遗传学转座课件.ppt

遗传学-转座课件疑疑惑惑！！How does DNA move?transpositiontransposition( (转座转座) )主要内容主要内容•转座因子的发现转座因子的发现•转座因子的概念转座因子的概念•转座因子的类型和结构特征转座因子的类型和结构特征•转座机制转座机制•真核生物转座子真核生物转座子•逆转录病毒和反座子逆转录病毒和反座子•转座的遗传学效应转座的遗传学效应一、转座因子的发现一、转座因子的发现 美国女遗传学家美国女遗传学家美国女遗传学家美国女遗传学家 Barbura McClintockBarbura McClintockVisible manifestation of transportation in maizeTransposition(Transposition(转座转座) ：由可移位因子介导的遗传：由可移位因子介导的遗传 物质重排现象物质重排现象二、转座因子的概念二、转座因子的概念转座子转座子(transposon), 转座因子转座因子(transposable element)：：存在于染色体存在于染色体DNA上可自主位移的基本单位。

上可自主位移的基本单位•最简单的转座子，不含有任何宿主基因最简单的转座子，不含有任何宿主基因•是独立的单元，每个是独立的单元，每个IS元件只编码转座酶元件只编码转座酶•是细菌染色体或质粒是细菌染色体或质粒DNA的正常组成部分的正常组成部分1.1.插入序列插入序列 (insertional sequence,IS)三、原核生物转座因子的类型和三、原核生物转座因子的类型和结构特征结构特征Transposase geneIS结构特征结构特征反向重复序列反向重复序列(inverted repeat sequence)Ø在插入位点在插入位点,IS 两侧总有短的两侧总有短的正向重复正向重复(Direct repeat)IS序列结构特征比较序列结构特征比较•一类较大的转座子，除转座酶基因外，带有某些一类较大的转座子，除转座酶基因外，带有某些抗药性基因（或其他宿主基因）的转座子抗药性基因（或其他宿主基因）的转座子•复合转座子复合转座子(composite transposon)：：带有带有IS的的Tn•简单转座子简单转座子(simple transposon)：：不含不含IS的的Tn转座子转座子(composite transposon)一类带有某些抗药性基因（或一类带有某些抗药性基因（或其他宿主基因）的转座子其他宿主基因）的转座子两翼往往是两个相同两翼往往是两个相同或高度同源的或高度同源的IS序列序列复合转座子复合转座子(composite transposon) 两个相邻的两个相邻的ISIS可以使他可以使他们中间的们中间的DNADNA移动，同时也移动，同时也可制造出新的转座子可制造出新的转座子•它它是是EcoliEcoli的的一一种种温温和和噬噬菌菌体体。

与与必必须须整整合合到到宿宿主主染染色色体体特特定定位位置置上上的的一一般般温温和和噬噬菌菌体体不不同同，，MuMu噬菌体并没有一定的整合位置噬菌体并没有一定的整合位置•与与其其他他温温和和性性噬噬菌菌体体的的差差别别：：其其基基因因组组不不论论在在进进入入裂裂解解周周期期或或处处于于溶溶源源状状态态都都可可随随机机整整合合到到宿宿主主染染色色体体的的任任何何位位置置，，且且游游离离的的和和已已整整合合的的基因次序是相同的基因次序是相同的. .•与与ISIS和和TnTn两两种种转转座座因因子子相相比比，，MuMu噬噬菌菌体体的的分分子子量量最最大大（（3838kbkb）），，它它含含有有2020多多个个基基因因MuMu噬噬菌菌体体引引起起的的转转座座可可以以引引起起插插入入突突变变，，其其中中约约有有2 2％是营养缺陷型突变％是营养缺陷型突变3. 3. Mu 噬菌体噬菌体 (mutator phage)•1）结构）结构:线形线形DNA分子，分子，38kb.不含不含IR 序列，序列，游离游离MuDNA两端各带一段寄主两端各带一段寄主DNA , 整合状整合状态时会消失态时会消失 •2））MuDNA左端含有与转座有关的左端含有与转座有关的A基因和基因和B基因，分别编码分子量为基因，分别编码分子量为70kb和和33 kb的两种的两种蛋白。

