第十章-转座分解

第十章转座•第一节概述•第二节转座子的分类•第三节转座发生的机制•第四节真核生物的转座因子•第五节反转录病毒和反转座子1概念：转座子（transponson,简称Tn）,又称易位子，是指存在于染色体DNA上可以自主复制和位移的一段DNA顺序。转座子可以在不同复制子之间转移，以非正常重组方式从一个位点插入到另外一个位点，对新位点基因的结构与表达产生多种遗传效应。1951年McClintock-麦克林托克提出转座（Transposition）和跳跃基因(jumpinggene)的新概念；1967年Shapiro才在E.coli中发现了转座因子（transposableelement）。BarbaraMcClintock(1902-1992)NobelPrizeforPhysiologyorMedicine1983第二节转座子的分类1转座因子的类型1.1插入序列(Insertionsequence，IS)最简单的转座子称为插入序列。IS家族有很多成员，它们的结构相似特征：两端都有短5-9bp的正向重复序列（directrepeats,DR）（靶序列），略长15-25bp的反向重复序列（invertedrepeats,IR）1kb左右的编码区，它仅编码和转座有关的转座酶。表23-4IS的结构和功能DR(bp)IR(bp)中心区域(bp)靶的选择拷贝数IS1923768随机5～8IS25411327热点5(在F因子上为1)IS411～13181428AAN20TTT1或2IS54161195热点？IS10R9221329NGCTNAGCNIS50R991531热点IS9039181057随机2复合转座子（compositetransposon）复合转座子是由两端的组件由IS元件组成，中间夹着一个或多个结构基因如某些抗药性基因和其它基因组成。IS组件相同，方向相反camRISLISRIS组件IS组件中的IR中的IR图23-31复合转座子结构的(Tn9)表复合转座子的结构和功能转座因子长度(bp)遗传标记末端组件方向二组件的关系组件的功能Tn9033100KanRIS903反向相同二者皆有功能Tn92500CamRIS1正向推测相同预计有功能Tn109300TetRIS10R有功能IS10L反向有2.5%的差异无功能Tn55700KanRIS50R有功能IS50L反向1bp的改变无功能•第一节概述•第二节转座子的分类•第三节转座发生的机制•第四节真核生物的转座因子•第五节反转录病毒和反转座子转座过程：n转座酶（transposase）催化IS的转座，它由IS编码。n首先转座酶交错切开宿主靶位点，然后IS插入，与宿主的单链末端相连接，余下的缺口由DNA聚合酶和连接酶加以填补，最终插入的IS两端形成了DR或靶重复。1类型1.1复制型转座转座是伴随着新拷贝的复制。两种酶：转座酶和解离酶。TnA转座子。1.2非复制型转座一个位点移到另一位点。一种酶：转座酶。供体中无转座子。插入序列和复合转座子Tn10及Tn5；1.3保守转座宿主的修复系统能识别此处双链断裂并进行修复。2转座的机制2.1复制性转座:Tn从3’末端复制产生共合体靶单链交错切割共合体重组转座子被切开的末端和靶被切开的末端连接交叉结构(单链转移复合图23－41转座模型。Mu转座产生交换结构，此结构通过复制产生共合体，共合体中的转座子之间发生交换产生2个重组子。特征：1）转座后原来位置上的转座因子保持不变；2）转座过程中有一共合体。2.2非复制型转座断裂和重接反应使靶重构。供体保持裂缺。不形成共合体。转座酶结合在Tn两端转座子末端被交错剪切+另一条链也被切受体也被交错切割图23-42交换结构经剪切释放供体被释放Tn连接到靶上后导致非复制型转座子插入到靶DNA中，DR包在两侧，供体留下了一个双链缺口。图23-43Tn的两条链先后被切割，然后转座子与切开的靶位点连接。