轉(zhuǎn)座子概述.ppt

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1、轉(zhuǎn)座子概述轉(zhuǎn)座子概述主講內(nèi)容主講內(nèi)容一、轉(zhuǎn)座子的概念一、轉(zhuǎn)座子的概念二、轉(zhuǎn)座子的分類二、轉(zhuǎn)座子的分類三、轉(zhuǎn)座發(fā)生的機(jī)制三、轉(zhuǎn)座發(fā)生的機(jī)制四、真核生物的轉(zhuǎn)座因子四、真核生物的轉(zhuǎn)座因子 轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)座子（transposon,簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱Tn）, 又稱易位子，是指存在于染色體DNA上可以自主復(fù)制和移位的一段DNA序列。 轉(zhuǎn)座子可以在不同復(fù)制子之間轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)座子可以在不同復(fù)制子之間轉(zhuǎn)移，以非正常重組方式從一個(gè)位點(diǎn)插入到另外一個(gè)位點(diǎn)，對(duì)新位點(diǎn)基因的結(jié)構(gòu)與表達(dá)產(chǎn)生多種遺傳效應(yīng)。一、概念一、概念A(yù)c-Ds轉(zhuǎn)座元件轉(zhuǎn)座元件v1951年年McClintock-麥克林托克麥克林托克提出轉(zhuǎn)座（提出轉(zhuǎn)座（Transpositi

2、on）和跳躍基因和跳躍基因(jumping gene)的新概念；的新概念；v1967年年Shapiro才在才在E.coli中發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)座因子（中發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)座因子（transposable element）。）。Barbara McClintock(1902-1992)Nobel Prize for Physiology or Medicine 1983二、轉(zhuǎn)座子的分類二、轉(zhuǎn)座子的分類1、插入序列、插入序列(insertional sequence IS)q 特征：特征：v兩端都有短的兩端都有短的4-15bp的的正向重復(fù)序列正向重復(fù)序列( (direct repeats, DR) ) （靶序列）；（

3、靶序列）；v末端有末端有略長(zhǎng)的略長(zhǎng)的15-25bp的的反向重復(fù)序列反向重復(fù)序列( (inverted repeats, IR) )；v1kb左右的編碼區(qū)，它僅編碼和轉(zhuǎn)座有關(guān)的左右的編碼區(qū)，它僅編碼和轉(zhuǎn)座有關(guān)的轉(zhuǎn)座酶轉(zhuǎn)座酶。IS序列的結(jié)構(gòu)特征比較序列的結(jié)構(gòu)特征比較長(zhǎng)度長(zhǎng)度(bp)兩段倒置重兩段倒置重復(fù)區(qū)復(fù)區(qū)(bp)靶位點(diǎn)正向靶位點(diǎn)正向重復(fù)區(qū)重復(fù)區(qū)(bp)靶位點(diǎn)靶位點(diǎn)IS1768239隨機(jī)IS21327415有熱點(diǎn)IS414281811或12AAAN20TTIS51195164有熱點(diǎn)IS10R1329229NGCTNAGCNIS50R153199有熱點(diǎn)IS9031057189未知2、復(fù)合轉(zhuǎn)座子（、

4、復(fù)合轉(zhuǎn)座子（composite transposon）復(fù)合轉(zhuǎn)座子是一類帶有某些復(fù)合轉(zhuǎn)座子是一類帶有某些抗藥性基因抗藥性基因（或其他宿主基因）（或其他宿主基因）的轉(zhuǎn)座子，其兩翼往往是兩個(gè)相同或的轉(zhuǎn)座子，其兩翼往往是兩個(gè)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 復(fù)合轉(zhuǎn)座子的中心區(qū)攜帶有標(biāo)記復(fù)合轉(zhuǎn)座子的中心區(qū)攜帶有標(biāo)記(如抗藥性如抗藥性)，兩側(cè)有，兩側(cè)有IS 序列。每個(gè)序列。每個(gè)IS 具有短的末端重復(fù)。具有短的末端重復(fù)。部分復(fù)合轉(zhuǎn)座子的結(jié)構(gòu)和功能部分復(fù)合轉(zhuǎn)座子的結(jié)構(gòu)和功能轉(zhuǎn)座子