蛋白•C基因编码的产物对基因编码的产物对A基因和基因和B基因表达有负调基因表达有负调节作用节作用•右端含有右端含有G片段四、转座机制四、转座机制Replicative transposition( (复制性转座复制性转座) )Non-replicative transposition( (非复制性转座非复制性转座) )Replicative transposition( (复制性转座复制性转座) )复制性转座要经过一个共整合阶段复制性转座要经过一个共整合阶段共整合体的形成共整合体的形成Non-replicative transposition( (非复制性转座非复制性转座) )非复制性转座要经过链的断裂与重连非复制性转座要经过链的断裂与重连一种方式一种方式另一种方式另一种方式玉米的玉米的Ac-Ds系统系统五、真核生物转座子五、真核生物转座子产生转座酶产生转座酶不能产生不能产生转座酶转座酶自主元件自主元件非自主元件非自主元件移动到新位点移动到新位点移动到新位点移动到新位点Ac Ds反式激活反式激活Autonomous Nonautonomous果蝇的转座子果蝇的转座子P因子的结构与功能示意图因子的结构与功能示意图六六.逆转录病毒和反座子逆转录病毒和反座子 Retroviruses and retroposonsRNA intermediate transposition反座子反座子(retroposons):指通过指通过RNA为中介，反转录成为中介，反转录成DNA后进行转座的可动元件。

又称反转录转座子后进行转座的可动元件又称反转录转座子(retrotransposon)逆转录病毒整合入宿主逆转录病毒整合入宿主DNADNA中的分子机制，其本质是转座中的分子机制，其本质是转座逆转录病毒和反座子的逆转录病毒和反座子的循环循环6.1逆转录病毒（逆转录病毒（Retroviruses））•具有包膜，圆球状，直径为具有包膜，圆球状，直径为8080~ ~120nm120nm•基因组是单正链基因组是单正链RNARNA，，3.53.5~ ~9.0kb9.0kb•病毒颗粒中有逆转录酶病毒颗粒中有逆转录酶•能整合于宿主细胞的染色体能整合于宿主细胞的染色体逆转录病毒颗粒结构逆转录病毒颗粒结构RNA逆转录酶逆转录酶衣壳蛋白衣壳蛋白基质蛋白基质蛋白包膜包膜gp120gp41 调节和调节和启动转录启动转录 LTR gag pol env LTR 长末端长末端长末端长末端重复序列重复序列重复序列重复序列正常的病毒基因正常的病毒基因正常的病毒基因正常的病毒基因核心蛋白质核心蛋白质(Nucleoprotein core)编码逆转录编码逆转录酶和整合酶酶和整合酶(integrase)编码病毒外壳编码病毒外壳蛋白质蛋白质(Envelope)6.1.1 Genome Structure of Retrovirus§Reverse transcription§Integration§Transcription§Packaging6.1.2 Lifecycle of retrovirusLTR(long-terminal repeat):长末端重复序列长末端重复序列Provirus(原病毒原病毒):被被整合整合到细胞基因组中的逆到细胞基因组中的逆转录病毒序列转录病毒序列3 formsReverse transcription•From RNA to DNAStep 1David Baltimore•1970•Reverse transcription and Reverse transcriptase正链病毒正链病毒(Plus strand virus)负链负链DNA正链正链DNA(Minus strand)负链负链DNA负链负链DNA的合成的合成正链正链DNA的合成的合成From RNA to ssDNA, from ssDNA to dsDNAEnzymes involved§Reverse TranscriptaseIntegration•From linear DNA to provirusStep 2Integration or circulation整合整合(integration)IntegraseEnzymes involvedTranscriptionStep 3•From provirus to RNATranscriptionEnzymes involvedRNA polymeraseTwo fates of RNA:§Translation:作为作为mRNAmRNA翻译成病毒的蛋白质翻译成病毒的蛋白质§Packaging：：作为病毒作为病毒RNARNA基因组被装配成新的基因组被装配成新的病毒颗粒病毒颗粒TranslationEverything is ready!Packaging•2 RNAs in 1 virus•2 different but related viruses infect 1 cell = heterozygous virusHIV 从受感染细胞的质膜出芽的情形从受感染细胞的质膜出芽的情形6.1.3 逆转录病毒会将宿主序列在细胞间转送逆转录病毒会将宿主序列在细胞间转送6.2 Three classes of retroposons•能编码逆转录酶和能编码逆转录酶和/或整合酶，因此能进行转座或整合酶，因此能进行转座•有末端重复序列有末端重复序列•但没有但没有env基因，不能形成病毒颗粒，不能独立基因，不能形成病毒颗粒，不能独立地感染其它细胞，地感染其它细胞，病毒超家族病毒超家族(Viral superfamily)非病毒超家族非病毒超家族(Nonviral superfamily)• 不编码不编码有转座功能的蛋白质有转座功能的蛋白质• 可能源于可能源于细胞转录的细胞转录的RNA6.2.1 酵母酵母Ty (Yeast Ty elements )•2 classes: Ty1 & Ty917•Structure: ~ 6.3kb; 330bp direct repeats at each end•mRNA of Ty: >5% of total mRNA in yeast•Open reading frames: 2 •Sequences: TyA: DNA binding protein; TyB: RTase, protease, integraseTy elements generate virus-like particlesVirus like particle6.2.2 果蝇果蝇( (D. melanogaster)中的中的copiacopia反座子反座子•~5kb; •direct terminal repeat of 276 bp; •5 bp direct terminal repeats generated when integrated•copia读码框读码框: 4227 bp，，与逆转录病毒的与逆转录病毒的 gag和和pol读码框读码框同源同源; 不含不含env 同源序列。

