轉(zhuǎn)座因子的遺傳分析.pdf

1 1 轉(zhuǎn)座因子的遺傳分析 20世紀(jì) 40 至 50 年代 B暢McClintock 通過對(duì)玉米花斑糊粉層和植株色素形成的 遺傳研究 發(fā)現(xiàn)色素的變化與一系列染色體斷裂重組有關(guān) 并首次報(bào)道了在基因組的不 同區(qū)域內(nèi)存在可移動(dòng)的遺傳因子 mobile genetic element 可是由于當(dāng)時(shí)人們受基因 固定排列于染色體的傳統(tǒng)觀念的束縛 加之分析手段的限制 因此這一劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn)在 當(dāng)時(shí)幾乎不能被科學(xué)界所接受 直到 20 世紀(jì) 70 年代 在大腸桿菌半乳糖操縱子的突變 型研究中第一次在細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)了可轉(zhuǎn)移座位的插入序列 insertion sequence IS 之后 才被重視 此后近 30 年來在許多生物中也發(fā)現(xiàn)各種類型的可移動(dòng)的遺傳因子 并在分子 水平上得到證實(shí) 轉(zhuǎn)座因子不像某類噬菌體或質(zhì)粒那樣 既可插入基因組 又可采取獨(dú) 立形式而存在 轉(zhuǎn)座因子是從基因組中一個(gè)位置直接移動(dòng)到另一個(gè)位置 而且它不依賴 于供體位點(diǎn)與受體位點(diǎn)之間的任何關(guān)系 轉(zhuǎn)座是基因組突變與進(jìn)化的主要來源之一 也 是表觀遺傳的信號(hào)與調(diào)節(jié)因子 因此 可轉(zhuǎn)座遺傳因子的發(fā)現(xiàn)是遺傳學(xué)發(fā)展史上重要的 里程碑之一 McClintock 因而獲得 1983 年諾貝爾獎(jiǎng) 本章僅就這 30 余年研究成果與 進(jìn)展討論轉(zhuǎn)座因子 transposable element 一類可改變位置的遺傳因子的總稱 其 分類與結(jié)構(gòu)特征 原核生物的轉(zhuǎn)座因子與真核生物的轉(zhuǎn)座因子 轉(zhuǎn)座作用的機(jī)制和遺傳 學(xué)效應(yīng) 251 11暢1 轉(zhuǎn)座因子的發(fā)現(xiàn)與分類 11暢1暢1 轉(zhuǎn)座因子的發(fā)現(xiàn) 早在 20世紀(jì)初 Emerson于 1914年在研究玉米果皮色素遺傳的過程中 發(fā)現(xiàn)一種花斑果皮的突 變類型 這種突變可發(fā)生多次回復(fù)突變 從而產(chǎn)生寬窄不同 紅白相間的花斑 在金魚草植株葉片以 至花瓣上都可見花斑表型 他意識(shí)到這種花斑產(chǎn)生在于突變基因的不穩(wěn)定性 但如何不穩(wěn)定不得其 解 到 1938年 Rhoades在研究玉米籽粒糊粉層色素遺傳時(shí) 發(fā)現(xiàn)有色籽粒純種自花授粉的后代中 表現(xiàn)出一種意外的修飾的孟德爾分離比 有色 斑點(diǎn) 白色 12 3 1 顯然這兩個(gè)基因是不連鎖的 他認(rèn)為控制色素的基因 A1突變?yōu)榈任换?a1時(shí)表現(xiàn)為無色 另一基因是 D t 斑點(diǎn) 表型為有色斑 點(diǎn) 這樣原品系的基因型為 A1A1dtdt 突變后產(chǎn)生了 A1a1D tdt的植株 這種雙突變植株自交就產(chǎn)生 了上述比例 圖 111 圖 11 1 玉米花斑表型的遺傳學(xué)解釋 a 由于轉(zhuǎn)座因子而引起的玉米籽?；ò叩谋硇?b 最初認(rèn)為玉米籽?；ò咝纬墒请p突變的結(jié)果 但是什么因素導(dǎo)致或產(chǎn)生花斑呢 一種可能是在體細(xì)胞中產(chǎn)生了回復(fù)突變 a1 A1 但大量的斑 點(diǎn)需要很高頻率的回復(fù)突變 Rhoades在 a1a1D t 花斑 特殊無性生殖植物花中找到相應(yīng)的花 藥 其花粉應(yīng)攜帶回復(fù)突變產(chǎn)生色素的基因 而他用這些花粉與 a1a1的植株測(cè)交 結(jié)果有的后代完 全是有顏色的 表明在親本中每個(gè)斑點(diǎn)實(shí)際上是回復(fù)突變的表型效應(yīng) 這樣 a1成為首次發(fā)現(xiàn)的 不穩(wěn)定突變等位基因的例子 即一種回復(fù)突變率很高的基因 然而這種等位基因的不穩(wěn)定性取決 于不連鎖 D t基因的存在 一旦回復(fù)突變發(fā)生 它們就變得穩(wěn)定了 即 D t基因能離開 A1基因 這時(shí) A1的表型不再改變 a1的表型是由一個(gè)缺陷型轉(zhuǎn)座因子的插入而產(chǎn)生的 而缺陷的轉(zhuǎn)座因子自 身不能移動(dòng) 因而 D t的缺乏使得表型保持穩(wěn)定 顯然 Rhoades這時(shí)已發(fā)現(xiàn)了某些基因的不穩(wěn)定 性 而且這種不穩(wěn)定性是由另一個(gè)獨(dú)立的因子所控制 但仍未揭示這種不穩(wěn)定性的遺傳學(xué)機(jī)制 也缺乏實(shí)驗(yàn)證據(jù) M cC lintock于 1940年至 1950年在美國康奈爾大學(xué)和冷泉港實(shí)驗(yàn)室工作期間 研究玉米花斑糊 粉層和植株色素產(chǎn)生的遺傳基礎(chǔ)時(shí) 也發(fā)現(xiàn)玉米籽粒上有色素斑點(diǎn)的變化 當(dāng)時(shí)已知許多基因共同 控制紅色花青素的合成使玉米胚乳成紫色 這些基因中任何一對(duì)基因發(fā)生突變都會(huì)影響色素的合成使 11暢1 轉(zhuǎn)座因子的發(fā)現(xiàn)與分類 252 胚乳呈白色 人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)控制玉米糊粉層顏色至少有 5對(duì)相關(guān)基因 A代表花色素 anthocyan 如 A變?yōu)?a 則什么顏色都不會(huì)產(chǎn)生 C代表顏色 corlor 決定紅色和紫色的發(fā)生 R代表紅色 red 其作用是以 A C兩基因的存在為先決條件 Pr代表紫色 purple 它是在紅色基礎(chǔ)上輔助 成紫色的 沒有 A C R基因存在 即使它是顯性也不能使玉米籽粒產(chǎn)生任何顏色 I稱為抑制基 因 inhibitor 它抑制 C基因的作用 C基因如被抑制 則紅色與紫色都不會(huì)形成 M cC lintock研究了玉米胚乳的紫色 白色以及白色背景上帶有紫色斑點(diǎn)這些表型之間的相互關(guān) 系 她發(fā)現(xiàn)花斑表型是不穩(wěn)定的 并根據(jù)自己的遺傳學(xué)和細(xì)胞學(xué)研究結(jié)果推斷 花斑 這種表型并不 是一般的基因突變產(chǎn)生的 而是由于一種控制因子的存在所導(dǎo)致的 她認(rèn)為若玉米帶有野生型 C 基 因 則胚乳呈紫色 C基因的突變阻斷了紫色素的合成 那么胚乳呈白色 在胚乳發(fā)育的過程中 突變 發(fā)生回復(fù)導(dǎo)致斑點(diǎn)的產(chǎn)生 而回復(fù)突變的遺傳學(xué)性質(zhì)受到這樣一種事實(shí)的支持 即細(xì)胞的后代經(jīng)過 回復(fù)突變也能產(chǎn)生色素 回復(fù)突變發(fā)生在早期發(fā)育階段 紫斑就比較大 M cC lintock認(rèn)為原來的 C 突變 無色素 是由一個(gè) 可移動(dòng)的遺傳因子 當(dāng)時(shí)稱為抑制基因 