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转座子概述转座子概述主讲内容主讲内容一、转座子的概念一、转座子的概念二、转座子的分类二、转座子的分类三、转座发生的机制三、转座发生的机制四、真核生物的转座因子四、真核生物的转座因子 转座子转座子（transposon,简称简称Tn）, 又称易位子，是指存在于染色体DNA上可以自主复制和移位的一段DNA序列。 转座子可以在不同复制子之间转移转座子可以在不同复制子之间转移，以非正常重组方式从一个位点插入到另外一个位点，对新位点基因的结构与表达产生多种遗传效应。一、概念一、概念Ac-Ds转座元件转座元件v1951年年McClintock-麦克林托克麦克林托克提出转座（提出转座（Transposition）和跳跃基因和跳跃基因(jumping gene)的新概念；的新概念；v1967年年Shapiro才在才在E.coli中发现了转座因子（中发现了转座因子（transposable element）。）。Barbara McClintock(1902-1992)Nobel Prize for Physiology or Medicine 1983二、转座子的分类二、转座子的分类1、插入序列、插入序列(insertional sequence IS)q 特征：特征：v两端都有短的两端都有短的4-15bp的的正向重复序列正向重复序列( (direct repeats, DR) ) （靶序列）；（靶序列）；v末端有末端有略长的略长的15-25bp的的反向重复序列反向重复序列( (inverted repeats, IR) )；v1kb左右的编码区，它仅编码和转座有关的左右的编码区，它仅编码和转座有关的转座酶转座酶。IS序列的结构特征比较序列的结构特征比较长度长度(bp)两段倒置重两段倒置重复区复区(bp)靶位点正向靶位点正向重复区重复区(bp)靶位点靶位点IS1768239随机IS21327415有热点IS414281811或12AAAN20TTIS51195164有热点IS10R1329229NGCTNAGCNIS50R153199有热点IS9031057189未知2、复合转座子（、复合转座子（composite transposon）复合转座子是一类带有某些复合转座子是一类带有某些抗药性基因抗药性基因（或其他宿主基因）（或其他宿主基因）的转座子，其两翼往往是两个相同或的转座子，其两翼往往是两个相同或高度同源高度同源的的IS序列序列。the arms that are direct repeats the arms are inverted repeats 复合转座子的中心区携带有标记复合转座子的中心区携带有标记(如抗药性如抗药性)，两侧有，两侧有IS 序列。每个序列。每个IS 具有短的末端重复。具有短的末端重复。部分复合转座子的结构和功能部分复合转座子的结构和功能转座子转座子所携带的所携带的 基因基因总长度总长度(bp)末端末端IS序列序列的长度的长度(bp)末端末端IS序序列的方向列的方向Tn5KanR57001500反向Tn9CamR2638768正向Tn10TetR93001400反向Tn903KanR31001050反向3、复杂转座子：复杂转座子：TnA家族家族 携带转座和耐药等基因的独立体家族。TnA家族带有3个基因，其中一个编码-内酰胺酶(AmpR),另两个则是转座作用所必需的。所有TnA类转座子两翼都带有38bp的倒置重复序列。转座子转座子TnA的结构示意图的结构示意图转座过程转座过程 转座酶（转座酶（transposase）催化）催化IS的转座，它由的转座，它由IS编码。编码。 首先首先转座酶转座酶交错切开宿主靶位点，然后交错切开宿主靶位点，然后IS插入，与宿主的插入，与宿主的单链末端相连接，余下的缺口由单链末端相连接，余下的缺口由DNA聚合酶和连接酶聚合酶和连接酶加以填加以填补，最终插入的补，最终插入的IS两端形成了两端形成了DR(Direct repeat)或靶重复。或靶重复。DNA转座的一般模式转座的一般模式三、转座作用的机制三、转座作用的机制1、复制型转座、复制型转座(Replicative transposon)：在相互作用时，转座子被复制，转座实体是原转座子的一个拷贝。转座子中作为移动的部分被拷贝。一个拷贝保留在原位点，而另一个则插入到新的位点。 