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1、关于分子遗传学反转录转座子第1页，讲稿共34张，创作于星期日6反转录病毒和反转录转座子反转录病毒和反转录转座子6.1 6.1 引引引引 言言言言6.2 6.2 反转录病毒生命周期反转录病毒生命周期反转录病毒生命周期反转录病毒生命周期6.3 6.3 反转录病毒基因的编码产物反转录病毒基因的编码产物反转录病毒基因的编码产物反转录病毒基因的编码产物6.4 反转录病毒中反转录病毒中DNA的产生的产生6.5 病毒病毒病毒病毒DNADNA整合到染色体整合到染色体整合到染色体整合到染色体6.6 6.6 反转录转座子的反转录转座子的反转录转座子的反转录转座子的分类分类分类分类6.7 反转录转座子在基因组进化中
2、的作用反转录转座子在基因组进化中的作用反转录转座子在基因组进化中的作用反转录转座子在基因组进化中的作用6.8 6.8 反转录转座子的应用反转录转座子的应用反转录转座子的应用反转录转座子的应用第2页，讲稿共34张，创作于星期日6.1引言引言必需中间体必需中间体RNA参与的转座参与的转座(Transposition)是真核是真核 生物所独生物所独有。有。反转录转座子（反转录转座子（Retrosposon,retrotransposon):以以RNA形式移动的转座子，形式移动的转座子，DNA元件转录成元件转录成RNA，再，再反转录为反转录为DNA,然后插入基因组中某一新位点。然后插入基因组中某一新位
3、点。RNA依赖型转座子范围非常广泛依赖型转座子范围非常广泛 如：能自由地感染宿主细胞的反转录病毒自身；如：能自由地感染宿主细胞的反转录病毒自身；以以RNA为中间体进行转座的为中间体进行转座的DNA序列；序列；以及本身不具有转座能力的元件。以及本身不具有转座能力的元件。第3页，讲稿共34张，创作于星期日6.2反转录病毒生命周期反转录病毒生命周期反转录毒反转录毒（retrovirus）含有单链含有单链RNA基因组的两份拷贝；基因组的两份拷贝；整合的原病毒是双链整合的原病毒是双链DNA序列；序列；反转录病毒通过将其基因组反转录而产生原病毒；反转录病毒通过将其基因组反转录而产生原病毒；负责将负责将RN
4、A转变为转变为DNA的酶是反转录酶的酶是反转录酶(reversetranscriptase),整合酶整合酶(integrase)负责将负责将DNA整合到宿主基整合到宿主基因组中，这两种酶均由病毒基因组编码因组中，这两种酶均由病毒基因组编码;反转录病毒生命周期包括转座样事件。反转录病毒生命周期包括转座样事件。第4页，讲稿共34张，创作于星期日艾滋病病毒艾滋病病毒(HIV)第5页，讲稿共34张，创作于星期日反转录病毒颗粒示意图反转录病毒颗粒示意图(P295)第6页，讲稿共34张，创作于星期日Retrovirusreplication(Theretroviruslifecyclep312)第7页，讲
5、稿共34张，创作于星期日逆转录病毒的繁殖周期逆转录病毒的繁殖周期 吸附于细胞表面的受体；吸附于细胞表面的受体；核侵入宿主细胞；核侵入宿主细胞；病毒病毒RNA转录为转录为DNA；以以DNA为模板复制为模板复制DNA；部分整合于宿主细胞部分整合于宿主细胞DNA形成前病毒；形成前病毒；前病毒利用宿主前病毒利用宿主RNA聚合酶合成病毒聚合酶合成病毒RNA；RNA再翻译成蛋白质；再翻译成蛋白质；病毒粒的装配；病毒粒的装配；病毒的出芽及包膜的形成。病毒的出芽及包膜的形成。第8页，讲稿共34张，创作于星期日Thereproductivecyclesofretrovirusesandretroposonsin
6、volvealternationofreversetranscriptionfromRNAtoDNAwithtranscriptionfromDNAtoRNA.Onlyretrovirusescangenerateinfectiousparticles.Retroposonsareconfinedtoanintracellularcycle.第9页，讲稿共34张，创作于星期日TheretroviruslifecycleinvolvestranspositionlikeeventsreversetranscriptaseintegraseRNADNARNA第10页，讲稿共34张，创作于星期日6.
