武汉大学遗传学第11章转座因子的遗传分析

第11章转座因子的遗传分析本章仅讨论1、转座因子的分类与结构特征2、原核生物的转座因子与真核生物的转座因子3、转座作用的机制和遗传学效应11.111.1.1转座因子的发现与分类转座因子的发现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可发生多次回复突变，从而产生宽窄不同、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，但如何不稳定他不得其解。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11－1）图11—1玉米花斑表型的遗传学解释（a）由于转座因子而引起的玉米籽粒花斑的表型（b）最初认为玉米籽粒花斑形成是双突变的结果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在美国康奈尔大学和冷泉港实验室工作期间，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。McClintock认为原来的C突变（无色素）是由一个“可移动的遗传因子”，即解离因子（dissociator）Ds的插入所引起，它插入到C基因中。另一个可移动的因子是激活因子Ac（activator），它的存在激活Ds转座进入C基因或其他基因中，也能使Ds从基因中转出，使突变基因回复，这就是著名的Ac－Ds系统。McClintock还发现Ds可导致所在位置的染色体断裂，这种断裂可以通过细胞学和遗传学的方法加以检测。Ds存在的玉米的9号染色体的一条臂上，该染色体一端带有结节（knob），这一特征性结构极易辨认，在Ds处易发生断裂。当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，而且斑点大小取决于产生它的细胞分裂次数。图11－2Ds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）McClintock根据大量遗传学和细胞学研究结果，于1951年提出了生物的基因组中存在转座因子学说。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。转座因子又称为跳跃基因（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，这一成果才被接受。（1）转座重组转座：在转座酶的作用下，转座因子或是直接从原来位置上切了下来，然后插入染色体的新的位置；或是染色体上的DNA序列转录成RNA,RNA反转录产生的cDNA插入染色体上新的位置，这样，在原来位置上仍然保留转座因子，而其拷贝则插入新的位置。转座重组：由于在转座酶的作用下转座因子插入染色体或切离染色体而产生的遗传重组。原核生物转座子：插入序列(IS)转座因子（Tn）转座噬菌体真核生物转座因子：酵母Ty因子（Ty）果蝇P因子（P）玉米Ds-Ac系（DsAc）Ds（2）、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CopiaLINSL1SINSB1Alu假基因（2）编码反转录酶或整合酶（3）可含内含子（1）无重复序列(2)不编码转座子产物（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11.2.1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.coliK12chromosome8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11.2原核生物中的转座因子图11－7IS结构模式图（引自Lewin,2004）IS末端的反向重复序列为9bp，数字1～9示碱基序列图11－8含有IS的质粒经变性后，单链复性，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IR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。11.2.2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）支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TnpA转座酶的数量是转座的限制因子。具有独立的转座酶和解离酶基因，含抗药性基因IR(Invertedrepeat):38bpTransposase---TnpAgene→转座酶Resolvase---TnpR(B)gene→ampR----Lactamasegene（-内酰胺酶基因）解离酶阻遏物蛋白双功能TnpA和TnpR基因之间有一个富含A-T的内部顺式控制区。TnpR的两种功能就是通过和此区的结合来实现的。Res:Thesiteofresolution解离序列（res）是内部的特殊位点，只有TnA家族才有这一位点。TnpR解离酶的结合部位共有三个结合位点，每个长约30－40bp，结合在每个位点独立地发生。三个结合位点Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ具有序列同源性位点Ⅰ：res部位包括TnpA转录的起始点位点Ⅱ：TnpR转录的起始点解离是一种非复性反应，键的断裂和再接不要求能量的输入①超螺旋发生改变：由于转座酶的结合，DNA在res位点发生弯曲。②解离酶在res位点切开一个短的回文，产生两条双链，在5’端与解离酶共价结合：5’TTATAA3’5’TTATprotein-AA3’3’AATATT5’3’AA-proteinTATT5’11.2.3转座噬菌体1963年Taylor发现Mu－phage（Mutatorphage）Mu噬菌体是一种以大肠杆菌为寄主的温和噬菌体，以裂解生长和溶源生长两种方式交替繁衍自已，同时它又能像IS和Tn一样可以在宿主基因组上随机进行转座。即Mu噬菌体具有温和噬菌体和转座因子的双重特性。Mu是一种DNA噬菌体，38000bp线状DNA，游离噬菌体和整合状态具相同的基因次序，Mu-DNA不含末端反向重复序列，这是和其它转座子不同的地方。游离时与整合时的差别，在于两个末端序列的变化游离：两端连接着一段寄主DNA，左端100bp,右端1500bp整合：再一次整合时，这两段序列消失Mu的插入途径：（1）溶源化过程：插入寄主的任意部位，造成靶点的倍增5bp(2)裂解生长：子代Mu—DNA全部随机插入寄主DNA，能作为转座子再造成其它靶点上的插入。Mu的复制能力和它的转座能力是密切相关的，Mu的生存依靠转座，复制转座是其正常生活史中的一种方式。Mu－phage的另一结构特点：α区：含有包括A、B基因等大多数基因右侧3kb的G区序列：含Sv、U、U′和Sv′4个基因β区：含gin等两个基因在转录时G区序列的不同走向导致了不同的寄主特异性：G（＋）Sv和U基因表达吸附E.coilK12菌株G（－）Sv′和U′基因表达E.coilC菌株在取向（b）时，可变化区与Sc相邻，而在取向（c）时，一个不同的可变区Sv′在该位置，倒位是由噬菌体的gin基因编码产物即转化酶（invertase）Gin蛋白来催化的，该蛋白对G序列末端的34bp反向重复序列起作用。11.2.4DNA转座的转座机制(1)复制转座Replicativetransposition(2)非复制转座Nonreplicativetransposition(3)保守转座Conservativetransposition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。座子是供体转座子的一个完整的拷贝。RR在该转座过程中，伴随着转座子的拷贝数的增加。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：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。11.3（1）Ac-Ds系统McClintock真核生物