即 I基因 現(xiàn)在稱為 D s 即解離因 子 dissociator 它可以插入到 C 基因中 另一個(gè)可移動(dòng)的因子是 Ac 稱激活因子 activator 它的 存在激活 D s轉(zhuǎn)座進(jìn)入 C基因或其他基因中 也能使 D s從基因中轉(zhuǎn)出 使突變基因回復(fù) 這就是著名 的 Ac D s系統(tǒng) M cC lintock還發(fā)現(xiàn) D s可導(dǎo)致所在位置的染色體斷裂 這種斷裂可以通過細(xì)胞學(xué)和 遺傳學(xué)的方法加以檢測(cè) D s存在的玉米的 9號(hào)染色體的一條臂上 該染色體一端帶有結(jié)節(jié) knob 這一特征性結(jié)構(gòu)極易辨認(rèn) 在 D s處易發(fā)生斷裂 圖 112 當(dāng) D s插入 C 基因后籽粒為無色 當(dāng) Ac 激活D s從 C基因切離后 則籽粒出現(xiàn)有色斑點(diǎn) 而且斑點(diǎn)大小取決于產(chǎn)生它的細(xì)胞分裂次數(shù) 圖 11 2 Ds轉(zhuǎn)座導(dǎo)致籽粒斑點(diǎn)表型 引自 G riffiths等 2005 a D s位于雜合的一條同源染色體的著絲粒與一系列顯性標(biāo)記之間 另一條同源染色體缺乏 D s而有幾個(gè)隱性基因 在 D s 處斷裂產(chǎn)生攜帶顯性標(biāo)記的無著絲粒片段而丟失 故同源染色體上隱性基因表達(dá) 籽粒產(chǎn)生無色扇形 b D s插入 C 基 因后籽粒為無色 當(dāng) A c激活 D s從 C 基因切離后 則籽粒出現(xiàn)有色斑點(diǎn) 而且斑點(diǎn)的大小取決于產(chǎn)生它的細(xì)胞的分裂次數(shù) 1 1 轉(zhuǎn)座因子的遺傳分析 253 染色體的斷裂結(jié)果還會(huì)形成斷裂融合橋 breakage 唱 fusion 唱bridge 這是由于 D s的存在可導(dǎo)致其 所在位點(diǎn)的染色體斷裂后丟失端粒 經(jīng)復(fù)制后缺少端粒的染色體彼此連結(jié) 形成雙著絲粒染色體 在 有絲分裂中兩個(gè)著絲粒彼此分離向兩極移動(dòng) 形成染色體橋 橋的斷裂使一端產(chǎn)生重復(fù) 一端產(chǎn)生缺 失 這樣周而復(fù)始形成斷裂融合橋循環(huán) breakage 唱 fusion 唱bridge cycle M cC lintock根據(jù)大量遺傳學(xué)和細(xì)胞學(xué)研究結(jié)果 于 1951年提出了生物的基因組中存在轉(zhuǎn)座因子 學(xué)說 這些轉(zhuǎn)座因子既可以沿染色體移動(dòng) 也可以在不同染色體之間跳躍 因此 轉(zhuǎn)座因子又可稱為 跳躍基因 jumping gene 這是遺傳學(xué)發(fā)展史中劃時(shí)代的重大發(fā)現(xiàn) 將基因概念向前推進(jìn)了一大步 但這項(xiàng)劃時(shí)代的成果并未受到當(dāng)時(shí)同行們重視 直到 20世紀(jì) 60年代 P 暢 A 暢 Jacob和 L 暢 M onod的乳糖操縱子模型和基因調(diào)控理論發(fā)表后 特別是 J 暢 Shapiro在細(xì)菌中也發(fā)現(xiàn)了可轉(zhuǎn)座的遺傳因子后 這一成果才被接受 Shapiro在大腸桿菌半乳糖 操縱子中發(fā)現(xiàn)了半乳糖突變基因 gal 由于 噬菌體的整合位置在 gal 基因的旁邊 易于得到帶有 gal 基因的轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體 dgal 實(shí)踐證明 這種突變不能被核酸置換所回復(fù) 說明它不是一般的點(diǎn)突 變 又由于這種突變可回復(fù) 因此也不是缺失突變 最終通過密度梯度離心實(shí)驗(yàn)證明 dgal 的密度 大于 dgal 的密度 圖 113 進(jìn)一步將兩者 DNA變性并相互復(fù)性 在電鏡下可觀察到一部分雜合 雙鏈上出現(xiàn)一個(gè)多余的 DNA環(huán) 從而證明這種突變體是由于 DNA 片段插入而產(chǎn)生的 這一插入序 列是最先發(fā)現(xiàn)的最小的一種轉(zhuǎn)座因子 稱為 IS 1 IS序列就是在細(xì)菌中首次發(fā)現(xiàn)的跳躍基因 并在分 子水平上得到證實(shí) 至此 轉(zhuǎn)座因子的概念才被遺傳學(xué)界所公認(rèn) 接著在利用細(xì)菌的抗藥性質(zhì)粒 R 質(zhì)粒 構(gòu)建載有卡拉霉素 kanamycin 抗性基因的 噬菌體的過程中 發(fā)現(xiàn)抗藥性基因的傳播非?？?它可以從一種 R質(zhì)粒跳躍到另一質(zhì)粒上 也可以跳躍到另一些噬菌體或細(xì)菌染色體上 根據(jù) DNA 分子雜交 與卡拉霉素抗性有關(guān)的 DNA序列長(zhǎng) 5 暢 2 kb 兩端有長(zhǎng) 1 暢 5 kb的反向重復(fù)序列 該結(jié)構(gòu)稱 為末端反向重復(fù)序列 inverted term inal repeat 當(dāng)抗藥性基因跳躍時(shí) 反向重復(fù)序列也隨之轉(zhuǎn)移 具 有這種結(jié)構(gòu)和特性的 DNA序列就稱作轉(zhuǎn)座子 transposon Tn 或 Tn因子 如 Tn3和 Tn5等 至此 幾乎在各類生物基因組中都發(fā)現(xiàn)有不同類型的轉(zhuǎn)座因子 圖 11 3 外源 DNA片段插入引起基因失活 知識(shí)窗 111 Barbara M cC lintock 轉(zhuǎn)座因子的發(fā)現(xiàn)者 B 暢 M cC lintock 1902年出生于新英格蘭 生長(zhǎng)在紐約 就讀于康奈爾大學(xué) 獲博士學(xué)位后又在本校 著名的 R 暢 A 暢 Emerson玉米遺傳學(xué)研究室工作 與 George Beadle R 暢 A 暢 Emerson Charles Burnham 和 M arcus Rhoades等合作 他們對(duì)玉米的遺傳 包括籽粒顏色變異的遺傳基礎(chǔ)做了大量而深入的研究 11暢1 轉(zhuǎn)座因子的發(fā)現(xiàn)與分類 254 當(dāng)時(shí)沒有分子生物學(xué)技術(shù) 而是采用細(xì)胞遺傳學(xué)的方法對(duì)細(xì)胞的有絲分裂和減數(shù)分裂過程中染色體 行為 包括重組和染色體斷裂 倒位等做了深入細(xì)致的工作 在該項(xiàng)研究中 M cC lintock起著重要的 作用 她熟練的細(xì)胞遺傳學(xué)分析技術(shù)可準(zhǔn)確地鑒定玉米的 10條染色體和相應(yīng)的連鎖群 率先提出染 色體交換機(jī)制和核仁起源等觀點(diǎn) 然而她最著名的成果是轉(zhuǎn)座因子的遺傳性質(zhì)的研究 她到紐約冷 泉港 C arnegie研究所遺傳學(xué)研究室工作期間仍然堅(jiān)持不懈地研究追蹤轉(zhuǎn)座子介導(dǎo)玉米籽粒顏色變異 和染色體斷裂融合橋形成之間關(guān)系 M cC lintock自 1948年發(fā)表了第一篇論文 隨后又發(fā)表了幾篇 其 中最主要的一篇 1951年刊登在 C old Spring Harbor Symposium onQ uantitative B iology 只是由于轉(zhuǎn)座 因子的概念與當(dāng)時(shí)基因在染色體上具有固定位置的傳統(tǒng)觀點(diǎn)相互矛盾 