7、3反转录病毒基因的编码产物反转录病毒基因的编码产物 典型的反转录病毒含有典型的反转录病毒含有3条基因：条基因：gag,pol,env;反转录病毒的编码产物是多聚蛋白质；反转录病毒的编码产物是多聚蛋白质；Gag和和Pol蛋白由基因组的全长转录物翻译而来；蛋白由基因组的全长转录物翻译而来；Pol蛋白的翻译需要核糖体移码；蛋白的翻译需要核糖体移码；Env由剪接过程产生的一种独立的由剪接过程产生的一种独立的mRNA翻译而来；翻译而来；三种蛋白质产物的每一种都可由蛋白酶加工产生出多种蛋白三种蛋白质产物的每一种都可由蛋白酶加工产生出多种蛋白;第11页，讲稿共34张，创作于星期日Thegenesofther
8、etrovirusareexpressedaspolyproteinsthatareprocessedintoindividualproducts.5%第12页，讲稿共34张，创作于星期日反转录病毒颗粒示意图反转录病毒颗粒示意图(P295)gaggaggagenvenvpolpolpol第13页，讲稿共34张，创作于星期日6.4 反转录病毒中反转录病毒中DNA的产生的产生 病毒病毒RNA的每一个末端都有短重复序列的每一个末端都有短重复序列(R),因而因而5和和3端端分别称为分别称为R-U5和和U3-R；tRNA引物结合到引物结合到5端的端的100200 bp位点后，反转录酶开位点后，反转录酶开
9、始合成负链始合成负链DNA；当酶到达末端，当酶到达末端，RNA的的5端就降解，接着露出端就降解，接着露出DNA产物的产物的3端；端；暴露出的暴露出的3端与另一个端与另一个RNA基因组的基因组的3端配对；端配对；合成继续进行，其产物两端都产生重复序列，重复结构为合成继续进行，其产物两端都产生重复序列，重复结构为U3-R-U5；当反转录酶利用当反转录酶利用DNA产物为模板合成互补链时，发生产物为模板合成互补链时，发生相似的链转换相似的链转换,最终形成双链最终形成双链DNA。第14页，讲稿共34张，创作于星期日RetroviralRNAendsindirectrepeats(R),thefreeli
10、nearDNAendsinLTRs,andtheprovirusendsinLTRsthatareshortenedbytwobaseseach.envenvenv第15页，讲稿共34张，创作于星期日MinusstrandDNAisgeneratedbyswitchingtemplatesduringreversetranscription.第16页，讲稿共34张，创作于星期日SynthesisofplusstrandDNArequiresasecondjump.第17页，讲稿共34张，创作于星期日MinusstrandDNAisgeneratedbyswitchingtemplatesdur
11、ingreversetranscription.SynthesisofplusstrandDNArequiresasecondjump.第18页，讲稿共34张，创作于星期日6.5病毒病毒DNA整合到染色体整合到染色体原病毒两个末端的原病毒两个末端的LTR是相同的，是相同的，U5的的3端由一个与端由一个与U3的的5端相关的短反向重复序列组成，端相关的短反向重复序列组成，LTR本身两端是以短本身两端是以短的反向重复序列结尾。的反向重复序列结尾。原病毒原病毒DNA在染色体上的组织与转座子相同，在靶位点，在染色体上的组织与转座子相同，在靶位点，原病毒的两侧都有短的同向重复序列；原病毒的两侧都有短的同向
12、重复序列；线性线性DNA被反转录病毒的整合酶直接插入到宿主染色体被反转录病毒的整合酶直接插入到宿主染色体上；上；整合过程中反转录病毒序列的两端各丢失整合过程中反转录病毒序列的两端各丢失2个碱基对。个碱基对。第19页，讲稿共34张，创作于星期日Integraseistheonlyviralproteinrequiredfortheintegrationreaction,inwhicheachLTRloses2bpandisinsertedbetween46bprepeatsoftargetDNA.第20页，讲稿共34张，创作于星期日6.6 6.6 反转录转座子分类反转录转座子分类类病毒超家族类病
