遗传学(第3版)第13章-转座因子的结构与功能

第13章转座因子的结构与功能1.转座因子的发现与分类2.原核生物中的转座子3.真核生物中的转座子4.转座作用的分子机制5.转座因子的遗传学效应及其应用遗传学（第3版）13.1转座因子的发现与分类13.1.1转座因子的发现1914年Emerson研究玉米果皮色素遗传,发现一种花斑果皮的突变类型多次回复突变产生宽窄不同、红白相间的花斑。这种花斑的产生在于突变基因的不稳定性，但如何不稳定？他不清楚1938年Rhoades研究玉米籽粒糊粉层色素遗传，发现修饰的孟德尔分离比：有色：斑点:白色＝12:3:1，而这两个基因是不连锁的。他认为基因A1（控制色素）a1表现为无色；另一基因Dt（斑点）表型为有色斑点。这样原品系的基因型为A1A1dtdt，突变后产生了A1a1Dtdt的植株，这种双突变植株自交就产生了上述比例（图13－1）但是什么因素导致或产生花斑呢？一种可能是在体细胞中产生了回复突变a1→A1，但大量的斑点需要很高频率的回复突变。Rhoades用a1a1Dt_（花斑）特殊无性生殖植物与a1a1的植株测交结果有的后代完全是有颜色的。表明在亲本中每个斑点实际上是回复突变的表型效应。a1成为首次发现的不稳定突变等位基因的例子,而这种等位基因的不稳定性取决于不连锁Dt基因的存在。一旦回复突变发生，它们就变得稳定了；即Dt基因能离开A1基因，这时A1的表型不再改变。因而Dt的缺乏使得表型保持稳定。Rhoades发现了某些基因的不稳定性，而且这种不稳定性是由另一个独立的因子所控制。但仍未揭示这种不稳定性的遗传学机制，也缺乏实验证据1940年至1950年McClintock研究了玉米胚乳的紫色、白色以及白色背景上带有紫色斑点这些表型之间的相互关系。她发现花斑表型是不稳定的，并根据自己的遗传学和细胞学研究结果推断“花斑”这种表型并不是一般的基因突变产生的，而是由于一种控制因子的存在所导致的。图13－2Ds转座导致籽粒斑点表型染色体的断裂结果还会形成断裂融合桥（breakage-fusion-bridge）（a）Ds位于杂合的一条同源染色体的着丝粒与一系列显性标记之间，另一条同源染色体缺乏Ds而有几个隐性基因，在Ds处断裂产生携带显性标记的无着丝粒片段而丢失，故同源染色体上隐性基因表达，籽粒产生无色扇形;（b）Ds插入C基因后籽粒为无色；当Ac激活Ds从C基因切离后，则籽粒出现有色斑点，而且斑点的大小取决于产生它的细胞的分裂次数根据大量遗传学和细胞学研究结果,McClintock于1951年提出了“转座因子”学说。这些转座因子既可以沿染色体移动，也可以在不同染色体之间跳跃——又称为跳跃基因（jumpinggene）。这是遗传学发展史中划时代的重大发现，将基因概念向前推进了一大步。但这项划时代的成果并未受到当时同行们重视。直到20世纪60年代Jacob和Monod的乳糖操纵子模型和基因调控理论发表后，特别是Shapiro在细菌中也发现了可转座的遗传因子后（图13-3），这一成果才被接受。13.1.2DNA转座可移动位置的遗传因子包括两种类型：一种类型是直接以DNA序列某些区段作为转座成分的，如在玉米中发现的转座因子Ac/Ds和在大肠杆菌中发现的IS都是涉及DNA直接转座，因而称为DNA转座；另一种类型是以RNA介导进行转座，称为反（逆）转座子（retroposon）或反转录转座子（retrotransposon）。首先讨论DNA转座，根据转座机制，DNA转座可分为两种类型：复制型转座（Replicativetransposition）非复制型转座（Nonreplicativetransposition）(1)复制转座复制转座:转座子在转座过程中被完整地复制。在新的位点上的转座子是供体转座子的一个完整的拷贝。即：一个拷贝仍在原位，而另一个同样的拷贝插入新的位点。在该转座过程中，伴随着转座子的拷贝数的增加。