3Tn10的转座-转座频率的调控每个转座子控制自身转座的核心----控制转座酶的水平不到一个转座酶分子／世代／细胞自发转座频率---10－7Tn10有两种控制转座的方式a）通过反义RNA的翻译水平控制◘IS10R外侧边缘两个启动子◘PIN--弱启动子，控制IS10R的转录◘POUT—强启动子右向转录宿主DNA◘INRNA和OUTRNA有36bp的重叠稳定性：OUTRNA››INRNA◘大量OUTRNA作为INRNA的反义RNA5拷贝b）甲基化作用控制转座酶合成及其与DNA的结合◘有2个甲基化位点转座酶Tn10IS10R宿主DNAOUTIN过量的OUT－RNA与其配对，抑制甲基化阻止转录酶和DNA结合IN－RNA的转录甲基化阻止转录酶合成图23-46几种抑制Tn10专座的机制，主要是通过控专座酶的合成来调节◘一个位点在IS10R末端的IR中。此是转座酶结合的地方，此位点的甲基化抑制了转录酶和DNA的结合。◘另一个位点是在Pin中，这是启动子转录转座酶基因。该位点的甲基化抑制转录合成。4转座作用的遗传效应•引起插入突变•产生新的基因•产生染色体畸变•引起生物进化转座子FEABCD复制插入转座子新拷贝FEABCD基因F被隔断而失去功能•第一节概述•第二节转座子的分类•第三节转座发生的机制•第四节真核生物的转座因子•第五节反转录病毒和反转座子第四节真核生物的转座因子1.玉米的转座元件2.果蝇的转座元件表一些有代表性的真核转座子的属性物种转座因子家族IRDR果蝇PHoboMarinerFB311228大8829线虫Tc1542玉米AC/DSSpm/dSpmMu/mn1113200839金鱼草Tam1Tam313/141238/5一些真核生物TU/puppy大81玉米中的控制因子1.1麦克林托克的伟大发现一个“可移动的控制因子”（现在称转座子）Ds，即解离因子（dissociator），插入到C基因（色素）中，使之突变，成无色素。另一个可移动的控制因子是Ac，称激活因子（activator）Ac能激活Ds转座进入C基因或其它基因，也能使Ds从基因中转出，使突变基因回复，这就是Ac-Ds系统。1.2玉米中控制因子家族1.2.1自主性元件：有自主切离和转座的能力。可以插入到任何位点产生一个不稳定的或可“突变”等位基因。1.2.2非自主性元件：单独存在是稳定的；•它们自己并不能转座或自发地改变条件，•当基因组中存在与非自主性元件同家族的自主性元件时，它才具备转座功能，成为与自主性因子相同的转座子，不论这自主元件位于何处。非自主因子来源于自主元件:自主元件通过缺失或其它的变化，失去了反式作用的转座酶活性，但留下了完整的转座酶作用位点,包括边界。玉米中控制因子家族是由一个单一类型的自主元件和许多不同的非自主元件组成。已经发现的玉米中的转座因子包括：Ac-Ds,Spm-dSpm等。玉米转座因子的特点和原核的转座因子相似。在其两端有反向重复序列（IR），在与靶DNA连接处有短的正向重复（DR）。在Ds-Ac系统中，AC:大部分自主因子AC中含5个外显子的单个基因，其产物是转座酶，末端11bp的IR和8bp的DR，DR是由靶位点重复而成。Ds:各种Ds因子的长度和序列都不相同，但和Ac相关。其末端同样有11bp的IR。Ds比Ac短，其缺失的长度不同，一个极端的例子是Ds9因子仅缺失194bp，另一个例子是Ds6因子长仅有2Kb，相当于Ac两端各1kb。2．果蝇中的转座子---P因子“杂种不育”（hybriddysgenesis）。P型（父本贡献的，paternalcontributing）M型（母本贡献的，maternalcontributing）P（♂）×M（♀）后代不育M（♂）×P（♀）后代可育。杂种不育在P雄×M雌的F1不育是因为M品系雌性细胞质内缺失一个66KD的转座阻遏蛋白，因此引起了P品系的雄性细胞核染色体上的P转座子自由转座，后代不育。