13、毒超家族非病毒类超家族非病毒类超家族普通类型普通类型Ty（酵母）（酵母）Copia（果蝇）（果蝇）LINESL1（哺乳动物）（哺乳动物）SINESB1/Alu（哺乳动物）（哺乳动物）聚合酶聚合酶转录成的假基因转录成的假基因末端特性末端特性 长末端重复长末端重复 无重复无重复靶位重复靶位重复 4-6 bp 4-6 bp 16-621 bp 16-621 bp可读框可读框 反转录酶反转录酶/整合酶整合酶 无无组织组织 可能含内含子可能含内含子 无内含子无内含子第21页，讲稿共34张，创作于星期日Retroposonsthatarecloselyrelatedtoretroviruseshaveas
14、imilarorganization,butLINESshareonlythereversetranscriptaseactivity.第22页，讲稿共34张，创作于星期日RetrotranspositionofnonLTRelementsoccursbynickingthetargettoprovideaprimerforcDNAsynthesisonanRNAtemplate.Thearrowheadsindicate3ends.Forexample,LINESdonothaveLTRsandrequiretheretroposontocodeforanendonucleasethatge
15、neratesanicktoprimereversetranscriptionPrimingresultsfromnicking第23页，讲稿共34张，创作于星期日 真核生物真核生物基因组基因组10-20%10-20%：编码基因序列：编码基因序列80-90%80-90%：各种重复序列：各种重复序列串联重复序列串联重复序列散在重复序列散在重复序列短散在元件短散在元件长散在元件长散在元件加工的逆转录重复加工的逆转录重复6.7反转录转座子在基因组进化中的作用反转录转座子在基因组进化中的作用第24页，讲稿共34张，创作于星期日Fourtypesoftransposableelementsconstit
16、utealmosthalfofthehumangenome.第25页，讲稿共34张，创作于星期日问题问题 1、反转录转座子在基因组中有什么作用？、反转录转座子在基因组中有什么作用？第26页，讲稿共34张，创作于星期日 分散在真核生物基因组中的大量反转录转座子构成了基因组分散在真核生物基因组中的大量反转录转座子构成了基因组的不稳定因素，可引起基因组序列的删除、扩增、倒位、移的不稳定因素，可引起基因组序列的删除、扩增、倒位、移位、断裂、同源序列重组等现象。位、断裂、同源序列重组等现象。（1 1）如果插入到基因的）如果插入到基因的3 3，和和5 5，非翻译区或内含子非翻译区或内含子时可能会影响到基时
17、可能会影响到基 因的转录、转录后加工及翻译；因的转录、转录后加工及翻译；（2 2）如果插入在基因上游的）如果插入在基因上游的调控区调控区，其启动子和增强子可能使邻近，其启动子和增强子可能使邻近 沉默的基因得以表达；沉默的基因得以表达；（3 3）当其插入到基因的）当其插入到基因的编码序列或启动子序列中编码序列或启动子序列中时可能会造成基因时可能会造成基因 失活、基因活化及基因重排等现象。失活、基因活化及基因重排等现象。第27页，讲稿共34张，创作于星期日总结：总结：研究表明在生物进化的过程中当一定的外源刺激激活研究表明在生物进化的过程中当一定的外源刺激激活后，反转录转座子会经过反转座作用产生新的