因而基因可以轉(zhuǎn)座的觀點(diǎn)未 被同行接受 何況當(dāng)時(shí)也沒有人在其他生物中發(fā)現(xiàn)有轉(zhuǎn)座現(xiàn)象 直到 20世紀(jì) 60至 70年代 在細(xì)菌 和果蠅中都發(fā)現(xiàn)有轉(zhuǎn)座因子后從而改變了這一狀況 科學(xué)界意識(shí)到 M cC lintock所提出轉(zhuǎn)座因子的重 大意義 屬于劃時(shí)代的成果 因而在 1983年 也就是她發(fā)表關(guān)于轉(zhuǎn)座因子的第一篇論文后的 35年獲 得諾貝爾獎(jiǎng) M cC lintock的偉大在于她的堅(jiān)韌不拔的科研精神 頑強(qiáng)拼搏的工作態(tài)度 扎實(shí)而富于創(chuàng) 新的思維方法 精湛而熟練的細(xì)胞遺傳學(xué)技術(shù) 她的這種為科學(xué)事業(yè)而獻(xiàn)身的精神是我們學(xué)習(xí)的 榜樣 11暢1暢2 DNA 轉(zhuǎn)座 可移動(dòng)位置的遺傳因子包括兩種類型 一種類型是直接以 DNA 序列某些區(qū)段作為轉(zhuǎn)座成分的 如M cC lintock在玉米中發(fā)現(xiàn)的轉(zhuǎn)座因子和 Shapiro在大腸桿菌半乳糖操縱子中發(fā)現(xiàn)的 IS都是涉及 DNA直接轉(zhuǎn)座 因而稱為 DNA轉(zhuǎn)座 另一種類型是以 RNA介導(dǎo)進(jìn)行轉(zhuǎn)座 稱為反 逆 轉(zhuǎn)座子 retropo 唱 son 或反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子 retrotransposon 首先討論 DNA轉(zhuǎn)座 根據(jù)轉(zhuǎn)座機(jī)制 DNA轉(zhuǎn)座可分為 3種類型 1 復(fù)制型轉(zhuǎn)座 replicative transposition 在轉(zhuǎn)座反應(yīng)過程中 轉(zhuǎn)座子被復(fù)制 轉(zhuǎn)座的 DNA 序列實(shí)際上是原轉(zhuǎn)座子的一個(gè)拷貝 圖 114 a 轉(zhuǎn)座子中移動(dòng)的部分被拷貝 一個(gè)拷貝保留在原位點(diǎn) 而另一份拷貝則插入到新的位點(diǎn) 因此 其轉(zhuǎn)座過程伴隨著轉(zhuǎn)座子拷貝數(shù)的增加 復(fù)制型轉(zhuǎn)座涉及兩種類型的酶 一是轉(zhuǎn)座酶 transposase 該酶作用在原轉(zhuǎn)座子的末端 另一種為解離酶 resolvase 或稱拆分酶 它作用于復(fù)制的轉(zhuǎn)座子拷貝 例如與 TnA有關(guān)的一組轉(zhuǎn)座子只通過復(fù)制型轉(zhuǎn)座機(jī)制移動(dòng) 圖 11 4 3種不同的 DNA轉(zhuǎn)座類型 引自 Lew in 2004 a 復(fù)制型轉(zhuǎn)座 轉(zhuǎn)座子產(chǎn)生的一份拷貝插入到受體位點(diǎn) 供體位點(diǎn)序列不變 供體和受體位點(diǎn)都有轉(zhuǎn)座子的一份 拷貝 b 非復(fù)制型轉(zhuǎn)座 轉(zhuǎn)座子從供體位點(diǎn)移動(dòng)到受體位點(diǎn) 在供體位點(diǎn)造成斷裂 若斷裂不被修復(fù) 后果是致 死的 c 保守型轉(zhuǎn)座 轉(zhuǎn)座只是序列的直接移動(dòng) 沒有核苷酸鍵的損失 其與 噬菌體的整合和切除機(jī)制相似 2 非復(fù)制型轉(zhuǎn)座 nonreplicative transposition 轉(zhuǎn)座因子作為一個(gè)物理性實(shí)體 直接從一個(gè)位點(diǎn)移動(dòng)到受體 DNA 一個(gè)靶位點(diǎn) 并且保守性很 強(qiáng) 這可以通過兩種機(jī)制實(shí)現(xiàn) 一種是利用供體與靶 DNA 的連接 并且有些步驟與復(fù)制型轉(zhuǎn)座相 同 插入序列和復(fù)合轉(zhuǎn)座子 Tn10和 Tn5便是利用這種轉(zhuǎn)座機(jī)制進(jìn)行轉(zhuǎn)座的 圖 114 b 另一種 是轉(zhuǎn)座過程中轉(zhuǎn)座子必須從供體 DNA 上釋放 這種機(jī)制只需要轉(zhuǎn)座酶 非復(fù)制型轉(zhuǎn)座的兩種機(jī)制 1 1 轉(zhuǎn)座因子的遺傳分析 255 皆導(dǎo)致轉(zhuǎn)座子離開供體位點(diǎn)并插入到靶位點(diǎn) 在發(fā)生非復(fù)制型轉(zhuǎn)座之后 供體分子的存活可能需要 宿主修復(fù)系統(tǒng)識(shí)別雙鏈缺口并對(duì)其進(jìn)行修復(fù) 3 保守型轉(zhuǎn)座 conservitive transposition 這種轉(zhuǎn)座實(shí)質(zhì)是另一種非復(fù)制型轉(zhuǎn)座過程 在此過程中 轉(zhuǎn)座元件從供體位點(diǎn)上切除并通過一 系列過程插入到靶位點(diǎn) 其所有堿基均被保留 圖 114 c 保守型轉(zhuǎn)座與 噬菌體整合機(jī)制非常 相似 其轉(zhuǎn)座酶與 整合酶也相關(guān) 應(yīng)用保守型轉(zhuǎn)座機(jī)制的轉(zhuǎn)座子較大 并且除了介導(dǎo)轉(zhuǎn)座子本身轉(zhuǎn) 移外 還能將供體細(xì)菌的 DNA轉(zhuǎn)移到另一種細(xì)菌 雖然這種元件最初被歸類為轉(zhuǎn)座子 但稱為附加 體 episome 更加確切 某些轉(zhuǎn)座子只采用一種轉(zhuǎn)座機(jī)制 而另一些轉(zhuǎn)座子可能具備兩種途徑 如 IS 1和 IS 903就采用 復(fù)制和非復(fù)制兩種途徑 M u噬菌體能從共同的中間體轉(zhuǎn)變?yōu)閮煞N途徑中的一種 還有些轉(zhuǎn)座子存 在著不同的轉(zhuǎn)座機(jī)制交替使用 據(jù)此特征難以劃分它們的類型 DNA區(qū)段無論以什么機(jī)制進(jìn)行轉(zhuǎn)座 其轉(zhuǎn)座過程是有別于同源重組過程 這些 DNA序列的轉(zhuǎn) 座往往發(fā)生在非同源序列之間 也不需要像細(xì)菌同源重組中 Rec A等蛋白質(zhì)的參與作用 只依賴于轉(zhuǎn) 座區(qū)域 DNA復(fù)制 轉(zhuǎn)座酶和特定的反向重復(fù)序列等因子而完成重組過程 11暢1暢3 反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子 反轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)座過程均由 RNA介導(dǎo) 通過反轉(zhuǎn)錄酶將轉(zhuǎn)座子 RNA拷貝為 cDNA后再整合到宿 主基因組中 圖 115 因此稱為反轉(zhuǎn)座子 包含反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子和反轉(zhuǎn)錄病毒 retrovirus 圖 11 5 反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)座作用 引自 G riffiths等 2005 通過反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子編碼的反轉(zhuǎn)錄酶將其轉(zhuǎn)錄的 RNA 反轉(zhuǎn)錄為 DNA 再插入基因組的新位點(diǎn) 