5、轉(zhuǎn)座子所攜帶的所攜帶的 基因基因總長(zhǎng)度總長(zhǎng)度(bp)末端末端IS序列序列的長(zhǎng)度的長(zhǎng)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、復(fù)雜轉(zhuǎn)座子：復(fù)雜轉(zhuǎn)座子：TnA家族家族 攜帶轉(zhuǎn)座和耐藥等基因的獨(dú)立體家族。TnA家族帶有3個(gè)基因，其中一個(gè)編碼-內(nèi)酰胺酶(AmpR),另兩個(gè)則是轉(zhuǎn)座作用所必需的。所有TnA類轉(zhuǎn)座子兩翼都帶有38bp的倒置重復(fù)序列。轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)座子TnA的結(jié)構(gòu)示意圖的結(jié)構(gòu)示意圖轉(zhuǎn)座過(guò)程轉(zhuǎn)座過(guò)程 轉(zhuǎn)座酶（轉(zhuǎn)座酶（transposase）催化）催化IS的轉(zhuǎn)

6、座，它由的轉(zhuǎn)座，它由IS編碼。編碼。 首先首先轉(zhuǎn)座酶轉(zhuǎn)座酶交錯(cuò)切開(kāi)宿主靶位點(diǎn)，然后交錯(cuò)切開(kāi)宿主靶位點(diǎn)，然后IS插入，與宿主的插入，與宿主的單鏈末端相連接，余下的缺口由單鏈末端相連接，余下的缺口由DNA聚合酶和連接酶聚合酶和連接酶加以填加以填補(bǔ)，最終插入的補(bǔ)，最終插入的IS兩端形成了兩端形成了DR(Direct repeat)或靶重復(fù)?；虬兄貜?fù)。DNA轉(zhuǎn)座的一般模式轉(zhuǎn)座的一般模式三、轉(zhuǎn)座作用的機(jī)制三、轉(zhuǎn)座作用的機(jī)制1、復(fù)制型轉(zhuǎn)座、復(fù)制型轉(zhuǎn)座(Replicative transposon)：在相互作用時(shí)，轉(zhuǎn)座子被復(fù)制，轉(zhuǎn)座實(shí)體是原轉(zhuǎn)座子的一個(gè)拷貝。轉(zhuǎn)座子中作為移動(dòng)的部分被拷貝。一個(gè)拷貝保留在原位點(diǎn)

7、，而另一個(gè)則插入到新的位點(diǎn)。 復(fù)制型轉(zhuǎn)座產(chǎn)生轉(zhuǎn)座子的一個(gè)拷貝，由該拷貝插入到受體位點(diǎn)，復(fù)制型轉(zhuǎn)座產(chǎn)生轉(zhuǎn)座子的一個(gè)拷貝，由該拷貝插入到受體位點(diǎn)，供體位點(diǎn)序列不變，因此供體和受體位點(diǎn)都有一個(gè)拷貝的轉(zhuǎn)座子。供體位點(diǎn)序列不變，因此供體和受體位點(diǎn)都有一個(gè)拷貝的轉(zhuǎn)座子。2、非復(fù)制型轉(zhuǎn)座、非復(fù)制型轉(zhuǎn)座(Nonreplicative transposon)：轉(zhuǎn)座因子做物理性運(yùn)動(dòng)，直接從一個(gè)位點(diǎn)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)位點(diǎn)。這種轉(zhuǎn)座過(guò)程中涉及到轉(zhuǎn)座子從供體DNA的釋放，機(jī)制需要一個(gè)轉(zhuǎn)座酶。非復(fù)制型轉(zhuǎn)座導(dǎo)致轉(zhuǎn)座子插入到靶位點(diǎn)以及從供體位點(diǎn)丟失。非復(fù)制轉(zhuǎn)座中轉(zhuǎn)座子僅從供體位點(diǎn)向受體位點(diǎn)做物理性移動(dòng)，從而非復(fù)制轉(zhuǎn)座中轉(zhuǎn)座子僅從供

8、體位點(diǎn)向受體位點(diǎn)做物理性移動(dòng)，從而 在供體位點(diǎn)造成鏈的斷裂，若斷裂不被修復(fù)，后果將是致命的。在供體位點(diǎn)造成鏈的斷裂，若斷裂不被修復(fù)，后果將是致命的。3、保守型轉(zhuǎn)座、保守型轉(zhuǎn)座(Conservitive transposon)：描述了另一種非復(fù)制型轉(zhuǎn)座，在這種情況下，通過(guò)一系列事件，轉(zhuǎn)座元件從供體位點(diǎn)上切除，然后插到靶位點(diǎn)上。在這一過(guò)程中，堿基是保守的。運(yùn)用這一機(jī)制的轉(zhuǎn)座子較大，不僅可以轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)座子本身而且還以將供體菌的DNA 轉(zhuǎn)移到另一個(gè)細(xì)菌。 保守性轉(zhuǎn)座只是序列的直接移動(dòng)，沒(méi)有核苷酸鍵的損失，保守性轉(zhuǎn)座只是序列的直接移動(dòng)，沒(méi)有核苷酸鍵的損失，原位點(diǎn)沒(méi)有鏈斷裂。這與原位點(diǎn)沒(méi)有鏈斷裂。這與噬菌體的

