教学课件第六节DNA的转座.ppt

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1、分子生物学,生态环境工程学院,分子生物学,青海大学生物科学系,第六节 DNA的转座（1学时）,一、转座子的分类和结构特征二、转座作用的机制三、转座作用的遗传学效应四、真核生物的转座子1、玉米中的控制因子2、果蝇中的转座子,分子生物学,青海大学生物科学系,一、转座子的分类和结构特征,1、定义DNA的转座，或称移位（transposition），是由可移动因子（transposable element）介导的遗传物质重排现象。Transposable Elements：are sections of DNA(sequence elements)that move,or transpose,from

2、 one 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（transposon,Tn）：是存在与染色体DNA上可自主复制和位移的基本单位，在复制过程中可以“随机地”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。A transposon(transposable element)is a DNA sequence able to insert itself(or a copy of itself)at a new

3、 location in the genome,without having any sequence relationship with the target locus.,分子生物学,青海大学生物科学系,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

4、子糊粉层色素遗传：二个基因相互作用，与回复突变有关。,分子生物学,青海大学生物科学系,McClintock（1944）：玉米第 9 条染色体三个连锁基因：想通过“桥断片桥”去掉染色体末端的基因 C。但是发现：常常得到的是从着丝粒与Wx之间断裂的，丢失三 个基因的染色体。她定义为“Ds”（dissociation）偶尔发现 Ds 可以跳到 C 内的某一位置：种子为无色 在种子发育过程中，Ds 可以从 C 跳出：种子大部分无色，少 量斑点。,Ds Wx Sh C,分子生物学,青海大学生物科学系,分子生物学,青海大学生物科学系,1951年，通过对玉米籽粒色斑不稳定遗传现象，B.McClintock(

5、美)首次提出转座子的概念Ds-Ac系统(Dissociation-Activation System)：抑制因子（inhibitor,I)，后改称为解离因子(dissociator,Ds)。激活因子(activator,Ac),能够控制Ds因子。,分子生物学,青海大学生物科学系,2、原 核 生 物 转 座 因 子 的 种 类,包括以下四类：1）插入序列（insertionalsequence，IS）2）复杂型转座子:TnA家族（TnA family）3）转座噬菌体（Transposable phage）4）复合式转座子（composite transposon）,分子生物学,青海大学生物科学系

6、,1）插入序列（insertion sequence，IS）,最简单的转座子插入序列，是细菌染色体或质粒的正常组成成分。不含有任何宿主基因。,分子生物学,青海大学生物科学系,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,分子生物学,青海大学生物科学系,插入序列（insertional sequence,IS）,1.最简单的转座子,不含有任何宿主基因。2.是很小的DNA片段(约1kb)，末端具有倒置重复序列。

7、3.转座时常复制宿主靶位点415bp的DNA形成正向重复区。4.大部分IS序列只有一个开放读码框。5.是细菌染色体或质粒DNA的正常组成部分。,分子生物学,青海大学生物科学系,标准命名法,分子生物学,青海大学生物科学系,IS的转座机制,IS的结构,分子生物学,青海大学生物科学系,2）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,分子生物学,青海大学生物科学系,如Tn3含有3个基因：编码-内酰胺酶的氨苄青霉素抗性基因（ampk）,转座酶基因（tnpA）和编一种阻遏物的调节基因（tnpk）。,分子生物学,青海大学生物科学

8、系,TnA家族,TnA族Tn:两端是正向或反向重复序列，中间有与Tn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行转座，其末端不能单独转座。1.没有IS序列的、体积庞大(5 000bp以上)的转座子。2.常带有3个基因，一个编码-内酰胺酶(AmpR)，另两个则是转座作用所必须的。3.所有TnA类转座子两翼都带有38bp的倒置重复序列。,分子生物学,青海大学生物科学系,3）转座噬菌体 Mu phage（巨型转座子）,分子生物学,青海大学生物科学系,Mu噬菌体（即 mutator phage，诱变噬菌体）,它是E.coli的一种温和噬菌体。与必须整合到宿主染色体特定位置上的一般