反轉(zhuǎn)座子只在真核生物基因組中發(fā)現(xiàn) 迄今尚未在原核生物中找到 一些反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子與細(xì)胞 中游離的反轉(zhuǎn)錄病毒基因組之間有許多相似性 圖 116 反轉(zhuǎn)錄病毒的基因組為 RNA分子 可 感染許多脊椎動(dòng)物 該病毒感染細(xì)胞后 由病毒基因組編碼的反轉(zhuǎn)錄酶將其 RNA拷貝為 DNA 然后 整合到宿主基因組中 新的病毒產(chǎn)生必須由整合的 DNA轉(zhuǎn)錄為 RNA 合成由病毒基因組編碼的蛋 白質(zhì)外殼 然后再進(jìn)行包裝 圖 116 a 已經(jīng)整合到脊椎動(dòng)物染色體中的反轉(zhuǎn)錄病毒基因組稱為 內(nèi)源性反轉(zhuǎn)錄病毒 endogenous retrovirus ERV 這些 ERV有些仍有活性 在活細(xì)胞的一定生活時(shí)期 11暢1 轉(zhuǎn)座因子的發(fā)現(xiàn)與分類 256 可指導(dǎo)內(nèi)源病毒的合成 但大多數(shù) ERV已無功能 這些無功能的病毒基因組拷貝雖然分散在基因組 中 但不能擴(kuò)增 人類基因組中約有 10 000個(gè)殘缺的內(nèi)源病毒拷貝 還有一類稱為類反轉(zhuǎn)錄因子 圖 11 6 4種反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座因子結(jié)構(gòu)比較 反轉(zhuǎn)錄病毒 a 和反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子 b 均含有長(zhǎng)末端重復(fù)序列 歸于 LTR一類 只是后者缺編碼外殼蛋白的基因 env LINE c 和 S IN E d 為非 LTR反轉(zhuǎn)座因子 兩者在 3 端均有 po ly A 區(qū) retrovital like element RTVL 人類基因組中 有近 20 000拷貝 反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子具有類似 ERV的順序 只是沒有編碼外殼蛋白的基因 env 故不會(huì)包裝形成具有蛋白質(zhì)外殼的顆 粒 這類反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子多分布在植物 真菌 和無脊椎動(dòng)物中 脊椎動(dòng)物中少見 反轉(zhuǎn)錄 轉(zhuǎn)座子在某些生物基因組中有很多的拷貝 有許多不同的類型 玉米基因組中大多數(shù)散 在重復(fù)序列都是反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子 幾乎占基因 組一半 它與反轉(zhuǎn)錄病毒結(jié)構(gòu)類似 而且都含 有負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)座的長(zhǎng)末端重復(fù)序列 long term inal repeat LTR 圖 116 b 長(zhǎng)散在核元 件 long interspersed nuclear element LINE 又 稱長(zhǎng)散在重復(fù)序列 long interspersed repeated sequence 含有與反轉(zhuǎn)座有關(guān)的類反轉(zhuǎn)座基因 圖 11 6 c 人類基因組中的 LINE 1是典 型的長(zhǎng)散在核元件 長(zhǎng) 6 暢 1 kb 含 3 500個(gè)全 長(zhǎng)的拷貝 另外有數(shù)萬個(gè)殘缺的拷貝 短散在核元件 short interspersed nuclear element SINE 又稱 短散在重復(fù)序列 short interspersed repeated sequence 本身無反轉(zhuǎn)座酶基因 但可借用宿主中的反轉(zhuǎn) 座酶實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)座 圖 116 d 人類基因組中最普遍的 SINE為 A lu 它有上百萬份拷貝 最初的 A lu 可能是7SL RNA偶爾的反轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物 并整合到基因組中 因 A lu拷貝含有內(nèi)啟動(dòng)子 具有轉(zhuǎn)錄活性 細(xì)胞可轉(zhuǎn)錄大量的 A luRNA 從而提供了該成分大量擴(kuò)增的機(jī)會(huì) 此外 還有只分布在哺乳動(dòng)物中的哺乳動(dòng)物散在重復(fù)順序 mammalian interpersed repeat M IR 是 起源于 tRNA 在靈長(zhǎng)類基因組中的拷貝數(shù)估計(jì)為 120 000 300 000 由于 tRNA基因含有內(nèi)部啟動(dòng) 子 如同 A lu重復(fù)序列一樣 M IR也可經(jīng)反轉(zhuǎn)錄大量拷貝整合到基因組中 反轉(zhuǎn)錄病毒只在脊椎動(dòng)物中發(fā)現(xiàn) 它們可能起源于 Gypsy因子 吉卜賽因子 一種反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座 子 獲得編碼衣殼蛋白基因 env 后成為可感染動(dòng)物細(xì)胞的反轉(zhuǎn)錄病毒 植物中含有除反轉(zhuǎn)錄病毒之 外的所有反轉(zhuǎn)座子 11暢2 原核生物中的轉(zhuǎn)座因子 11暢2暢1 插入序列 根據(jù)分子結(jié)構(gòu)和遺傳性質(zhì)可將原核生物中的轉(zhuǎn)座因子分為插入序列 insertion sequence IS 轉(zhuǎn) 座子 transposon Tn Mu 噬菌體 M u phage 原核生物中的轉(zhuǎn)座因子是存在于染色體 DNA上可自 主復(fù)制和轉(zhuǎn)座的基本單位 其中最簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)座因子 不含任何宿主基因的可轉(zhuǎn)位的 DNA序列就稱為 插入序列 它們是細(xì)菌染色體或質(zhì)粒 DNA 的正常組成部分 如大腸桿菌基因組中約有 20種不同 的 DNA轉(zhuǎn)座因子 都含有編碼轉(zhuǎn)座酶的基因 一個(gè)細(xì)菌細(xì)胞常帶有多個(gè) IS序列 它們都是可以自 主轉(zhuǎn)座的單元 因?yàn)閹в薪閷?dǎo)自身轉(zhuǎn)座的轉(zhuǎn)座酶 大多 IS序列已被鑒定 如 IS 1的全長(zhǎng)為 768 bp 它 1 1 轉(zhuǎn)座因子的遺傳分析 257 的兩端有 18 23 bp的反向重復(fù)序列 IS本身沒有任何表型效應(yīng) 只攜帶和它轉(zhuǎn)座作用有關(guān)的基因 稱為轉(zhuǎn)座酶基因 它們是一類最小的轉(zhuǎn)座因子 可以從染色體的一個(gè)位置轉(zhuǎn)移到另一位置 或從質(zhì)粒 轉(zhuǎn)移到染色體上 這種改變位置的行為稱為轉(zhuǎn)座 transposition 如 F因子和大腸桿菌的染色體上有 一些相同的插入序列 即 IS2 IS3等 通過這些同源序列之間的重組 F因子便插入染色體中成為 H fr菌株 目前已知的 IS至少有 10余種 如 IS1 IS2 IS3 雖然它們的大小不同 但有某些共同的 