复制转座由两种酶催化：转座酶作用于原转座子的末端解离酶对已复制的拷贝起作用TnA等一组相关的转座子的移动仅由复制转座机理而进行。RR图-复制转座模型非复制转座：转座因子作为一个物质实体（Physicalentity）直接从一个位点移向另一个位点（site）,在供体位点留下一个双链打断的断口。若不被修复则将对供体基因组是致死的，插入序列和复合转座子Tn10及Tn5使用以上机制转座，仅要求转座酶。保守转座（Conservativetransposition）：是另一类非复制转座事件，在该过程中转座因子从供体位点切除然后插入靶位点，在一系列的过程中每一核苷酸键都被保留。（2）非复制型转座某些转座子只采用一种转座机制，而另一些转座子可能具备两种途径。如IS1和IS903就采用复制和非复制两种途径。Mu噬菌体能从共同的中间体转变为两种途径中的一种。还有些转座子存在着不同的转座机制交替使用，据此特征难以划分它们的类型。DNA区段无论以什么机制进行转座，其转座过程有别于同源重组过程。这些DNA序列的转座往往发生在非同源序列之间，也不需要像细菌同源重组中RecA等蛋白质的参与，只依赖于转座区域DNA复制、转座酶和特定的IR等因子而完成重组过程。13.1.3反转录转座子由RNA介导的转座仅发生在真核生物中，它是由反转录病毒（retrovirues）以其RNA基因组的DNA拷贝插入到宿主细胞的染色体中而产生的。一些真核细胞的转座子和反转录病毒的前病毒的一般组成相关，并且通过RNA中间体进行转座。这一类转座子称为反转座子（retroposons）和反转录转座子（retrotransposons）。包括：反转录病毒本身（自由感染宿主细胞）自已不能转座但可以通过RNA转录进行转座的序列（DNA序列）RNA→cDNA→dsDNA→整合进染色体DNA上（原病毒/前病毒provirus）DNA→RNA→cDNA→dsDNA→整合进染色体（1）反转录病毒的生活史（VIIp486,F16.1）（2）反转录病毒基因组的结构与功能及转录（VIIp488,F16.3）典型的反转录病毒含3—4个“基因”（编码区）gag:（Group-specificantigenes）nucloecapidgene核衣壳蛋白基因或internalstructuralprotein病毒核心蛋白基因pol:RNA－dependentDNApolymerase反转录酶基因env:envelopglycoproteins外膜糖蛋白基因此外某些还会有癌基因非编码区（图16.5）R区：为基因组两端的重复序列，每个重复单位10－80nt，cDNA(—)的反转录所必需的PB+:负链cDNA合成的起始位点，称为引物结合区（primerbindingregion）可与各种tRNA的3’端碱基互补（16－19nt互补）U区：U580-100nt(单一序列)U3含170－1260（或1350）nt，含有强的启动子，从这里开始合成前病毒DNA(1)病毒基因组（RNA）、病毒线形DNA、前病毒DNA比较：RNA反转录生成前病毒双链DNA并整合到寄主细胞的基因组上，双链前病毒的长度要比反转录前的单链RNA分子长，这是病毒DNA分子两端发生重排形成：LTR(Longterminalrepeat)结构：U3-R-U5这是反转录病毒DNA形成的特有结构LTR与病毒DNA整合进寄主染色体有关返回（2）反转录病毒基因组的复制及LTR的形成（F5.47）合成起始是由tRNA作为引物结合到引物结合位点（PBS）上→反转录酶使该引物向病毒RNA模板5’端延伸，合成DNA:合成U5和R→RNaseH降解RNA-DNA异源双链中的RNA链→反转录酶经DNA与RNA的杂交序列跳跃到病毒RNA链的3’端→反转录酶延伸引物，RNA-DNA异源双链被RNaseH降解→RNA部分引发第二链DNA合成→DNA链延伸，RNA降解→RNaseH降解tRNA→通过PBS序列杂交产生第二次跳跃→完成DNA的合成反转录病毒基因组的复制(RNA→cDNA→dsDNA)及