18、拷贝插入到新后，反转录转座子会经过反转座作用产生新的拷贝插入到新的位点，造成生物的遗传变异，在自然选择和物种优化中起的位点，造成生物的遗传变异，在自然选择和物种优化中起着一定的作用。已经发现反转录转座子是引起插入突变、生着一定的作用。已经发现反转录转座子是引起插入突变、生物多样性和重复序列产生的原因，也是基因组保持可塑性的物多样性和重复序列产生的原因，也是基因组保持可塑性的原因。原因。第28页，讲稿共34张，创作于星期日6.8 反转录转座子的应用1、转座子用于生物多样性及遗传连锁分析2、利用转座子鉴定功能基因3、植物性状改良方面的应用第29页，讲稿共34张，创作于星期日 用于谱系中建立用于谱系
19、中建立系统发生关系系统发生关系 SINEsSINEs以其拷贝数多、广布于整个真核基因组、以及其插入的独立性和不可逆性等以其拷贝数多、广布于整个真核基因组、以及其插入的独立性和不可逆性等特点，已经被用于动物分类中；特点，已经被用于动物分类中；Okada Okada研究组首先从鲑鱼基因组中分离并分析了研究组首先从鲑鱼基因组中分离并分析了3 3个个SINESINE家族家族Sma FokSma Fok和和Hap,Hap,发现了发现了SINESINE在鲑科鱼类属中间的特异分布。此后，以在鲑科鱼类属中间的特异分布。此后，以1212种鲑科鱼类为材料，分析种鲑科鱼类为材料，分析HapHap家族中的几个亚家族中
20、的几个亚家族，结果推论这家族，结果推论这1212种鲑鱼分为种鲑鱼分为3 3支并重建了系统发生树。通过支并重建了系统发生树。通过SINESINE拷贝数和特异核苷酸鉴拷贝数和特异核苷酸鉴别位点的分析，该研究组还讨论了别位点的分析，该研究组还讨论了SINESINE在鲑科鱼类进化史中的水平扩增历程，并据此重建在鲑科鱼类进化史中的水平扩增历程，并据此重建了太平洋和大西洋鲑科鱼类的系统发生树。了太平洋和大西洋鲑科鱼类的系统发生树。1 1、转座子用于生物多样性及遗传连锁分析、转座子用于生物多样性及遗传连锁分析第30页，讲稿共34张，创作于星期日 非非LTRLTR反转录转座子也可作为分子标记来分析物种及属间的
21、反转录转座子也可作为分子标记来分析物种及属间的遗传多遗传多样性样性，Brassica SINEBrassica SINE元件用于元件用于CruciferaeCruciferae的遗传多样性研究，的遗传多样性研究，并分析并分析BrassicaBrassica栽培种和野生种间渐渗现象的发生程度。栽培种和野生种间渐渗现象的发生程度。反转录转座子分子标记反转录转座子分子标记IRSPIRSP、REMAPREMAP、SSAPSSAP应用于构建遗传图应用于构建遗传图谱，指纹图谱、品种鉴定谱，指纹图谱、品种鉴定第31页，讲稿共34张，创作于星期日2、利用转座子鉴定功能基因 1996年Hirchick等利用水稻
22、反转录转座Tosl建立了水稻基因敲除体系(geneknock-outsystem)1999年Sato等利用Tosl7基因敲除体系分离克隆了6个水稻knl型同源异型框基因，发现了引起水稻矮化的突变基因OSH15第32页，讲稿共34张，创作于星期日3、植物性状改良方面的应用 ShimamotoH ShimamotoH培育了含培育了含DsDs转座元件和含转座元件和含AcAc转座元件转座酶转座元件转座酶(AcTPase)(AcTPase)基因的两种水稻株系，通过杂交筛选得到了大量矮化、基因的两种水稻株系，通过杂交筛选得到了大量矮化、花期改变的突变体花期改变的突变体。2001 2001年，年，LiuLi
23、u等构建了一个转录因子等构建了一个转录因子R R的表达载体，的表达载体，R R基因基因调节花色素合成途径中的多个结构基因调节花色素合成途径中的多个结构基因(如如ICHSICHS、DFRDFR、UFGTUFGT、F3HF3H、CHICHI等等)的表达，他们在启动子的表达，他们在启动子CaMV35SCaMV35S和和R R基因之间插基因之间插入一个来源于拟南芥自主性转座子入一个来源于拟南芥自主性转座子Tag1Tag1，使转基因烟草产生，使转基因烟草产生多种嵌合花色。多种嵌合花色。第33页，讲稿共34张，创作于星期日感感谢谢大大家家观观看看17.10.202217.10.2022第34页，讲稿共34张，创作于星期日