結(jié)構(gòu)特征 如每種 IS兩端的短核酸序列完全相同 但方向相反 所以稱為反向重復(fù)序列 已知各種 IS的長(zhǎng)度在 768 5 700 bp之間 如 IS1的兩端 IR長(zhǎng) 23 bp 其中 18 bp在兩端是相同的 圖 117 而 IS2的兩端是 41 bp的 IR 圖 11 7 IS結(jié)構(gòu)模式圖 引自 Lew in 2004 IS末端的反向重復(fù)序列為 9 bp 數(shù)字 1 9示堿基序列 所以含有 IS的質(zhì)粒經(jīng)變性后 分別以單鏈復(fù)性 于是在電鏡下出現(xiàn)頸環(huán)結(jié)構(gòu) 頸的部分是 IS的 IR 大環(huán)是質(zhì)粒 DNA 小環(huán)是 IS的中間序列 圖 118 而且當(dāng)一個(gè) IS插入 靶 DNA 后 在插入片 段的兩端出現(xiàn)一小段靶 DNA的序列正向重復(fù) 每種 IS插入形成這種正向重復(fù)序列的長(zhǎng)度是不同的 一般為 5 11 bp 除 IS1以外 所有已知 IS序列都只有一個(gè)開放閱讀框 open reading frame ORF 翻譯起始位點(diǎn) 緊接第一個(gè)反向重復(fù)區(qū) 終止點(diǎn)位于第二個(gè)反向重復(fù)區(qū)或重復(fù)區(qū)附近 IS1含有兩個(gè)分開的讀碼框 只有移碼通讀才能產(chǎn)生功能型轉(zhuǎn)座酶 一般情況下 每個(gè) IS轉(zhuǎn)座頻率是 10 4 10 3 世代 恢復(fù)頻率 則低得多 為 10 7 10 6 世代 11暢2暢2 轉(zhuǎn)座子 Tn是一類較大的轉(zhuǎn)座子 除了含有與轉(zhuǎn)座作用有關(guān)基因外 還帶有抗藥基因以及其他基因 如乳 糖發(fā)酵基因 因此 Tn的轉(zhuǎn)座能使宿主菌獲得有關(guān)基因的特性 已發(fā)現(xiàn)有多種 Tn 如 Tn1 Tn2 Tn3 等 Tn分子大小一般在 2 000 25 000 bp 兩端有相同序列 如 IR 某些 Tn的 IR便是已知的 IS 帶 有 IS的 Tn也稱為復(fù)合轉(zhuǎn)座子 composite transposon Tn5 Tn10和 Tn903都屬于一類復(fù)合轉(zhuǎn)座子 結(jié) 11暢2 原核生物中的轉(zhuǎn)座因子 258 圖 11 8 頸環(huán)結(jié)構(gòu)的形成 含 IS質(zhì)粒經(jīng)變性復(fù)性形成頸環(huán)結(jié)構(gòu) a 及其電鏡照片 b 大環(huán)是質(zhì)粒 DNA 小環(huán)是 IS的中間序列 頸的部分是 IS的 IR 構(gòu)比較特殊 其主序列長(zhǎng) 2 暢 7 kb左右 位于中央 兩個(gè) IS以相反的極性位于主序列兩側(cè) 圖 119 a 不含 IS的 Tn稱為簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)座子 si mple transposon 如 Tn3等 圖 119 b 圖 11 9 復(fù)合轉(zhuǎn)座子與簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)座子的結(jié)構(gòu) 引自 G riffiths等 2005 a 復(fù)合轉(zhuǎn)座子 如 Tn10 含轉(zhuǎn)座酶基因 IS10以相反方向插入形成 IR IS10L不含轉(zhuǎn)座酶基因 b 簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)座子 如 Tn3 有短 IR 不含轉(zhuǎn)座 酶 Tn3序列編碼自己的轉(zhuǎn)座酶 解離酶將負(fù)責(zé)分離共合體為供體和受體 Tn5主序列含有幾個(gè)抗生素抗性基因 包括卡拉霉素 kanamycin 鏈霉素 streptomycin 和博萊霉 素 bleomycin 一類的抗生素基因 Tn5主序列兩側(cè)的 IS既是 Tn5的重要組成部分 也是一種自主性 的轉(zhuǎn)座因子 位于 Tn5右側(cè)的 IS50R編碼兩種與轉(zhuǎn)座有關(guān)的酶 其中一種 蛋白 1 為轉(zhuǎn)座酶 另一種 蛋白 2 為轉(zhuǎn)座抑制蛋白 這兩種蛋白質(zhì)都由同一段 DNA 序列編碼 Tn5左側(cè)的 IS50L與右側(cè)的 IS50R只是一對(duì)堿基的差別 但這一微小差別會(huì)產(chǎn)生兩種重要影響 在轉(zhuǎn)座酶編碼區(qū)內(nèi) IS50L處為 CAA 谷氨酰胺 造成琥珀突變 ambermutation 成為終止密碼子 UAA 產(chǎn)生翻譯的終止信號(hào) 所以這 種突變蛋白不具有轉(zhuǎn)座功能 即 IS50R含轉(zhuǎn)座酶基因 而 IS50L則不含轉(zhuǎn)座酶基因 形成一個(gè) Tn5主區(qū)中卡拉霉素抗性基因的啟動(dòng)子 P2 所以IS50L 對(duì)主序列 Tn的轉(zhuǎn)錄具有重要影響 圖 1110 Tn5的這種結(jié)構(gòu)特征表明 兩個(gè) IS夾住一個(gè) Tn5主序列并促使其轉(zhuǎn)座到新的位點(diǎn)上 Tn 5轉(zhuǎn)座時(shí) 首先從染色體上切割下來 形成環(huán)狀結(jié)構(gòu) 然后再插入到新的位置上 因此 Tn5是非復(fù) 制型轉(zhuǎn)座 只是從一個(gè)位點(diǎn)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)位點(diǎn) 在原位并不留下一個(gè)拷貝 Tn5轉(zhuǎn)座到新的位點(diǎn)上 后 兩端都形成一段同向重復(fù) direct repeat DR 序列 除了末端帶有 IS序列的復(fù)合轉(zhuǎn)座子以外 還有一些沒有 IS序列的 體積龐大的轉(zhuǎn)座子 TnA 家 族 目前已發(fā)現(xiàn)近 40種不同的 Tn分別帶有不同的抗性基因 乳糖基因 熱穩(wěn)定腸毒素基因或接合轉(zhuǎn) 移基因等 表 111 例如 Tn3是不含 IS序列 只是在兩端接有短的反向重復(fù)序列 其中有 3個(gè)編碼 區(qū) 編碼 內(nèi)酰胺酶的氨芐青霉素 ampicillin 抗性基因 ampr 轉(zhuǎn)座酶基因 tnpA 和編碼一種阻遏物 1 1 轉(zhuǎn)座因子的遺傳分析 259 的調(diào)節(jié)基因 tnpR 整個(gè)分子長(zhǎng)為 5 000 bp 兩端各有 38 bp的 IR 圖 11 11 顯然 無論是 IS或 Tn 的兩端都有反向重復(fù)序列 似乎兩端反向重復(fù)序列的存在與它們的轉(zhuǎn)座功能密切相關(guān) 如 Tn3的兩 個(gè) IR中任一個(gè)順式作用元件缺失都會(huì)阻止轉(zhuǎn)座 此外 與轉(zhuǎn)座有關(guān)的基因當(dāng)然也是通過突變鑒定出 來的 如 Tn3中的 tnpA突變體是不能轉(zhuǎn)座的 該基因的產(chǎn)物是一種轉(zhuǎn)座酶 tnpR突變將增加轉(zhuǎn)座 頻率 因?yàn)樵摶虮磉_(dá)產(chǎn)物是阻遏物 阻遏 tnpA和它自己基因轉(zhuǎn)錄 如 tnpR蛋白失活就使 tnpA合成 增加而提高了轉(zhuǎn)座頻率 這也表明 tnpA轉(zhuǎn)座酶的量是轉(zhuǎn)座的限制因子 圖 11 10 Tn5末端重復(fù)序列的組成圖 11 11 