9、整合、刪除有相似性。噬菌體的整合、刪除有相似性。轉(zhuǎn)座作用的遺傳學(xué)效應(yīng)轉(zhuǎn)座作用的遺傳學(xué)效應(yīng) 轉(zhuǎn)座子引發(fā)了許多遺傳變異，如基因重排及質(zhì)粒-染色體DNA整合等，DNA轉(zhuǎn)座的遺傳學(xué)效應(yīng)主要有以下幾個(gè)方面： 轉(zhuǎn)座引起插入突變；轉(zhuǎn)座引起插入突變； 轉(zhuǎn)座產(chǎn)生新的基因；轉(zhuǎn)座產(chǎn)生新的基因； 轉(zhuǎn)座產(chǎn)生的染色體畸變；轉(zhuǎn)座產(chǎn)生的染色體畸變； 轉(zhuǎn)座引起的生物進(jìn)化。轉(zhuǎn)座引起的生物進(jìn)化。轉(zhuǎn)座引起插入突變轉(zhuǎn)座引起插入突變各種IS、Tn轉(zhuǎn)座子都可以引起插入突變。如果插入位于某操縱子的前半部分，就可能造成極性突變，導(dǎo)致該操縱子后半部分結(jié)構(gòu)基因表達(dá)失活。轉(zhuǎn)座產(chǎn)生的染色體畸變轉(zhuǎn)座產(chǎn)生的染色體畸變當(dāng)復(fù)制性轉(zhuǎn)座發(fā)生在宿主DNA原有位點(diǎn)附

10、近時(shí)，往往導(dǎo)致轉(zhuǎn)座子兩個(gè)拷貝之間的同源重組，引起DNA缺失或倒位。若同源重組發(fā)生在兩個(gè)正向重復(fù)轉(zhuǎn)座區(qū)之間，就導(dǎo)致宿主染色體DNA缺失；若重組發(fā)生在兩個(gè)反向重復(fù)轉(zhuǎn)座區(qū)之間，則引起染色體DNA倒位。正向重復(fù)正向重復(fù)之間的互惠(Reciprocal)重組會(huì)將它們之間的序列切除，中間區(qū)域會(huì)以環(huán)狀DNA 的形式被切除(從細(xì)胞中消失)；染色體仍保留正向重復(fù)的一個(gè)拷貝。兩個(gè)正向重復(fù)的交互重組會(huì)把二者之間的序列刪兩個(gè)正向重復(fù)的交互重組會(huì)把二者之間的序列刪 除掉，每個(gè)重組產(chǎn)物只含一個(gè)拷貝的正向重復(fù)。除掉，每個(gè)重組產(chǎn)物只含一個(gè)拷貝的正向重復(fù)。兩個(gè)倒轉(zhuǎn)重復(fù)的交互重組將會(huì)把二者之兩個(gè)倒轉(zhuǎn)重復(fù)的交互重組將會(huì)把二者之間的

11、序列反向排列間的序列反向排列(但穩(wěn)定存在但穩(wěn)定存在)。反向重復(fù)反向重復(fù)之間的區(qū)域被倒置；它們自身還可進(jìn)一步倒位。一個(gè)倒轉(zhuǎn)模序的復(fù)合轉(zhuǎn)座子在基因組內(nèi)是一種穩(wěn)定的元件，盡管中心區(qū)的方向可能因重組而倒轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)座引起的生物進(jìn)化轉(zhuǎn)座引起的生物進(jìn)化由于轉(zhuǎn)座作用，使原來(lái)在染色體上相距甚遠(yuǎn)的基因組合到一起，構(gòu)建成一個(gè)操縱子或表達(dá)單元，可能產(chǎn)生新的生物學(xué)功能的基因和新的蛋白質(zhì)分子。轉(zhuǎn)座產(chǎn)生新的基因轉(zhuǎn)座產(chǎn)生新的基因如果轉(zhuǎn)座子上帶有抗藥性基因，它一方面造成靶DNA序列上的插入突變，同時(shí)也使這個(gè)位點(diǎn)產(chǎn)生抗藥性。四、真核生物的轉(zhuǎn)座因子四、真核生物的轉(zhuǎn)座因子1.玉米中的控制因子玉米中的控制因子2.果蠅中的轉(zhuǎn)座子果蠅中的轉(zhuǎn)座

