可移动的遗传因子(1).ppt

第三章 可移动的遗传因子和染色体外遗传因子,转座子( Transposon，Tn) ，又称跳跃因子，其实质是一定长度的DNA 片段，因为可以从染色体的一个位点“跳”到另一个位点，或从一条染色体转移到另一条染色体上而得名。,1951年，美国McClintock在玉米中首先发现了DNA 转座子。 McClintock B. Chromosome organization and gene expression. Cold Spring Harbor Symp, 1951,16:131. 1983年获诺贝尔奖。,SG-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又受到AC控制，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非常之快，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。,直到1967 年Shapiro在对大肠杆菌的半乳糖操纵子的研究中发现插入序列这类转座因子，转座子的概念才被普遍承认和接受。 1984年，Shepherd等在玉米中又发现了另一类转座子反转录转座子(Retrotransposon)。,第一节 转座子 定义：从一个部位转移到另外一个部位的DNA序列。 存在场所：质粒、基因组 结果：影响所在位置基因的表达、基因组突变,真核生物中的转座子,对基因组的作用： DNA序列缺失、倒位、移动,遗传学效应： 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,一、转座子的分类和结构特征 （1）DNA转座子 通过DNA复制或直接切除产生可移动片段，该片断插入基因组后导致基因突变或重排，一般不改变基因组大小。 根据转座的自主性，这类转座子又分为自主转座子和非自主转座子，前者本身能够编码转座酶而进行转座，后者则要在自主转座子存在时才能够实现转座（玉米的Ac/Ds体系）。,（2）反转录转座子 转座因子的DNA 先被转录成RNA，再借助反转录酶反转录成DNA，插入到新的染色体位点，从而引起基因的突变或重排。正因为反转录转座子是通过复制方式实现转座，每转座一次，其拷贝数就增加一份，因而极大地增加了基因组的大小。,转座子结构共同点 两端有反向重复序列 转座后靶位点正向重复 编码与转座有关的蛋白 可以在基因组中移动,按转座机制进行分类，转座子又可分为以下三类： 复制型转座（replicative transposition） 转座的整个DNA序列是原转座因子的一个拷贝，而不是它本身。这种类型的转座涉及到两种酶：转座酶和解离酶。 非复制型转座（nonreplicative transposition） 转座因子直接从原位点移到靶位点，供体消失。 保守转座（conservative tranposition） 另一种类型的非复制型转座，转座因子从供体位点上切离，插入到靶位点上，宿主的修复系统能识别供体双链断裂处而将它修复，恢复原状。,（一）原核生物的转座因子 插入序列 (insertion sequence, IS)：只含有与转座有关的基因与序列 共同特征：在其末端都具有一段反向的重复序列(inverted repeats，IR)，长度不一，一般小于2kb 类插入序列(IS-like elements)：结构和IS相似，但不独立存在，作为复合转座子两臂的组件 转座子 由几个基因组成特定的DNA片段； 常带有抗菌素抗性基因；易于鉴定,可以相同或不同、同向或反向、都有功能或仅一侧有功能,TnA家族,长约5kb左右，通常两端有一对38bp左右的IR（不是IS），两个IR中任一个缺失都会阻止转座，中部的编码区不仅编码抗性标记，还编码转座酶和解离酶。 TnA家族中Tn3和Tn1000()研究得最深入。,每个Tn3系转座子都带有3个基因: 1个对氨苄青霉素抗性的-内酰胺酶(-lactamase)基因 2个编码与转座作用有关的基因(TnpA和TnpR),转座酶,解离酶,3. Mu噬菌体(Mu) E.coli的温和噬菌体，溶源化后能起到转座子的作用。 携带功能基因在寄生基因组和质粒之间转座，引起大肠杆菌几乎任何一个基因发生插入突变。 含有与转座有关的基因和反向重复序列。,(二)真核生物的转座因子 （l）玉米的转座因子 Ac(Activator) /Ds(dissociation)体系,一对11bp的IR两个与转座有关的酶基因,（2）果蝇的转座因子,P因子 copia族转座因子,（3）酵母的转座因子Ty因子,是一个家族 与反转录病毒gag基因、pol基因编码的蛋白有同源性，与果绳copia族因子上有关基因有同源性 在转座时都经过了DNA-RNA-DNA的反转录过程 是一类结构与性质相似的转座因子,(4)逆转录病毒和逆转录转座子 逆转录病毒是单链RNA病毒 逆转录转座子 RNA中部： 族特异性蛋白基因gag 逆转录酶基因Pol 病毒外壳蛋白基因env 当病毒反转录成前病毒双链DNA时，两端发生重排，各形成一个称LTR的序列(long terminal repeat)。使前病毒DNA具有类似转座子的能动性，能插入染色体的许多位点上，造成靶位有短的同向重复序列，并对附近的基因表达起调控作用。