TnA轉(zhuǎn)座子家族 成員結(jié)構(gòu) 引自 Lew in 2005 TnA 家族的轉(zhuǎn)座子末端有 IR 3個(gè)已知的基 因和一個(gè)內(nèi)部的解離位點(diǎn) reso lvation site res 表 11 1 Tn的特征 轉(zhuǎn) 座 子抗 性 標(biāo) 記長(zhǎng)度 bp 反向重復(fù)序列 中共同的序列 bp 靶 DNA中產(chǎn)生的重 復(fù)序列的大小 bp Tn1 Tn2 Tn3氨芐青霉素4 975385 Tn4氨芐青霉素 鏈霉素 磺胺205 000短含 Tn3 Tn5卡拉霉素5 4008 99 Tn5的每一端都由插 入序列 IS50按相反方向構(gòu)成 Tn6卡拉霉素4 200 Tn7三甲氧芐二氨嘧啶 鏈霉素14 000 Tn9氯霉素2 63818 239 Tn9的每一端都是同向插 入序列 IS1 Tn10四環(huán)素9 30017 239 Tn10的每一端都按相反方 向構(gòu)成的插入序列 IS10 轉(zhuǎn)座子賦予宿主細(xì)菌一定的表型 如帶有抗藥性基因的轉(zhuǎn)座子質(zhì)粒便是抗藥性質(zhì)粒 根據(jù)這一特 性采用相應(yīng)的方法來檢測(cè)某質(zhì)粒上是否存在轉(zhuǎn)座子 如該質(zhì)粒是一個(gè)非轉(zhuǎn)座性的 上面有一個(gè) ArTn 將另一個(gè)帶有抗性基因 Br的轉(zhuǎn)移質(zhì)粒引進(jìn)同一細(xì)菌 然后把敏感細(xì)胞和帶有這兩個(gè)質(zhì)粒的細(xì) 菌進(jìn)行接觸轉(zhuǎn)移試驗(yàn) 在特定的培養(yǎng)條件下使后者不能生長(zhǎng) 如果一部分敏感細(xì)胞中出現(xiàn) A rBr表 型 這就說明 A r屬于某一轉(zhuǎn)座子 如某一質(zhì)粒上帶有一個(gè) Tn 那么變性并復(fù)性后 在電鏡下可見到 一部分雜合 DNA雙鏈上出現(xiàn)頸環(huán)結(jié)構(gòu) 11暢2暢3 轉(zhuǎn)座噬菌體 Taylor于 1963年發(fā)現(xiàn)了一種特殊的噬菌體 稱為 M u mutator phage 即突變者的意思 它是大 腸桿菌的一種溫和噬菌體 按理每一種溫和噬菌體應(yīng)整合到宿主染色體的一定位置上 如像 噬菌體 11暢2 原核生物中的轉(zhuǎn)座因子 260 的整合的位置是一定的 可是 M u幾乎可插入宿主染色體任何一個(gè)位置上 而且游離 M u和已經(jīng)插 入的 M u基因次序是相同的 另外 它的兩端沒有黏性末端 插入某基因中就引起該基因突變 這些 都說明它的整合方式不同于 噬菌體 而類似于轉(zhuǎn)座因子的作用 M u是一種 DNA噬菌體 它是含有 38 000 bp的線狀 DNA 兩端各帶一小段大腸桿菌的 DNA 這 與該噬菌體插入大腸桿菌染色體上有關(guān) 距末端不遠(yuǎn)處也有類似于 IS的序列 靠近一端處存在與轉(zhuǎn) 座有關(guān)的整合與復(fù)制 A B基因 它們分別編碼相對(duì)分子質(zhì)量為 70 000與 33 000兩種蛋白 位于 M u DNA一端 在 A B與末端之間有一 C區(qū) 對(duì) A B有負(fù)調(diào)節(jié)作用 M u的轉(zhuǎn)座頻率比一般的轉(zhuǎn)座 子要高 M u的復(fù)制能力和它的轉(zhuǎn)座能力是密切相關(guān)的 M u的生存依靠轉(zhuǎn)座 復(fù)制轉(zhuǎn)座是其正常生 活史中的一種方式 在轉(zhuǎn)座過程中 它擺脫兩端原有的細(xì)菌 DNA 而轉(zhuǎn)座到新的某個(gè)位點(diǎn)上 M u DNA右側(cè)還含有一段 3 kb的序列 稱為 G區(qū) 圖 1112 a G區(qū)兩端各有一個(gè) 34 bp的反向 重復(fù)序列 其中含有兩套基因 即 Sv 和 U或 Sv 和 U 后兩個(gè)基因的轉(zhuǎn)錄方向與前兩個(gè)基因的轉(zhuǎn)錄 方向相反 圖 1112 b c 這 4個(gè)基因都編碼組成尾絲的部件 G區(qū)的 4個(gè)基因可以進(jìn)行位點(diǎn)特 異性的倒置 倒置后 U 和 Sv 基因轉(zhuǎn)錄 因?yàn)榈怪煤笫惯@兩個(gè)基因與其相鄰的啟動(dòng)子位于同一條 DNA單鏈上 另外兩個(gè)基因則不能轉(zhuǎn)錄 因?yàn)樗鼈兊霓D(zhuǎn)錄方向與啟動(dòng)子的作用方向相反 發(fā)生倒置 的區(qū)域位于兩個(gè)長(zhǎng) 34 bp的反向重復(fù)序列之間 倒置過程主要由噬菌體的 gin基因編碼產(chǎn)物即轉(zhuǎn)化酶 invertase 催化 但還需要一種宿主細(xì)胞基因的產(chǎn)物 通過 DNA片段的倒置來控制基因表達(dá)的現(xiàn)象 還見于沙門氏菌 Sal monella typhi murium 的 P1和 P7噬菌體 圖 11 12 M u位點(diǎn)特異性的倒置 a M u噬菌體 G 區(qū)的結(jié)構(gòu) 區(qū)中的啟動(dòng)子 P起始 Sv 和 U 或 Sv 和 U 基因的轉(zhuǎn)錄 gin基因的 產(chǎn)物作用于反向重復(fù) 使 G 區(qū)顛倒 b 順方向 Sv 和 U 轉(zhuǎn)錄 c 反方向 Sv 和 U 轉(zhuǎn)錄 11暢3 真核生物中的轉(zhuǎn)座子 11暢3暢1 酵母菌基因組中的轉(zhuǎn)座子 酵母菌是低等真核生物 它的基因組雖然在許多方面不同于原核生物 可是它的轉(zhuǎn)座子卻在許多 1 1 轉(zhuǎn)座因子的遺傳分析 261 方面和細(xì)菌的轉(zhuǎn)座子相似 目前在酵母中研究得較清楚的轉(zhuǎn)座子是 Ty transposon yeast Ty 系列 它們的一般長(zhǎng)度約為 5 900 bp 兩端含有兩個(gè)稱為 的正向長(zhǎng)末端重復(fù)序列 LTR 正向重復(fù)序列的 長(zhǎng)度約 340 bp 因子大約由 70 的 AT組成 每一個(gè) 因子都含有一個(gè)啟動(dòng)子和一段被轉(zhuǎn)座酶識(shí) 別的序列 圖 1113 a Ty1插入酵母菌染色體后 受體上就會(huì)出現(xiàn) 5 bp的正向重復(fù)序列 這和細(xì)菌中轉(zhuǎn)座子作用相似 另外由于 Ty1插入后 為正向重復(fù)序列 所以也有可能發(fā)生類似于細(xì)菌中復(fù)制重組過程形成的小 環(huán) 丟失一個(gè) 而留在酵母中的 稱為 Solo 這時(shí)酵母細(xì)胞表型則恢復(fù)正常 而人們可以通過對(duì) Solo 的分析來判斷此處曾插入過 Ty1 圖 1113 b 據(jù)研究 每一個(gè)酵母細(xì)胞中有數(shù)百個(gè) 因子 這些 不能轉(zhuǎn)座 但由于其含有轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)信號(hào) 它們可能會(huì)影響其附近基因的表達(dá) 另外由于每一個(gè)細(xì)胞 中有多個(gè)拷貝的 Ty1因子 所以基因組中不同位置的 Ty1因子也可能發(fā)生重組 從而導(dǎo)致染色體的易 位 缺失和倒位等結(jié)構(gòu)變異 Ty1因子只編碼一條長(zhǎng) 5 700 nt的 mRNA 轉(zhuǎn)錄的啟動(dòng)子位于 Ty1因子左端的 LTR之中 轉(zhuǎn)錄 物含有兩個(gè)可讀框 所以這條 mRNA可能編碼兩種蛋白質(zhì) 