12、子玉米中的控制因子玉米中的控制因子 玉米基因組中含有幾個(gè)控制元件家族。每個(gè)家族玉米基因組中含有幾個(gè)控制元件家族。每個(gè)家族的成員可分為兩類：的成員可分為兩類：（1）自主控制元件）自主控制元件 Autonomous controlling element 特點(diǎn)：具剪切和轉(zhuǎn)座的功能特點(diǎn)：具剪切和轉(zhuǎn)座的功能 (2) 非自主控制元件非自主控制元件 Nonautonomous controlling element 特點(diǎn)：?jiǎn)为?dú)存在時(shí)是穩(wěn)定的；可被自主控制元特點(diǎn)：?jiǎn)为?dú)存在時(shí)是穩(wěn)定的；可被自主控制元件激活件激活 玉米中研究得比較清楚的兩個(gè)控制因子玉米中研究得比較清楚的兩個(gè)控制因子Ac-Ds系統(tǒng)系統(tǒng)(activ

13、ator-dissociation system) ：即激活：即激活-解解離系統(tǒng)，通過(guò)非復(fù)制型機(jī)制進(jìn)行轉(zhuǎn)座離系統(tǒng)，通過(guò)非復(fù)制型機(jī)制進(jìn)行轉(zhuǎn)座Spm-dSpm系統(tǒng)系統(tǒng)(suppressor-promoter-mutator):即抑即抑制制-促進(jìn)促進(jìn)-增變系統(tǒng)增變系統(tǒng) Ac-Ds系統(tǒng)系統(tǒng): Ac:v 大部分自主因子大部分自主因子AC中含中含5個(gè)外顯子的單個(gè)基因，其產(chǎn)物是轉(zhuǎn)座個(gè)外顯子的單個(gè)基因，其產(chǎn)物是轉(zhuǎn)座酶，酶，v 末端末端11bp的的IR和和8bp的的DR，DR是由靶位點(diǎn)重復(fù)而成。是由靶位點(diǎn)重復(fù)而成。 Ds:v 各種各種Ds因子的長(zhǎng)度和序列都不相同，但和因子的長(zhǎng)度和序列都不相同，但和Ac相關(guān)。其末

14、端同樣相關(guān)。其末端同樣有有11bp的的IR。v Ds比比Ac短，其缺失的長(zhǎng)度不同，一個(gè)極端的例子是短，其缺失的長(zhǎng)度不同，一個(gè)極端的例子是Ds9因子僅因子僅缺失缺失194bp，另一個(gè)例子是，另一個(gè)例子是Ds6因子長(zhǎng)僅有因子長(zhǎng)僅有2.5kb，相當(dāng)于，相當(dāng)于Ac兩端兩端各各1kb。自主的自主的Ac 元件大部分長(zhǎng)度都被一個(gè)含五個(gè)外顯子的基因占據(jù)。其產(chǎn)物是轉(zhuǎn)座元件大部分長(zhǎng)度都被一個(gè)含五個(gè)外顯子的基因占據(jù)。其產(chǎn)物是轉(zhuǎn)座酶。酶。 元件末端為一個(gè)元件末端為一個(gè)11bp的反向重復(fù)序列；在靶序列在插入位點(diǎn)形成的反向重復(fù)序列；在靶序列在插入位點(diǎn)形成8bp重重復(fù)。復(fù)。Spm-dSpm系統(tǒng)系統(tǒng):Spm:v 自主性因子自

15、主性因子,具有轉(zhuǎn)座、整合和解離活性；具有轉(zhuǎn)座、整合和解離活性；v 兩端各有一個(gè)兩端各有一個(gè)13bp的倒置重復(fù)序列，在其靶的倒置重復(fù)序列，在其靶DNA位點(diǎn)復(fù)制形成位點(diǎn)復(fù)制形成3bp的正向重復(fù)。的正向重復(fù)。 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的缺失突變體；的缺失突變體；v Spm-dSpm系統(tǒng)在功能上與系統(tǒng)在功能上與Ac-Ds系統(tǒng)相似，也可以引入基因的系統(tǒng)相似，也可以引入基因的插入突變，影響結(jié)構(gòu)基因表達(dá)，還能導(dǎo)致染色體斷裂。插入突變，影響結(jié)構(gòu)基因表達(dá)，還能導(dǎo)致染色體斷裂。Spm/En有兩個(gè)基因，有兩個(gè)基因，tnpA 有

