DNA转座

第6节DNA转座一、理论背景冷落四十年的转座子理论1983年,美国遗传学家巴巴拉．麦克林托克（B．McClintock）由于发现了可移动的遗传物质，被授予诺贝尔医学奖。人们把麦氏的成就比之为一百年前另一位伟大的遗传学家孟德尔的成就。研究玉米玉米是经典遗传学研究中采用的一个理想的供试对象。因为它的籽粒和叶子有颜色变化。这种颜色变化是由遗传结构的基本改变引起的。为了探究遗传机构变化的内在机制，麦克林托克年复一年地在田间仔细地观察玉米籽粒和玉米叶子的颜色发生的一代又一代的复杂变化；然后，将采下的材料带回实验室，观察玉米染色体的断裂和重组情况。30岁那年，麦克林托克在某些玉米籽粒中发现了玉米色素显现着一些稀奇古怪的模式。她观察到玉米籽粒颜色的遗传很不稳定，有时籽粒上还出现一些斑斑点点。她通过耐心的记录和仔细的分析，发现使籽粒着色的色素基因是在某一特定代上“接上”或“拉断”的。1951年，在冷泉港生物学专题讨论会上，麦克林托克递交了自己的学术论文，向科学界同行报告了她的新理论。她提出遗传基因可以转移，能从染色体的一个位置跳到另一个位置，甚至从一条染色体跳到另一条染色体上。她把这种能自发转移的遗传基因称为“转座因子”。“转座因子”除了具有跳动的特性之外，还具有控制其他基因开闭的作用，因此“转座因子”又可叫做“控制因子”。Ａｃ／Ｄｓ转座系统例如SG是一个产生紫色色素的结构基因，它附近的一个控制因子Dｓ（称为离解因子或分化变异因子）以一定的速率关闭SG，使玉米籽粒不能产生紫色色素，而成为黄色。DS从SG附近跳开，SG所受的控制作用即被解除，玉米籽粒又变成紫色。而DS跳到远离AC处，或者AC本身跳开，DS即不受AC的控制，它又可以发挥对结构基因SG的抑制作用，使玉米籽粒成为黄色。这些控制因子跳动得如此之快，使得受它们控制的颜色基因时关时开，于是玉米籽粒便出现了斑斑点点。转座理论不被接受在当时，占统治地位的染色体遗传学理论认为，生物细胞内的遗传物质比较稳定，遗传基因以一定的顺序在染色体上作线性排列，彼此之间的距离也非常稳定。常规的交换和重组只发生在等位基因之间，并不扰乱这种距离。除了在显微镜下可见的、发生频率极为稀少的染色体倒位和相互易位等畸变可以改变基因的位置外，人们还从未认识到，也难以设想出基因会从一处跳跃到另一处。60年代中期，关于遗传物质的转移，人们在细菌中发现了转化和转导现象。60年代后期，当人们运用遗传工程这种强有力的新工具时，终于在细菌中发现了“转座子”，从而开始激起人们对麦克林托克研究工作的兴趣。许多研究很快与麦氏的早期研究所提出的相似现象联系起来。终被接受整个70年代，分子遗传学家找到了愈来愈多的可移动的遗传因子，又称之为“跳跃基因”。这些因子不仅存在于细菌中，同时也存在于较高等的动物中。麦氏的理论又得到了进一步的验证。麦克林托克30年代初做出的发现、40年代提出的理论，到60年代末终于被重新提起，80年代初为科学界普遍接受。她走在时代前面四十年，同时也为此冷落奋斗了四十年。冷落的原因和启示1.从转座子理论和经典遗传学的关系来看，转座子理论推翻了经典遗传学关于基因是稳定的这一传统观念，是一种革命性的理论，因而不为经典遗传学家所接受。2.从转座子理论和分子遗传学的关系来看，是由于前者走在了时代前面，是一种超时代发现。科学界还没有做好接受它的准备。因而遭到分子遗传学家的冷落。3.从转座子理论赖以建立的实验材料看，是由于它离开了分子生物学的主流。麦克林托克虽然身在冷泉港生物学实验室，但她所采用的材料，与该室中极大多数科学家不同。她没采用病毒和细菌作材料，研究基因的拼接、剪切和重组，而是采用玉米这样的高等植物作为研究对象。值得庆幸的是，尽管麦克林托克采用了孟德尔式的工作方式，利用了大体相同的实验材料（都是高等植物），得出了相同性质的超时代发现，也遭受了大体相同的命运，但她毕竟在晚年看到了自己理论的胜利，并获得了科学界的最高奖励——诺贝尔奖。二、转座子DNA的转座，或称移位（transposition），是由可移位因子（transposableelement）介导的遗传物质重排现象。构建了新突变。已经发现转座这一命名并不十分准确，因为在转座过程中，可移位因子的一个拷贝常常留在原来位置上，在新位点上出现的仅仅是拷贝。因此，转座有别于同源重组，它依赖于DNA的复制。三、转座子的分类和结构特征简单转座子转座子（transposon，Tn）是存在于染色体DNA上可自主复制和移位的基本单位。最简单的转座子不含有任何宿主基因而常被称为插入序列（insertionsequence，IS），它们是细菌染色体或质粒DNA的正常组成部分。一个细菌细胞常带有少于10个IS序列。转座子常常被定位到特定的基因中，造成该基因突变。IS序列都是可以独立存在的单元，带有介导自身移动的蛋白。IS序列特征小DNA片断，末端具倒置重复序列。转座时复制宿主靶位点4－15bpDNA，形成IS两端的正向重复。具有编码转座酶的基因，并催化转座子插入新位点。每个IS转座频率10－3－10－4，恢复频率10－6－10－10/世代。转座子的分类和结构特征复合式转座子（compositetransposon）是一类带有某些抗药性基因（或其他宿主基因）的转座子，其两翼往往是两个相同或高度同源的IS序列，表明IS序列插入到某个功能基因两端时就可能产生复合转座子。一旦形成复合转座子，IS序列就不能再单独移动，因为它们的功能被修饰了，只能作为复合体移动。转座作用的机制转座时发生的插入作用有一个普遍的特征，那就是受体分子中有一段很短的（3-12bp）、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。不同转座子的靶序列长度不同，但对于一个特定的转座子来说，它所复制的靶序列长度都是一样的，如IS1两翼总有9个碱基对的靶序列，而Tn3两端总有5bp的靶序列。转座作用的机制转座可被分为复制性和非复制性两大类。在复制性转座中，所移动和转位的是原转座子的拷贝。转座酶（transposase）和解离酶（resolvase）分别作用于原始转座子和复制转座子。TnA类转座主要是这种形式。在非复制性转座中，原始转座子作为一个可移动的实体直接被移位，IS序列、Mu及Tn5等都以这种方式进行转座。转座作用的遗传学效应①转座引起插入突变，造成极性突变（减低pro合成速度的基因突变）②转座产生新的基因，如抗药基因插入③转座产生染色体畸变当复制性转座发生在宿主DNA原有位点附近时，往往导致转座子两个拷贝间同源重组，引起DNA缺失或倒位。若同源重组发生在两个正向重复转座区之间，就导致宿主染色体DNA缺失。若重组发生在两个方向重复转座区之间，引起染色体DNA倒位。④转座引起的生物进化.