在某些酵母品系中 Ty1因子可多達(dá) 35 個(gè)拷貝 但拷貝數(shù)因品系不同而有差別 Ty1因子轉(zhuǎn)座是通過一種 RNA 中間產(chǎn)物進(jìn)行的 其過程類似反轉(zhuǎn)錄病毒的復(fù)制與整合 所以 Ty1因子也稱作反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子 一般認(rèn)為 Ty1因子轉(zhuǎn)座時(shí) 首先以其 DNA 為模板合成一個(gè)拷貝的 RNA 然后再通過反轉(zhuǎn)錄合成一條新的 Ty1因子 最后這條新的 Ty1轉(zhuǎn)座子再插入到新的位點(diǎn)上 圖 1114 圖 11 13 酵母 Ty1轉(zhuǎn)座子的結(jié)構(gòu) a 與 Solo 的形成 b 引自 Snustad 2003 圖 11 14 酵母 Ty1的轉(zhuǎn)座 引自 Snustad 2003 釀酒酵母中有控制 a與 兩種接合型的兩個(gè)基因 a與 這兩個(gè)基因都能轉(zhuǎn)座 當(dāng) a基因從它的 位置 HMR轉(zhuǎn)座到 MAT位置后便能表達(dá) 細(xì)胞就成為 a接合型 當(dāng) 基因從它的位置 HM L轉(zhuǎn)座到 MAT后 原來在 MAT上的 a基因消失 基因得以表達(dá) 細(xì)胞便能轉(zhuǎn)換成 接合型 表明這兩個(gè)轉(zhuǎn) 座子具有明顯的生理功能 它們與其他轉(zhuǎn)座子不同之處是只能轉(zhuǎn)座到 MAT這一個(gè)位置上 而其他的 轉(zhuǎn)座子幾乎可以轉(zhuǎn)座到該基因組中任何位置上 同時(shí)酵母接合型相互轉(zhuǎn)換是屬于復(fù)制型轉(zhuǎn)座 11暢3 真核生物中的轉(zhuǎn)座子 262 11暢3暢2 果蠅基因組中的轉(zhuǎn)座子 從 20世紀(jì) 70年代以來 在黑腹果蠅中一些品系間雜交子代出現(xiàn)某些異?，F(xiàn)象 例如卵巢發(fā)育不 全 分離比異常 雄性個(gè)體的減數(shù)分裂中出現(xiàn)重組 高突變率 染色體畸變等 這種現(xiàn)象統(tǒng)稱為雜種劣 育 hybrid dysgenesis 綜合征 1977年 M暢 G 暢 K idw ell等第一次證實(shí)雜種劣育只出現(xiàn)在特定的雜交組 合中 黑腹果蠅中作為父方的 造成雜種劣育的品系稱為父方品系 paternal strains 簡(jiǎn)稱 P品系 作為 母方的與 P品系雜交能造成雜種劣育的品系 則稱為母方品系 maternal strains 簡(jiǎn)稱 M 品系 P雌 P雄 M 雌 M 雄 P雌 M 雄雜交 F1正常 唯獨(dú) M 雌 P雄雜交 F1出現(xiàn)雜種劣育 深入研究證 明 這是因?yàn)樵?P品系的細(xì)胞中有導(dǎo)致雜種劣育的遺傳因子 稱為 P因子 Pelement P 因子和細(xì)菌 中的轉(zhuǎn)座子亦有許多相似之處 P因子的全長(zhǎng)是 2 907 bp 兩端有 31 bp的反向重復(fù)序列 P因 子有 4個(gè)編碼區(qū) 0 1 2 3 3個(gè)內(nèi)含子 1 2 3 體細(xì)胞中 只有內(nèi)含子 1 2能被順利切除 產(chǎn)生包 括外顯子 0 1 2的功能型 mRNA 并被翻譯成一個(gè)相對(duì)分子質(zhì)量為 66 10 3 的轉(zhuǎn)座阻遏蛋白 一 種轉(zhuǎn)座活性的抑制因子 圖 1115 a 在生殖細(xì)胞中這種蛋白質(zhì)缺失 使內(nèi)含子 3被切除 產(chǎn)生的 成熟 mRNA包括全部 4個(gè)外顯子并被翻譯成相對(duì)分子質(zhì)量為 87 10 3 轉(zhuǎn)座酶 才能導(dǎo)致 P因子轉(zhuǎn)座 和配子敗育 因?yàn)樵隗w細(xì)胞中存在一個(gè)與外顯子 3特異性結(jié)合的蛋白 這種蛋白與 RNA的結(jié)合妨礙 了內(nèi)含子 3的剪接 圖 11 15 果蠅的 P因子與雜種劣育 研究發(fā)現(xiàn) 果蠅的細(xì)胞質(zhì)因子與 P因子轉(zhuǎn)座有關(guān) 只有在 P雄 M 雌的 F1劣育是因?yàn)?M 品系 雌性細(xì)胞質(zhì)內(nèi)缺失一個(gè)相對(duì)分子質(zhì)量為 66 10 3 的轉(zhuǎn)座阻遏蛋白 因此引起了 P品系的雄性細(xì)胞核 染色體上的 P轉(zhuǎn)座子自由轉(zhuǎn)座 后代劣育 而在其他 3組雜交中 由母本提供的正常細(xì)胞質(zhì)因子都能 抑制 P因子的轉(zhuǎn)座 后代可育 由此可見 P因子與雜種劣育取決于基因組中的 P因子與細(xì)胞質(zhì)中阻 遏蛋白之間的關(guān)系 圖 1115 b 1 1 轉(zhuǎn)座因子的遺傳分析 263 P因子插入后在靶 DNA 序列形成 8 bp的正向重復(fù)序列 如缺失了中間序列而保留兩端的 31 bp 反向重復(fù)序列的 P因子 只要有相應(yīng)的外顯子提供轉(zhuǎn)座酶 那么這些缺失的 P因子仍然可以轉(zhuǎn) 座 P因子可以從原來的位置上消失 這一過程稱為切離 excision 準(zhǔn)確的切離可以使得由于 P因 子的插入而引起的突變型發(fā)生回復(fù)突變 同時(shí) P因子也全部從插入位置上消失 不準(zhǔn)確的切離可以 帶來染色體畸變 P因子或是全部消失或是有一部分殘留在染色體上 P因子的位置和數(shù)目分析是 用同位素標(biāo)記的 P因子克隆作為探針進(jìn)行檢測(cè) 結(jié)果表明不同果蠅品系的基因組中 P因子的位置 數(shù)目均不相同 而且 P因子插入引起突變的基因有白眼 w 焦剛毛 sn 黃體 y 等 許多這類突 變基因中都可以通過原位雜交的方法來證明 P因子的存在 果蠅中的轉(zhuǎn)座子除了 P因子外還有 copia 412 279 Tip FB 等 它們的結(jié)構(gòu)雖有所不同 但兩端 都有反向重復(fù)序列 圖 1116 copia在果蠅中廣泛地存在 已發(fā)現(xiàn)有 20 30族 其成員的長(zhǎng)度從 5 000 bp到 9 000 bp不等 各個(gè)成員的兩端都接有長(zhǎng) 200 500 bp的正向重復(fù)序列 每個(gè)正向重復(fù)序 列兩端具有反向重復(fù)序列 這一特征與酵母的 Ty轉(zhuǎn)座子相同 每一成員兩端正向重復(fù)序列并非高度 圖 11 16 果蠅中的 3種轉(zhuǎn)座子結(jié)構(gòu) 同源 其中存在一部分堿基不能互補(bǔ)的區(qū)域 在果蠅基因組中 copia 約有 30個(gè)拷貝 分布在幾條不同染色體上 各個(gè)成員之間 存在高度結(jié)構(gòu)保守性 當(dāng) copia插入到某個(gè)基因座位上以后 也 在其兩側(cè)形成 5 bp的染色體正向重復(fù) DNA 在成體的果蠅細(xì) 胞中以及在胚胎細(xì)胞中還存在多個(gè)拷貝的 呈小環(huán)狀的 游離于 染色體外的 copia轉(zhuǎn)座子 與酵母的 Ty轉(zhuǎn)座子相似 copia也是 通過一種 RNA 中間產(chǎn)物進(jìn)行轉(zhuǎn)座 copia序列含單一的長(zhǎng)為 4 227 bp的閱讀框 其閱讀框部分序列與反轉(zhuǎn)錄病毒的 gag和 pol具有同源性 但與 env 缺乏同源性 這意味著 copia不能編碼外 殼蛋白而產(chǎn)生病毒樣顆粒 copia轉(zhuǎn)錄物是一類富含 poly A 的 mRNA 這些 