复制型转座产生转座子的一个拷贝，由该拷贝插入到受体位点，复制型转座产生转座子的一个拷贝，由该拷贝插入到受体位点，供体位点序列不变，因此供体和受体位点都有一个拷贝的转座子。供体位点序列不变，因此供体和受体位点都有一个拷贝的转座子。2、非复制型转座、非复制型转座(Nonreplicative transposon)：转座因子做物理性运动，直接从一个位点转移到另一个位点。这种转座过程中涉及到转座子从供体DNA的释放，机制需要一个转座酶。非复制型转座导致转座子插入到靶位点以及从供体位点丢失。非复制转座中转座子仅从供体位点向受体位点做物理性移动，从而非复制转座中转座子仅从供体位点向受体位点做物理性移动，从而 在供体位点造成链的断裂，若断裂不被修复，后果将是致命的。在供体位点造成链的断裂，若断裂不被修复，后果将是致命的。3、保守型转座、保守型转座(Conservitive transposon)：描述了另一种非复制型转座，在这种情况下，通过一系列事件，转座元件从供体位点上切除，然后插到靶位点上。在这一过程中，碱基是保守的。运用这一机制的转座子较大，不仅可以转移转座子本身而且还以将供体菌的DNA 转移到另一个细菌。 保守性转座只是序列的直接移动，没有核苷酸键的损失，保守性转座只是序列的直接移动，没有核苷酸键的损失，原位点没有链断裂。这与原位点没有链断裂。这与噬菌体的整合、删除有相似性。噬菌体的整合、删除有相似性。转座作用的遗传学效应转座作用的遗传学效应 转座子引发了许多遗传变异，如基因重排及质粒-染色体DNA整合等，DNA转座的遗传学效应主要有以下几个方面： 转座引起插入突变；转座引起插入突变； 转座产生新的基因；转座产生新的基因； 转座产生的染色体畸变；转座产生的染色体畸变； 转座引起的生物进化。转座引起的生物进化。转座引起插入突变转座引起插入突变各种IS、Tn转座子都可以引起插入突变。如果插入位于某操纵子的前半部分，就可能造成极性突变，导致该操纵子后半部分结构基因表达失活。转座产生的染色体畸变转座产生的染色体畸变当复制性转座发生在宿主DNA原有位点附近时，往往导致转座子两个拷贝之间的同源重组，引起DNA缺失或倒位。若同源重组发生在两个正向重复转座区之间，就导致宿主染色体DNA缺失；若重组发生在两个反向重复转座区之间，则引起染色体DNA倒位。正向重复正向重复之间的互惠(Reciprocal)重组会将它们之间的序列切除，中间区域会以环状DNA 的形式被切除(从细胞中消失)；染色体仍保留正向重复的一个拷贝。两个正向重复的交互重组会把二者之间的序列删两个正向重复的交互重组会把二者之间的序列删 除掉，每个重组产物只含一个拷贝的正向重复。除掉，每个重组产物只含一个拷贝的正向重复。两个倒转重复的交互重组将会把二者之两个倒转重复的交互重组将会把二者之间的序列反向排列间的序列反向排列(但稳定存在但稳定存在)。反向重复反向重复之间的区域被倒置；它们自身还可进一步倒位。一个倒转模序的复合转座子在基因组内是一种稳定的元件，尽管中心区的方向可能因重组而倒转。转座引起的生物进化转座引起的生物进化由于转座作用，使原来在染色体上相距甚远的基因组合到一起，构建成一个操纵子或表达单元，可能产生新的生物学功能的基因和新的蛋白质分子。转座产生新的基因转座产生新的基因如果转座子上带有抗药性基因，它一方面造成靶DNA序列上的插入突变，同时也使这个位点产生抗药性。四、真核生物的转座因子四、真核生物的转座因子1.玉米中的控制因子玉米中的控制因子2.果蝇中的转座子果蝇中的转座子玉米中的控制因子玉米中的控制因子 玉米基因组中含有几个控制元件家族。每个家族玉米基因组中含有几个控制元件家族。每个家族的成员可分为两类：的成员可分为两类：（1）自主控制元件）自主控制元件 Autonomous controlling element 特点：具剪切和转座的功能特点：具剪切和转座的功能 (2) 非自主控制元件非自主控制元件 Nonautonomous controlling element 特点：单独存在时是稳定的；可被自主控制元特点：单独存在时是稳定的；可被自主控制元件激活件激活 玉米中研究得比较清楚的两个控制因子玉米中研究得比较清楚的两个控制因子Ac-Ds系统系统(activator-dissociation system) ：即激活：即激活-解解离系统，通过非复制型机制进行转座离系统，通过非复制型机制进行转座Spm-dSpm系统系统(suppressor-promoter-mutator):即抑即抑制制-促进促进-增变系统增变系统 Ac-Ds系统系统: Ac:v 大部分自主因子大部分自主因子AC中含中含5个外显子的单个基因，其产物是转座个外显子的单个基因，其产物是转座酶，酶，v 末端末端11bp的的IR和和8bp的的DR，DR是由靶位点重复而成。