LTR的形成（3）反转录转座子的类别在哺乳基因组中有三种类型的反转录转座子：病毒超家族、LINES和非病毒超家族Copia图Ty图（4）、转座子的类别IS——两端有IR，只编码转座酶类转座因子——结构同IS，但不能独立存在，仅作为复合子的两端组件复合转座子——两端由IS或类IS构成，可编码抗抗菌素物质TnA转座子家族——两端为IR,可编码转座酶、解离酶和抗性物质Ac-Ds双因子系统（玉米中）激活——解离因子P因子——果蝇中父本因子，在M♀×P♂中导致杂种不育反转录病毒:RNA→DNA→整合宿主靶DNATy(1)有长末端重复序列Copia（2）编码反转录酶或整合酶LINSL1（3）可含内含子SINSB1（1）无重复序列Alu(2)不编码转座子产物假基因（3）无内含子原核转座子病毒超家族非病毒超家族反转录转座子真核13.2.1插入序列IS(Insertionsequence)插入序列是最简单的转座因子IS是细菌染色体和质粒的正常组成部分，可进行同源序列间的重组。E.coliK12chromosome有8个IS1、5个IS2和IS3。IS是独立的结构单位:转座组件（transpositionmodules)自主单位（autonomousunits）仅有为其自身转座编码的基因，不含有其它编码蛋白的结构基因结构都较短：～1000bp（768bp～1500bp)两端含有20-40bpIR（Invertedterminalrepeat)末端反向重复序列识别的靶序列5-9bp，转座后，在寄主DNA上产生同向重复。IS因子插入细菌染色体上可以产生各种效应，这取决于其插入的方向，IS因子虽然不含有其它编码蛋白质的结构基因，但是它们可以含有转录终止子（transcriptionalterminator)或启动子（promoter）从分子遗传学角度解释极性效应：（1）IS中可能有终止子信号，它的插入会造成mRNA的转录的终止（2）含有无义密码子，造成翻译的终止由此影响到后续基因的翻译13.2原核生物中的转座因子图13－7IS结构模式图IS末端的反向重复序列为9bp，数字1～9示碱基序列类插入序列（IS-likeelement）是指IS10R、IS50R和IS903,它们的结构和IS相似，但不独立存在。而是作为复合转座子两臂的组件。图13－8颈环结构的形成含IS质粒经变性复性形成颈环结构（a）及其电镜照片（b），大环是质粒DNA，小环是IS的中间序列，颈的部分是IS的IR13.2.2转座子（1）复合转座子（compositetransposons）结构：比IS长得多，自身转座基因＋其它基因（抗药性基因）不同的复合转座子的抗性标记不同复合转座子两端的组件由IS和类IS组成“两端”我们称为“Arms”，“Arms”可以是同方向的、也可以是反方向的。一般，当一个复合型转座子两侧组件不同时，该转座子的转座作用主要依靠其中一个组件的功能（Tn10中，IS10R）维持复合型转座子的一个主要动力是对中心区所携带的标志的选择。一个IS10结构单位自身可以随意地移动，并且比Tn10的移动频率高一个数量级。但对Tetr的选择可使Tn10维持在一起，因此在选择的条件下，完整的Tn10的转座频率可明显增加。IS元件所编码的转座酶的活性负责识别一个靶部位和识别转座子的末端。只有转座子的末端可以作为转座的底物。（2）TnA转座子家族TnA家族包括几个相关的转座子，其中Tn3和Tn1000（以前叫）最具代表性结构特点：比较大——5kb，两端不含IS，通常末端有38bp左右的IR具有独立的转座酶和解离酶基因，含抗药性基因功能元件TnA能和单链DNA结合，并且有反式活性（即能催化其它不产生TnpA的同类转座子转座），这是不同于IS－型转座过程的。TnpR有双重作用一是作为基因表达的阻遏蛋白；另一个作用是解离酶的功能。TnpR突变，转座频率↑，由于TnpR阻遏了TnpA和其自身基因的转录；TnpR蛋白失活，TnpA合成↑，转座频率↑，这表明Tn