9、温和噬菌体不同，Mu噬菌体并没有一定的整合位置。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。Mu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,分子生物学,青海大学生物科学系,分子生物学,青海大学生物科学系,4）复合因子（composite element/composite transposon）,IS插入到功能基因两端，可能形成复合转座因子,复合型转座子的结构,分子生物学,青海大学生物科学系,复合式转座子（composite transposon）,1.是一类带有某些抗药性基因(或其他宿主基因)的转座子。2

10、.两翼往往是两个相同或高度同源的IS序列。3.IS序列就不能再单独移动，只能作为复合体移动。,分子生物学,青海大学生物科学系,分子生物学,青海大学生物科学系,分子生物学,青海大学生物科学系,第二节、转座作用的机制,转座发生时，受体分子中有一段很短的（312bp）、被称为靶序列的DNA会被复制，使插入的转座子位于两个重复的靶序列之间。靶序列的复制可能起源于特定内切酶所造成的黏性DNA末端。,分子生物学,青海大学生物科学系,分子生物学,青海大学生物科学系,转座作用的机制,1.复制性转座：所移动和转位的仅仅是原转座子的拷贝。TnA类2.非复制性转座IS序列、Mu及Tn5等。转座酶（transposa

11、se）原始转座子解离酶（resolvase）复制转座子,分子生物学,青海大学生物科学系,复制性转座(ReplicativeTransposition),A.整个转座子被复制，所移动的仅仅是原转座子的拷贝。B.转座酶(transposase)和解离酶(resolvase)分别作用于原始及复制转座子。C.TnA类主要是这种形式。,分子生物学,青海大学生物科学系,非复制性转座(NonreplicativeTransposition),A.原始转座子作为一个可移动的实体直接被移位B.IS序列、Mu及Tn5等都以这种方式进行转座,分子生物学,青海大学生物科学系,分子生物学,青海大学生物科学系,分子生物学

12、,青海大学生物科学系,由DDE转座酶介导的转座子“剪切”和“粘贴”机制,分子生物学,青海大学生物科学系,由Y-转座酶或S-转座酶介导的转座子“剪切”和“粘贴”机制,分子生物学,青海大学生物科学系,转座子的“复制”和“粘贴”机制,分子生物学,青海大学生物科学系,分子生物学,青海大学生物科学系,分子生物学,青海大学生物科学系,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、导致结构基因基因失活、重排；2、转座产生新的基因，携带病毒、质粒（部分）基因进入染色体；3、转座产生的染色体畸变与恢复；4、转座引起的生物进化。,分子生物学,青海大学生物科学系,分子生物学,青海大学生物科学系,四、

13、真核生物的转座子,高等真核生物：随机分布而且能重复移动的转座子I 型；剪贴式转座因子（cut-paste）Two components system玉米中的控制因子：Ac/Ds,Spm/dspm,Dt in maize IR,transposase,needed II 型；反转录转座子（Retro-transposon 类似反转录病毒）果蝇中的转座子：Copia in drosophila Ty1 in yeast Alu family,分子生物学,青海大学生物科学系,1、玉米中的控制因子,1932年,美国玉米遗传学家BMcClintock发现玉米籽粒色斑不稳定遗传现象,于1951年,第一次提

14、出转座因子的概念。因为玉米中发现的转座因子除了具有转座的特性外,还具有调节其他基因的作用。又称之为控制因子（Controlling elements）。,分子生物学,青海大学生物科学系,表235 一些有代表性的真核转座子的属性,分子生物学,青海大学生物科学系,自主性因子：具有自主剪接和转座的功能非自主性因子：单独存在时是稳定的，不能转座，可成为与自主性因子相同的转座子，当基因组中存在与非自主性因子同家族的自主性因子时，它才具备转座功能。典型的IS特征两翼有两个倒转重复序列，在靶DNA插入位点有两个短的正向重复序列。,分子生物学,青海大学生物科学系,a)Ds-Ac系统,C 代表颜色,决定玉米糊粉