P元件P因子全长2907bp，两端有31bp的反向重复序列。4个编码区、3个内含子。体细胞中，只有内含子1、2被顺利切除，产生前3个外显子的功能型mRNA，被翻译成66KD的蛋白——一种转座活性的抑制因子。生殖细胞中，内含子3被切除，产生的成熟mRNA包括全部4个外显子并被翻译成87KD的转座酶，才能导致P因子转座和配子败育。发生机制•体细胞中含有一种蛋白，结合在第3个外显子上，阻止这个内含子的剪接。•生殖细胞中缺乏这个蛋白，因此可以剪接第三个内含子产生编码转座酶的mRNA。•当雌果蝇为M型时，在卵中无阻遏物，这样导致了来自雄果蝇中的P因子使生殖细胞中转座酶活化。有P因子转座P品系(P♂×P♀)雄性染色体雌性染色体P细胞型阻遏物P因子P因子66KD阻遏物抑制所ORF0ORF1ORF2ORF3ORF0ORF1ORF2ORF366KP♂×M♀雄性染色体雌性染色体P细胞型P因子P因子合成转ORF0ORF1ORF2ORF3座酶87K杂种不育M♂×P♀雄性染色体雌性染色体P细胞型阻遏物无P因子P因子66KD阻遏物抑制所ORF0ORF1ORF2ORF366K有P因子转座图23-57杂种不育取决于基因组中P因子和不同类型细胞中66KD阻遏物的相互作用。(仿B.Lewin:《GENES》Ⅵ,1997,Fig.18.27)没有P因子没有阻遏物•第一节概述•第二节转座子的分类•第三节转座发生的机制•第四节真核生物的转座因子•第五节反转录病毒和反转座子1．反转录病毒1.1概念转座：从DNA到DNA的转移；反转座：从DNA到RNA再到DNA的转移过程。反转录转座子/反转座子：一些真核细胞的转座子和反转录病毒的原病毒的一般组成结构相关，并且通过RNA中间体进行转座。1.2反转录病毒的生活史反转录病毒整合在细胞的基因组中，作为一种内生病毒,像是一个溶源性细菌噬菌体，其行为作为生物遗传物质的一部分。1.3反转录病毒基因组的结构与功能（1）反转录病毒包括gag-po1-env基因10-8080-100终止密码子170-1350RU5gagpolenvU3R～2000～2900～1800转录mRNA帽子--An翻译剪接，产生亚基因组RNA前体蛋白帽子--An翻译翻译加工前体蛋白核心蛋白的成分前体蛋白加工加工反转录酶内切酶蛋白水解酶病毒外壳蛋白的成分图23-60前病毒的转录，翻译和加工，产生多种蛋白。（2）反转录病毒RNA的末端是正向重复序列。R序列差异很大，长10到80nt不等。在5’端紧跟着R的是U5区，长80～100nt；在3’端R的内侧是U3序列，长170～1260nt。反转录病毒线型DNA的末端是LTRs,整合到宿主DNA中时，两端各丢失了2bp2反转录病毒的整合模型2.1反转录病毒RNA转变为病毒线性DNA反转录病毒被称为正链病毒，这是由于病毒的RNA本身编码蛋白产物。反转酶负责将基因变成为互补的DNA链，这链称为负链DNA（minusstrandDNA）。双链中的第二条DNA单链称为正链DNA（plusstrandDNA）。反转酶:具有DNA聚活酶的活性，还具有RNaseH的活性，可以降解RNA-DNA杂种链中的RNA部分。在反转录中通过模板转换产生负链DNA跳跃强停止负链DNA正链DNA的合成需要第二次跳跃跳跃强停止正链DNA模板的转换和延伸的结果是将U3序列加到5’端，同时也将U5加到了3’端，使两端产生了相同的序列。这种序列结构“U3-R-U5”被称为长的末端重复序列（longterminalrepeat，LTR）；US的3’端和U3的5’端由一个短的IR组成的，因此LTR本身的两个末端都有反向重复序列，而它的侧翼是靶DNA形成短的正向重复序列。整合的原病毒DNA像是转座子：前病毒末端的反向重复序列，其两侧面有靶DNA的正向重复序列。2.2反转录病毒DNA的整合到宿主细胞基因组原病毒是通过将线性DNA正向插入到靶位点中产生的，由病毒的整合酶所催化。ü整合酶