如插入原癌基因附近使其活化引起癌变。,1.DNA转座子(DNA-based transposable elements) 与细菌转座子结构类似, 两端有IR，内部有转座酶编码序列，通过剪贴(cut and paste) 或复制(copy and paste) 方式进行转座. 在人类基因组中, DNA 转座子约占1.6 %,2.自主性反转录转座子 (autonomous retrotransposons) 内部含逆转录酶编码序列, 通过DNA-RNA-DNA 方式进行转座，即转座子转录产生相应的RNA，再经逆转录生成新的转座子DNA 并整合到基因组中。 根据结构中有无长末端重复序列(long terminal repeats , LTRs)，自主性反转录转座子又可以分为二类： 含LTRs 的转座子含量最多的是人类内源性逆转录病毒 不含LTRs 的转座子long interspersed elements，称为L1,3.非自主性反转录转座子 (non-autonomous retrotrasposons) 通过DNA-RNA-DNA方式转座，本身不能编码蛋白质，必须借助胞内酶才能实现转座。 100-300bp，拷贝数达数十万份。 人类基因组中的非自主性反转录转座子主要为Alu 家族和加工后的假基因。,反转录转座子与人类疾病 L1引起的疾病：血友病A、Duchenne型肌营养不良、多发性结肠腺癌等 Alu也是人类疾病的病因之一，到目前为止，至少已发现9 种全长Alu 插入片段与人类疾病有关。,转座子的应用：转座子标签(transposon tagging) 又称为转座子示踪法，是在不了解基因产物的生化性质和表达模式的情况下分离克隆基因。 其原理是利用转座子的插入造成基因突变，从突变株的基因文库中筛选出带此转座子的克隆，它必定含有与转座子序列相邻的突变基因的部分序列，再利用这部分序列从野生型基因文库中获得完整的基因。,克隆转座子主要有两条途径： 利用抗体识别或cDNA探针从野生型植株中获得表达量降低或不稳定基因座的序列，再从突变体中分离得到相应的转座子。 根据序列同源性，在基因组的不同位置分离同一家族的转座子成员。,第二节 质粒(plasmid),一、定义 独立于染色体外，能进行自主复制的细胞质遗传因子。 质粒在多种微生物细胞和某些真核细胞中以共价闭合环状(covalently closed circle)的超螺旋双链DNA分子的形式存在。,。,二、质粒的分类 细菌性因子(致育因子或F 因子) 产大肠杆菌素因子(col 因子) 抗药因子(R因子)：G- 杆菌耐药性质粒 淋病奈瑟菌耐药性质粒 毒力相关性质粒： 肠致腹泄性大肠杆菌(ETEC) 毒力相关性质粒 耶尔森菌毒力相关性质粒 R因子相关性转座子 其它质粒： 根癌农杆菌的致癌Ti质粒 假单胞杆菌中降解烷烃和芳香烃的质粒 酵母菌中大小为2m 的质粒 放线菌中与抗生素合成、抗生素抗性有关的质粒等 噬粒(phagemid或phasmid),在细菌细胞里： 既可以如同质粒一样复制生成双链DNA。 (称为phagemid) 当辅助噬菌体存在时，又可如同单链噬菌体一样复制出单链DNA，并包装成噬菌体颗粒释放出宿主细胞。辅助噬菌体是一类自身DNA复制效率极低的突变型，但可为宿主细胞的质粒DNA提供的复制和包装所需的蛋白酶和外壳蛋白。 (称为phasmid),噬粒(phagemid或phasmid)由质粒载体和单链噬菌体载体构建成的既有质粒的复制起点，又有噬菌体的复制起点的一种嵌合体。,质粒的特性 独立复制 不相容性 可有几种质粒同时共存在于一个细菌内，而有些质粒则不能共存 有多个基本基因 复制起动区 ，抗生素标记 ，操纵子 许多限制性内切酶的切点 转移性 选择性标记： 常用抗药性筛选标记，如氨苄青霉素、四环素、氯霉素、卡那霉素等,质粒的复制 严谨型（低拷贝数）质粒：在每个细胞中只有1-2个拷贝 松弛型（高拷贝数）质粒 ：在每个细胞中可以有10-100个拷贝,第三节 遗传重组 指配对的染色体之间能够在形成卵细胞和精子细胞的过程中交换基因。 不同DNA链的断裂和连接而产生的DNA片段的交换和重新组合，形成新的DNA分子的过程。,一、同源重组 (homologous recombination) 发生在DNA的同源序列之间，涉及的是大片段同源DNA序列的交换。,1.同源重组的分子机制 Holliday重组模型 Meselson-Radding重组模型,Holliday重组模型1964年,Meselson-Radding重组模型，1975年,2.同源重组的酶学（大肠杆菌）,RecBCD的作用 核酸酶活性；解旋酶活性；ATPase活性 RecA的作用重组蛋白 RuvAB的作用分支迁移 RuvC的作用内切酶，识别Holliday分支,同源重组的起始,二、位点特异重组 (site-specific recombination) 由位点特异性重组酶所介导的一种DNA重组反应。 位点特异性重组系统：重组酶、特异性识别位点 不依赖于DNA顺序的同源性（虽然亦可有很短的同源序列），依赖于能与某些酶相结合的DNA序列的存在。 特异的酶能催化DNA链的断裂和重新连接，能发动位点特异性重组作用。,例1 噬菌体对E.coli的整合,例2 真核生物免疫球蛋白VDJ重排,位点特异性重组与同源重组的区别 同源重组 DNA链的切断是完