果蝇中的转座子：Copia in drosophila Copia in drosophila Ty1 in yeast Ty1 in yeast Alu familyAlu family381 1、玉米中的控制因子、玉米中的控制因子v19321932年年,美国玉米遗传学家美国玉米遗传学家B BMcClintockMcClintock发现玉米发现玉米籽粒色斑不稳定遗传现象籽粒色斑不稳定遗传现象,于于19511951年年,第一次提出转第一次提出转座因子的概念。因为玉米中发现的转座因子除了具座因子的概念。因为玉米中发现的转座因子除了具有转座的特性外有转座的特性外,还具有调节其他基因的作用。又称还具有调节其他基因的作用。又称之为控制因子（之为控制因子（Controlling elementsControlling elements）。39表235 一些有代表性的真核转座子的属性物种II类转座因子家族ITRTSD果蝇P、HoboMarinerFB31、1228大8、829线虫Tc1542玉米AC/DS、Spm/dsom、Mu/mn10/1113200839金鱼草Tam1Tam313/141238/5一些真核生物TU/puppy大840v自主性因子：具有自主剪接自主性因子：具有自主剪接和转座的功能和转座的功能v非自主性因子：单独存在时非自主性因子：单独存在时是稳定的，不能转座，可成是稳定的，不能转座，可成为与自主性因子相同的转座为与自主性因子相同的转座子子，当基因组中存在与非自，当基因组中存在与非自主性因子同家族的自主性因主性因子同家族的自主性因子时，它才具备转座功能。子时，它才具备转座功能。v典型的典型的IS特征特征两翼有两翼有两个倒转重复序列，在靶两个倒转重复序列，在靶DNA插入位点有两个短的插入位点有两个短的正向重复序列。正向重复序列。41a)Ds-Ac系统系统C 代表颜色代表颜色,决定玉米糊粉层红和紫色的发生。决定玉米糊粉层红和紫色的发生。抑制因子（抑制因子（inhibitor,I)，后改称为解离因子，后改称为解离因子(dissociator,Ds),它抑制它抑制C基因的作用基因的作用。I和和C都在玉米的第九对染色体上，且两者的座位很近。都在玉米的第九对染色体上，且两者的座位很近。激活因子激活因子(activator,Ac),能够控制能够控制Ds因子因子。C与与I基因之间易发生断裂，使基因之间易发生断裂，使I基因转座到原来染色体的基因转座到原来染色体的其他部位或别的染色体上，于是其他部位或别的染色体上，于是C恢复活性表现有色。恢复活性表现有色。如果如果I（Ds）因子停留在原来的座位，并未发生断裂和转）因子停留在原来的座位，并未发生断裂和转座，那么玉米籽粒为无色。座，那么玉米籽粒为无色。42 Ac/Ds system Ac/Ds system 作用方式作用方式AcCcmCAcDsCcmorcmCAcAccmCDsorpurplecolorlessspotted43v为什么为什么Ds既能停留在原位，对既能停留在原位，对C基因起着抑制作用，又基因起着抑制作用，又能在玉米籽粒发育的不同阶段发生断裂和转座呢？能在玉米籽粒发育的不同阶段发生断裂和转座呢？vDs的作用还受到激活因子的作用还受到激活因子Ac的控制的控制Ac和和Ds在不同的染色体上在不同的染色体上没有没有Ac的情况下籽粒为无色，但当的情况下籽粒为无色，但当Ac从从1个增加到个增加到2或或3个个时，籽粒上带色斑点反而减少了。说明时，籽粒上带色斑点反而减少了。说明Ac的增加推迟了的增加推迟了Ds因子的解离和转座。因子的解离和转座。Ds和和Ac都可以转座：都可以转座：Ac的作用是自主的，而的作用是自主的，而Ds的行为却的行为却依赖于依赖于Ac的作用。的作用。这是因为这是因为DsDs和和AcAc在很大程度上表现出核苷酸序列的同源在很大程度上表现出核苷酸序列的同源,特别是两端的序列是相同的。只是特别是两端的序列是相同的。只是DsDs基因不同程度的缺基因不同程度的缺失是间序列失是间序列,如丢失产生转座所需要有关酶如丢失产生转座所需要有关酶转位酶。转位酶。44玉米的玉米的Ac-Ds系统系统45AcAc：4565 bp4565 bp末端反向重复序列（末端反向重复序列（11 bp11 bp）自主元件自主元件 转座酶基因转座酶基因DsDs：AcAc的缺失序列，结构多样的缺失序列，结构多样末端反向重复序列（末端反向重复序列（613613）非自主元件非自主元件46ElementtargetgeneDRLengthIRAcWaxy8bp4500bp11bpDs-cadh-18bp404bp11bpDs-bsh-1-m8bp2040bp11bpAcelement11bpIRDsIRDs 是是 Ac 因子中心区发生不同缺失而形成的突变体因子中心区发生不同缺失而形成的突变体 丧失合成转座酶功能丧失合成转座酶功能 具有具有IR序列序列 获得被动转座功能获得被动转座功能 47 Spm/dspm system vb)Spm（suppressor-mutator）和）和En（enhancer）48Autonomous elementNon-autonomous elementB.McClintock Spm dspm(suppressor/mutator)(defected Spm)En I (Enhancer)(Inhibitor)tnpA基因产物的主要功能是切割转座子序列基因产物的主要功能是切割转座子序列 Peterson 49502 2、果蝇中的转座子、果蝇中的转座子vCopia转座子具有数百转座子具有数百bp的末端正向重复和类似于酵母的末端正向重复和类似于酵母Ty转座子及转座子及RNA肿瘤前病毒的结构。肿瘤前病毒的结构。