同源序列•LINES(long interspersed elements)•Transcripted by RNA Pol II•Copy #: 20~50k per mammalian cell•Structure: ~6500bp, not terminate at LTR•open reading frames: 1 or 2•Sequences: RTase like sequence, endo- nuclease activity6.2.3 LINES•SINES (short interspersed elements)•Transcripted by RNA pol III•e.g.Alu family6.2.4 Non-viral transposition: SINES•~300,000 per haploid genome•Structure: ~300 bp, AluⅠ site in 170 bp•direct repeats at each end•sequence related to 7sL RNAAlu family6.2.5 Non-viral transposition: processed pseudogene（（加工假基因）加工假基因） Ø1.1.靶位点形成正向重复序列靶位点形成正向重复序列( (靶位加倍现象靶位加倍现象) )Ø2.2.引起插入突变；引起插入突变；七、转座的遗传学效应及应用七、转座的遗传学效应及应用Hemophilia（（血友病）血友病）: a “jumping disease”•Blood-clotting gene mutation by insertion of transposonQueen Victoria’s FamilyX-chr linked, recessiveØ3.3.转座子从原位点切离转座子从原位点切离Ø准确的切离使插入失活的基因发生回复突变，准确的切离使插入失活的基因发生回复突变，不准确的切离则不发生回复突变，而是造成序不准确的切离则不发生回复突变，而是造成序列变异列变异转座子切离所造成的序列变异转座子切离所造成的序列变异 转座子引起的转座子引起的DNA缺失缺失Ø4.4.引起染色体结构变异；引起染色体结构变异；转座子引起的转座子引起的DNA倒位倒位Ø5.5.启动外显子混编启动外显子混编Ø当二个转座子被同一转座酶识别而整合到染色当二个转座子被同一转座酶识别而整合到染色体的邻近位置时，则位于它们之间的序列有可体的邻近位置时，则位于它们之间的序列有可能被转座酶作用而转座，如果这能被转座酶作用而转座，如果这DNADNA序列中含序列中含有外显子，则被切离并可能插入另一基因中，有外显子，则被切离并可能插入另一基因中，这种效应称为这种效应称为外显子混编外显子混编( (exon shuffling)exon shuffling)双转座子插入所引起的外显子混编示意图双转座子插入所引起的外显子混编示意图6.6.调节基因表达调节基因表达•很多转座子带有增强子，像很多转座子带有增强子，像RNARNA病毒一样，能病毒一样，能使其插入部位附近的基因活性增加。

使其插入部位附近的基因活性增加•有的还含有启动子，也能促进基因的活性有的还含有启动子，也能促进基因的活性•也存在转座子插入某个基因的内含子中后影响也存在转座子插入某个基因的内含子中后影响基因表达，通常降低转录水平基因表达，通常降低转录水平•有时也会改变内含子的剪接位点，是外显子丢有时也会改变内含子的剪接位点，是外显子丢失，导致基因失活失，导致基因失活•若插入到基因转录控制区或启动子中，则导致若插入到基因转录控制区或启动子中，则导致基因完全失活基因完全失活•7.7.产生新的基因，引起生物进化产生新的基因，引起生物进化•由于转座子可以携带其他基因，包括自身的基由于转座子可以携带其他基因，包括自身的基因甚至宿主染色体上的基因进行转座，形成重因甚至宿主染色体上的基因进行转座，形成重新组合的基因组，以及前述的通过转座形成大新组合的基因组，以及前述的通过转座形成大片段插入，双转座子引起缺失、倒位、重复及片段插入，双转座子引起缺失、倒位、重复及外显子混编等均会造成基因组新的变异，这些外显子混编等均会造成基因组新的变异，这些变异对生物的进化有重要意义变异对生物的进化有重要意义•8.8.转座子标记目的基因转座子标记目的基因•由于转座子可在基因组内转座，如插入到某基由于转座子可在基因组内转座，如插入到某基因外显子内，引起基因失活，使其表型改变为因外显子内，引起基因失活，使其表型改变为突变体。