15、层红和紫色的发生。抑制因子（inhibitor,I)，后改称为解离因子(dissociator,Ds),它抑制C基因的作用。I和C都在玉米的第九对染色体上，且两者的座位很近。激活因子(activator,Ac),能够控制Ds因子。C与I基因之间易发生断裂，使I基因转座到原来染色体的其他部位或别的染色体上，于是C恢复活性表现有色。如果I（Ds）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。,分子生物学,青海大学生物科学系,Ac/Ds system 作用方式,分子生物学,青海大学生物科学系,为什么Ds既能停留在原位，对C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

16、？Ds的作用还受到激活因子Ac的控制Ac和Ds在不同的染色体上没有Ac的情况下籽粒为无色，但当Ac从1个增加到2或3个时，籽粒上带色斑点反而减少了。说明Ac的增加推迟了Ds因子的解离和转座。Ds和Ac都可以转座：Ac的作用是自主的，而Ds的行为却依赖于Ac的作用。这是因为Ds和Ac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Ds基因不同程度的缺失是间序列,如丢失产生转座所需要有关酶转位酶。,分子生物学,青海大学生物科学系,玉米的Ac-Ds系统,分子生物学,青海大学生物科学系,Ac：4565 bp末端反向重复序列（11 bp）自主元件 转座酶基因Ds：Ac的缺失序列，结构多

17、样末端反向重复序列（613）非自主元件,分子生物学,青海大学生物科学系,分子生物学,青海大学生物科学系,b)Spm（suppressor-mutator）和En（enhancer）,分子生物学,青海大学生物科学系,分子生物学,青海大学生物科学系,分子生物学,青海大学生物科学系,2、果蝇中的转座子,Copia转座子具有数百bp的末端正向重复和类似于酵母Ty转座子及RNA肿瘤前病毒的结构。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RNA。果蝇转座子可能属于诱发杂种不育的P转座子非复制型，能引起原P位点断裂全长P 因子：2907bp，两端 33bp的IR，4个外显子，在生殖细胞中编码有活

18、性的转座酶，在体细胞中编码无活性的转座酶。缺失型P因子：P因子中段缺失衍生物，长度为0.51.4kb,依赖 全长P因子的转座酶才能转座。果蝇P品系的基因组有3050份 P因子拷贝，1/3为全长P因子。,分子生物学,青海大学生物科学系,分子生物学,青海大学生物科学系,果蝇的P因子,由于P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M()M()或M()P()无生育障碍(卵细胞质中含有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，并在生殖细胞中引入新的突变，对物种形成有重要影响第三个内含子的切除是发生转座所必需的几乎都

19、是由于P转座子插入基因组W位点而引起的两翼31bp倒置重复序列，导致8bp正向重复序列,分子生物学,青海大学生物科学系,分子生物学,青海大学生物科学系,反转录转座子（retro-transposon）类似反转录病毒,原 核 生 物 与 真 核 生 物 中 均 有 存 在,分子生物学,青海大学生物科学系,反转座子的转座机制,分子生物学,青海大学生物科学系,LTR反转座子和非LTR反转座子的结构,分子生物学,青海大学生物科学系,分子生物学,青海大学生物科学系,分子生物学,青海大学生物科学系,分子生物学,青海大学生物科学系,分子生物学,青海大学生物科学系,转座元件的应用 转座子标签法（Transpo

20、son 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。,分子生物学,青海大学生物科学系,分子生物学,青海大学生物科学系,分子生物学,青海大学生物科学系,上海生化所1998年分子遗传学试题：转座过程通常是指DNA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DNA分子中的一个位置被搬移到另一位置或另一DNA分子中（）,分子生物学,青海大学生物科学系,Tn10转座到一个新的DNA靶点时，在靶点两 侧形成倒转重复序列。(-)2002年上海生化与细胞所,分子生物学,青海大学生物科学系,华中科技大学2004年生物化学与分子生物学硕士研究生入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地方移到另一个地方的遗传元件叫（）A、启动子 B、转座子 C、T-DNA D、顺反子,分子生物学,青海大学生物科学系,中国科学院遗传与发育生物学研究所1996年硕士研究生分子遗传学入学试题转座子（transposon）反转录转座子（retrotransposon）,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。,Thank You!,生物科学系,