是由靶位点重复而成。 Ds:v 各种各种Ds因子的长度和序列都不相同，但和因子的长度和序列都不相同，但和Ac相关。其末端同样相关。其末端同样有有11bp的的IR。v Ds比比Ac短，其缺失的长度不同，一个极端的例子是短，其缺失的长度不同，一个极端的例子是Ds9因子仅因子仅缺失缺失194bp，另一个例子是，另一个例子是Ds6因子长仅有因子长仅有2.5kb，相当于，相当于Ac两端两端各各1kb。自主的自主的Ac 元件大部分长度都被一个含五个外显子的基因占据。其产物是转座元件大部分长度都被一个含五个外显子的基因占据。其产物是转座酶。酶。 元件末端为一个元件末端为一个11bp的反向重复序列；在靶序列在插入位点形成的反向重复序列；在靶序列在插入位点形成8bp重重复。复。Spm-dSpm系统系统:Spm:v 自主性因子自主性因子,具有转座、整合和解离活性；具有转座、整合和解离活性；v 两端各有一个两端各有一个13bp的倒置重复序列，在其靶的倒置重复序列，在其靶DNA位点复制形成位点复制形成3bp的正向重复。的正向重复。 dSpm(defective Spm):v 非自主性因子，所有非自主性因子，所有dSpm都是功能性都是功能性Spm的缺失突变体；的缺失突变体；v Spm-dSpm系统在功能上与系统在功能上与Ac-Ds系统相似，也可以引入基因的系统相似，也可以引入基因的插入突变，影响结构基因表达，还能导致染色体断裂。插入突变，影响结构基因表达，还能导致染色体断裂。Spm/En有两个基因，有两个基因，tnpA 有有11 个外显子，经转录拼接产生个外显子，经转录拼接产生2500bp 的的mRNA，tnpB 的的6000bpmRNA中包含中包含ORF1和和ORF2。果蝇中的转座子果蝇中的转座子P转座子转座子(P element)是果蝇中诱发是果蝇中诱发杂种不育杂种不育(hybrid dysgenesis)的转座子。的转座子。P转座子有两种类型：转座子有两种类型：全长全长P因子：因子：长长2907bp，两端有，两端有33bp的反向重复序列的反向重复序列(IR)， 有有4 个外显子个外显子(4个个ORF)，编码转座酶；，编码转座酶；缺失型缺失型P因子：因子：不能编码转座酶，依赖于全长不能编码转座酶，依赖于全长P因子才能转因子才能转座移动。座移动。缺失型缺失型P因子都是活性因子都是活性P因子的中段缺失型衍生物。因子的中段缺失型衍生物。长度长度从从0.5kb到到1.4 kb不等。不等。果蝇果蝇P 成分有四个外显子，前三个拼接到一起在成分有四个外显子，前三个拼接到一起在体细胞表达，四个拼接到一起在生殖细胞中表达。体细胞表达，四个拼接到一起在生殖细胞中表达。 在体细胞中，只有前两个内含子被顺利切除，第三个内含子未除去，RNA剪接不完整，产生前3个外显子的功能型mRNA，被翻译成66103bp的转座酶，是没有生物学活性的。这就是P因子在体细胞中转座的抑制元件。 在殖细胞中，三个内含子都被成功切除，RNA剪接完整，产生的成熟mRNA包括全部4个外显子，并被翻译成87103bp的转座酶，导致P因子转座和配子败育。 v P因子因子“杂种不育杂种不育”(hybrid dysgenesis)。v P型型(父本贡献的，父本贡献的，paternal contributing) 带有全长和缺失带有全长和缺失型型的的P因子因子v M型型(母本贡献的，母本贡献的，maternal contributing) 不含全长不含全长P因子或只含缺失的因子或只含缺失的P因子因子v P（）（）M（）（） 后代不育后代不育v M（）（）P（）（） 后代可育后代可育杂种不育是不对称的，它是由杂种不育是不对称的，它是由P品系的雄果蝇和品系的雄果蝇和M品系的雌果蝇杂品系的雌果蝇杂交产生的，但交产生的，但M品系的雄果蝇和品系的雄果蝇和P 品系的雌果蝇不会产生杂种不育。品系的雌果蝇不会产生杂种不育。杂种杂种不不育：育：当P品系雄果蝇和M品系雌果蝇交配时，可能由于雄果蝇DNA的进入而突然生成了转座酶，结果使很多的P因子发生转座，造成插入突变。这样杂交生下的子代出现染色体畸变和生育力下降。Thank for your attention!