mRNA有相同的 5 端 都是從一個(gè)末端重復(fù)序列的中 部起始轉(zhuǎn)錄而形成的 轉(zhuǎn)錄物能翻譯產(chǎn)生出多種蛋白質(zhì) 它們可 能涉及 RNA剪接和多聚蛋白質(zhì)的切割等過程 11暢3暢3 玉米基因組中的轉(zhuǎn)座子 在著名的 Ac D s體系中 自主轉(zhuǎn)座的 Ac因子為一種結(jié)構(gòu)和功能都比較完整的轉(zhuǎn)座子 除了含 有自動(dòng)轉(zhuǎn)座的信息外 還具有一些與切割和轉(zhuǎn)座有關(guān)的基因或 DNA 序列 所以 Ac因子的結(jié)構(gòu)比較 復(fù)雜 相對(duì)分子質(zhì)量也比較大 根據(jù)對(duì)玉米非蠟質(zhì)基因 W x 座位中 Ac因子的序列分析 Ac因子長(zhǎng) 4 563 bp 轉(zhuǎn)錄生成單一 RNA 成熟 mRNA長(zhǎng) 3 500 nt 并含一個(gè)長(zhǎng) 807個(gè)密碼子的開放閱讀框 在 閱讀框前有 TATA盒 其后接有多聚 A加尾信號(hào)序列 并被 4個(gè)內(nèi)含子分隔成 5個(gè)外顯子 可能編碼 與轉(zhuǎn)座有關(guān)的轉(zhuǎn)座酶 transposase Ac轉(zhuǎn)座子兩端具有長(zhǎng) 11 bp的反向重復(fù)序列 在 Ac因子的插入 位點(diǎn)上 兩段反向重復(fù)序列之外各接有一段 8 bp的染色體 DNA正向重復(fù)序列 圖 1117 D s為一種結(jié)構(gòu)和功能都不完整的轉(zhuǎn)座子 只具有與切割有關(guān)的識(shí)別序列 缺乏與轉(zhuǎn)座有關(guān)的功 能 所以不能自動(dòng)轉(zhuǎn)座 容易在基因組中固定下來 根據(jù)各種 D s與 Ac因子的序列同源程度差異 可 以將 D s分成 3種不同類型 第一類為 Ac因子的缺失體 如圖 1117中的 D sa 第二類 D s只在總 長(zhǎng)不足 1 kb的末端區(qū)同 Ac因子存在同源性 而中部序列則與 Ac因子無關(guān) 如圖 1117中的 D s b 第三類 D s只是在末端反向重復(fù)序列以及 3 端約 20 bp的序列與 Ac因子存在同源性 如圖 1117中 的 D sc 同 Ac因子一樣 D s也具有 11 bp的反向重復(fù)序列和 8 bp的染色體 DNA正向重復(fù)序列 AcDs 的轉(zhuǎn)座機(jī)制屬于非復(fù)制型轉(zhuǎn)座 直接從原來位置切離后插入到新的靶位點(diǎn) 在玉米或其他植物中另一類控制因子為抑制子 啟動(dòng)子 突變子系統(tǒng) suppressor 唱promotor 唱muton system Spm 與缺陷型的 Spm dificient Spm dSpm 組成的 SpmdSpm系統(tǒng) 這類控制因子也由兩個(gè) 11暢3 真核生物中的轉(zhuǎn)座子 264 圖 11 17 玉米中的幾個(gè) Ds Ac系統(tǒng) 成員組成 即一個(gè)長(zhǎng) 8 暢 3 kb的 Spm因子和一個(gè)較小的稱為 dSpm的成員 dSpm為 Spm因子內(nèi)部發(fā) 生缺失后形成的轉(zhuǎn)座子 但能夠獨(dú)立地轉(zhuǎn)座 所謂抑制子 suppressor 即 Spm插入到某個(gè)基因后 往 往抑制該基因表達(dá) 而突變子 muton 則是指 Spm轉(zhuǎn)座所需的功能 它可能是指轉(zhuǎn)座酶 Spm因子具有 上述兩種功能 而 dSpm則不具有抑制基因表達(dá)的功能 只有植物基因組中存在 Spm因子時(shí) dSpm才能 抑制插入位點(diǎn)基因的表達(dá) 即 Spm以反式互補(bǔ)的方式為 dSpm提供抑制功能 各種 Spm和 dSpm因子的末端都具有 13 bp的反向重復(fù)序列 轉(zhuǎn)座以后 都能在插入位點(diǎn)上產(chǎn)生 3 bp的染色體正向重復(fù) 同其他植物轉(zhuǎn)座子一樣 Spm轉(zhuǎn)座以后不能使插入位點(diǎn)的基因完全恢復(fù)到 原來狀態(tài) 而是在該位點(diǎn)造成一小段重復(fù)序列 Spm的主要轉(zhuǎn)錄子只有 2 暢 5 kb長(zhǎng) 編碼一種反作用 抑制子 trans 唱 acting suppressor 蛋白 這種蛋白質(zhì)也可能行使與 Spm轉(zhuǎn)錄有關(guān)的一種正調(diào)節(jié)子的功 能 Spm也編碼一些小轉(zhuǎn)錄子 這些小轉(zhuǎn)錄子含有主轉(zhuǎn)錄子的第一個(gè)內(nèi)含子中的兩個(gè)閱讀框 即 ORFl和 ORF2 圖 1118 所有這些轉(zhuǎn)錄子都可能是前體 mRNA通過不同加工途徑形成的 當(dāng)這 兩個(gè)閱讀框中發(fā)生缺失突變或移碼突變之后 Spm往往失去轉(zhuǎn)座功能 而只具有抑制功能 因此 可 能二者的編碼產(chǎn)物都是轉(zhuǎn)座酶的組成部分 圖 11 18 轉(zhuǎn)座子 Ac與 Spm的結(jié)構(gòu)比較 L TR R TR 分別為左 右兩個(gè)反向重復(fù) 11暢3暢4 人類基因組中的轉(zhuǎn)座子 已知重復(fù)序列占了人類基因組 50 以上 其中轉(zhuǎn)座子占重復(fù)序列的 45 所有的轉(zhuǎn)座子都是多拷 貝的 這些轉(zhuǎn)座子分為 4種類型 圖 1119 最常見的為 LINE稱為長(zhǎng)散在重復(fù)序列 如 L1長(zhǎng)為 1 1 轉(zhuǎn)座因子的遺傳分析 265 6 500 bp 以富含 A序列終止 它的全長(zhǎng)含兩個(gè)閱讀框 分別稱 ORF1與 ORF2 L1是唯一在人類和小鼠 中都具有活性的一類成員 在哺乳動(dòng)物基因組中的拷貝數(shù)可多達(dá)十萬份 短散在重復(fù)序列 SINE 如 A l u元件長(zhǎng)度在 100 300 bp之間 是非自主轉(zhuǎn)座子 其 3 端與 L1有同源性 因此能依靠 L1進(jìn)行轉(zhuǎn)座 圖 11 19 人類基因組中的幾種主要轉(zhuǎn)座子 人類基因組中存在大量的長(zhǎng)約 300 bp的中度重復(fù)序列 廣泛地分布在非重復(fù) DNA 序列之間 在這 300 bp的序列中有一個(gè)限制性內(nèi)切酶 Alu1的特異性識(shí)別位點(diǎn) AGCT 由此將 300 bp的序列切 割為兩個(gè)片段 一個(gè)片段為 170 bp 另一個(gè)片段為 130 bp 說明這是一類長(zhǎng)度和性質(zhì)相似的重復(fù)序列 因而稱之為 Alu家族 Alufamily Alu 家族有多個(gè)成員 總拷貝數(shù)有 30萬 50萬個(gè) 大約平均每 6 kb DNA序列中就有 1個(gè) 占人體基因組的 3 6 在小鼠中與 Alu序列相關(guān)序列稱為 B 1家族 長(zhǎng) 度為 130 bp 在中國倉鼠中則被稱為 Alu相應(yīng)家族 Alu唱equivalent family 該家族也存在于其他哺乳 動(dòng)物的基因組中 Alu序列與 7SL RNA序列有關(guān) 它是信號(hào)識(shí)別系統(tǒng)的一個(gè)組分 其序列與 Alu序列的左半部類 似 只是在中部有一個(gè)插入序列 所以 7SL RNA 5 端的 90個(gè)堿基和 Alu的左側(cè)序列同源 而 3 端的 40個(gè)堿基與 Alu的右側(cè)序列同源 編碼 7S