突变体•以转座子以转座子DNADNA为探针，与突变株的基因文库进为探针，与突变株的基因文库进行杂交，就可以筛选出带此转座子的克隆，它行杂交，就可以筛选出带此转座子的克隆，它必定含有与转座子邻接的突变基因的部分序列，必定含有与转座子邻接的突变基因的部分序列，•再以此序列为探针，就可以从野生型基因文库再以此序列为探针，就可以从野生型基因文库中克隆出完整的基因中克隆出完整的基因•从理论上讲，利用转座子标签法可以分离出任从理论上讲，利用转座子标签法可以分离出任何可引起表型变化的失活基因何可引起表型变化的失活基因•8.8.作为基因工程的载体作为基因工程的载体•利用利用P P因子作为载体，将外源基因转移到果蝇因子作为载体，将外源基因转移到果蝇胚胎种系细胞中，进行遗传操作胚胎种系细胞中，进行遗传操作补充补充•复旦发育生物学研究所复旦发育生物学研究所 •将甘蓝环蛾的将甘蓝环蛾的PB(PiggyBac)转座子，用于小转座子，用于小鼠和人类细胞的基因功能研究鼠和人类细胞的基因功能研究•首次创立了一个高效实用的哺乳动物转座因首次创立了一个高效实用的哺乳动物转座因子系统许田许田本章总结本章总结1. 1.概念概念（（※）） ：：transposon、、 retroposons2.转座子的发现（了解）：转座子的发现（了解）： McClintock3.转座子的类型和结构特征（转座子的类型和结构特征（※）） 插入序列插入序列(IS)复合转座子复合转座子(composite transposon)• 最简单的转座子，只编码最简单的转座子，只编码转座酶。

转座酶• 两端有两端有反向重复序列反向重复序列• 插入位点插入位点,IS 两侧总有短的两侧总有短的正向重复正向重复• 带有某些带有某些抗药性基因抗药性基因（或其他宿主基因）（或其他宿主基因）• 两翼往往是相同或同源的两翼往往是相同或同源的IS序列序列4.4.转座机制：转座机制：复制性转座、非复制性转座复制性转座、非复制性转座5.5.真核生物转座子：真核生物转座子：玉米的玉米的Ac-Ds系统、系统、果蝇的果蝇的P P因子因子6.6.转座的遗传学效应转座的遗传学效应※Ø靶位点形成正向重复序列靶位点形成正向重复序列Ø引起插入突变；引起插入突变；Ø转座子从原位点切离转座子从原位点切离Ø产生新的基因；产生新的基因；Ø改变染色体结构；改变染色体结构；Ø调节基因活性的开关调节基因活性的开关Ø引起生物进化引起生物进化Ø标记目的基因标记目的基因Ø作为基因工程的载体作为基因工程的载体7.7.逆转逆转录病毒和反座子录病毒和反座子(1) Genome Structure （（※）） 调节和调节和启动转录启动转录 LTR gag pol env LTR 长末端长末端长末端长末端重复序列重复序列重复序列重复序列正常的病毒基因正常的病毒基因正常的病毒基因正常的病毒基因核心蛋白质核心蛋白质(Nucleoprotein core)编码逆转录编码逆转录酶和整合酶酶和整合酶(integrase)编码病毒外壳编码病毒外壳蛋白质蛋白质(Envelope)(2) Lifecycle of retrovirus（（※）） §Reverse transcription§Integration§Transcription§Packaging负链负链DNA正链正链DNAProvirus(原病毒原病毒)正链病毒正链病毒(3)逆转录病毒会将宿主序列在细胞间转送逆转录病毒会将宿主序列在细胞间转送(4)Three classes of retroposons。