v主要特征是它们能以高速度转录并产生多聚腺苷化末端的主要特征是它们能以高速度转录并产生多聚腺苷化末端的全长全长RNA。v果蝇转座子可能属于果蝇转座子可能属于诱发杂种不育诱发杂种不育的的P转座子转座子非复制非复制型，能引起原型，能引起原P位点断裂位点断裂全长P 因子：2907bp，两端，两端 33bp的的IR，4个外显子，个外显子，在生在生殖细胞中编码有活性的转座酶，在体细胞中编码无活性殖细胞中编码有活性的转座酶，在体细胞中编码无活性的转座酶。的转座酶。缺失型P因子：P因子中段缺失衍生物，长度为因子中段缺失衍生物，长度为0.51.4kb,依赖依赖 全长全长P因子的转座酶才能转座。因子的转座酶才能转座。果蝇P品系的基因组有的基因组有3050份份 P因子拷贝，因子拷贝，1/3为全长为全长P因因子。子。5152果蝇的果蝇的P因子因子 由于由于P因子的转座而引起的果蝇的杂种发育障碍：因子的转座而引起的果蝇的杂种发育障碍：P()M()P因子转座，引起插入突变，染色体畸变因子转座，引起插入突变，染色体畸变M()M()或M()P()无生育障碍无生育障碍(卵细胞质中含有卵细胞质中含有大量的无活性的转座酶，转座抑制元件大量的无活性的转座酶，转座抑制元件)。杂种发育障碍有效地将相互杂交的群体逐渐隔离开来，并杂种发育障碍有效地将相互杂交的群体逐渐隔离开来，并在生殖细胞中引入新的突变，对物种形成有重要影响在生殖细胞中引入新的突变，对物种形成有重要影响v第三个内含子的切除是发生转座所必需的第三个内含子的切除是发生转座所必需的v几乎都是由于几乎都是由于P转座子插入基因组转座子插入基因组W位点而引起的位点而引起的v两翼两翼31bp倒置重复序列，导致倒置重复序列，导致8bp正向重复序列正向重复序列5354反转录转座子（retro-transposon ）类似反转录病毒原原 核核 生生 物物 与与 真真 核核 生生 物物 中中 均均 有有 存存 在在55反转座子的转座机制反转座子的转座机制56LTR反转座子和非反转座子和非LTR反转座子的结构反转座子的结构57反转录转座子的分类依其DNA结构及反转录酶的DNA的序列（组成成分之一）最早在果蝇，酵母中发现transposableelementinYeastTy（与反转录病毒结构非常相似）具有长末端重复结构(long terminal repeatsLTRs)核心蛋白基因(group-specific antigen gene-likegag)酶基因区域(polyprotein-like多基因区域pol)但无病毒包膜蛋白基因(envelop proteinenv）Ty1-copia分为3类58结构与Ty1-copia相似具有LTRsgag-likepol-like但pol区域中酶基因排列序列与Ty1-copia不同Ty3-gypsy类反转录转座子（retro-transposon-like）59无LTRs结构的类反转录转座子有gag-like和pol-like区域中的部分酶基因植物中随物种和反转录转座子类型不同反转录转座子的分子大小从10009300bpLTRs大小从1202400bpLINE（longinterspersednuclearelement）60 高等植物中的反转录转座子高等植物中的反转录转座子 分布分布Ty1-copia;苔藓门(苔纲,藓纲)蕨类门(石松纲,松叶蕨纲,楔叶纲,真蕨纲)裸子植物门(苏铁纲,银杏纲,松柏纲,买麻藤纲)被子植物门(单子叶植物纲,双子叶植物纲)近100多种,几乎覆盖所有植物种类Ty3-gypsy;玉米和一种百合植物LINE;玉米、甜菜、拟南芥、和一种百合植物61转座元件的应用 转座子标签法（Transposon tagging）1.克隆基因：利用转座元素有固定的旁侧序列的特点，它们可以作为分子标签，2.基因功能研究：将转座元件插入到目标基因，插入失活后获得的突变体表型变化该基因的功能。3.转基因中的应用：如转基因的自动删除。626364 上海生化所上海生化所19981998年分子遗传学试题：年分子遗传学试题：转座过程通常是指转座过程通常是指DNADNA中的一段特殊序列（转座元）中的一段特殊序列（转座元）在转座酶以及其它蛋白因子的作用下，从在转座酶以及其它蛋白因子的作用下，从DNADNA分子分子中的一个位置被搬移到另一位置或另一中的一个位置被搬移到另一位置或另一DNADNA分子中分子中（）65 Tn10Tn10转座到一个新的转座到一个新的DNADNA靶点时，在靶点两靶点时，在靶点两 侧形成倒转侧形成倒转重复序列。重复序列。(-)(-)2002 2002年上海生化与细胞所年上海生化与细胞所66华中科技大学华中科技大学20042004年生物化学与分子生物学硕士研究生入年生物化学与分子生物学硕士研究生入学试题学试题利用自己的位点专一重组酶把自己从寄主基因组中的一个利用自己的位点专一重组酶把自己从寄主基因组中的一个地方移到另一个地方的遗传元件叫（地方移到另一个地方的遗传元件叫（）A A、启动子、启动子 B B、转座子、转座子 C C、T-DNA DT-DNA D、顺反子、顺反子67中国科学院遗传与发育生物学研究所中国科学院遗传与发育生物学研究所19961996年硕士研究生分子年硕士研究生分子遗传学入学试题遗传学入学试题转座子（转座子（transposontransposon）反转录转座子（反转录转座子（retrotransposonretrotransposon）反转录转座子（retrotransposon）：指通过RNA为中介，反转录成DNA后进行转座的可动元件。68生物科学系生物科学系69此课件下载可自行编辑修改，供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！70