16、有11 個(gè)外顯子，經(jīng)轉(zhuǎn)錄拼接產(chǎn)生個(gè)外顯子，經(jīng)轉(zhuǎn)錄拼接產(chǎn)生2500bp 的的mRNA，tnpB 的的6000bpmRNA中包含中包含ORF1和和ORF2。果蠅中的轉(zhuǎn)座子果蠅中的轉(zhuǎn)座子P轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)座子(P element)是果蠅中誘發(fā)是果蠅中誘發(fā)雜種不育雜種不育(hybrid dysgenesis)的轉(zhuǎn)座子。的轉(zhuǎn)座子。P轉(zhuǎn)座子有兩種類型：轉(zhuǎn)座子有兩種類型：全長(zhǎng)全長(zhǎng)P因子：因子：長(zhǎng)長(zhǎng)2907bp，兩端有，兩端有33bp的反向重復(fù)序列的反向重復(fù)序列(IR)， 有有4 個(gè)外顯子個(gè)外顯子(4個(gè)個(gè)ORF)，編碼轉(zhuǎn)座酶；，編碼轉(zhuǎn)座酶；缺失型缺失型P因子：因子：不能編碼轉(zhuǎn)座酶，依賴于全長(zhǎng)不能編碼轉(zhuǎn)座酶，依賴于全長(zhǎng)

17、P因子才能轉(zhuǎn)因子才能轉(zhuǎn)座移動(dòng)。座移動(dòng)。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。長(zhǎng)度長(zhǎng)度從從0.5kb到到1.4 kb不等。不等。果蠅果蠅P 成分有四個(gè)外顯子，前三個(gè)拼接到一起在成分有四個(gè)外顯子，前三個(gè)拼接到一起在體細(xì)胞表達(dá)，四個(gè)拼接到一起在生殖細(xì)胞中表達(dá)。體細(xì)胞表達(dá)，四個(gè)拼接到一起在生殖細(xì)胞中表達(dá)。 在體細(xì)胞中，只有前兩個(gè)內(nèi)含子被順利切除，第三個(gè)內(nèi)含子未除去，RNA剪接不完整，產(chǎn)生前3個(gè)外顯子的功能型mRNA，被翻譯成66103bp的轉(zhuǎn)座酶，是沒(méi)有生物學(xué)活性的。這就是P因子在體細(xì)胞中轉(zhuǎn)座的抑制元件。 在殖細(xì)胞中，三個(gè)內(nèi)含子都被成功切除，RNA剪接

18、完整，產(chǎn)生的成熟mRNA包括全部4個(gè)外顯子，并被翻譯成87103bp的轉(zhuǎn)座酶，導(dǎo)致P因子轉(zhuǎn)座和配子敗育。 v P因子因子“雜種不育雜種不育”(hybrid dysgenesis)。v P型型(父本貢獻(xiàn)的，父本貢獻(xiàn)的，paternal contributing) 帶有全長(zhǎng)和缺失帶有全長(zhǎng)和缺失型型的的P因子因子v M型型(母本貢獻(xiàn)的，母本貢獻(xiàn)的，maternal contributing) 不含全長(zhǎng)不含全長(zhǎng)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（）（） 后代可育后代可育雜種不育是不對(duì)稱的，它是由雜種不育是不對(duì)稱的，它是由P品系的雄果蠅和品系的雄果蠅和M品系的雌果蠅雜品系的雌果蠅雜交產(chǎn)生的，但交產(chǎn)生的，但M品系的雄果蠅和品系的雄果蠅和P 品系的雌果蠅不會(huì)產(chǎn)生雜種不育。品系的雌果蠅不會(huì)產(chǎn)生雜種不育。雜種雜種不不育：育：當(dāng)P品系雄果蠅和M品系雌果蠅交配時(shí)，可能由于雄果蠅DNA的進(jìn)入而突然生成了轉(zhuǎn)座酶，結(jié)果使很多的P因子發(fā)生轉(zhuǎn)座，造成插入突變。這樣雜交生下的子代出現(xiàn)染色體畸變和生育力下降。Thank for your attention!