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1、关于生工微生物遗传转关于生工微生物遗传转座因子座因子第一页，本课件共有33页主要内容主要内容6.1 6.1 转座子概述转座子概述6.2 6.2 细菌转座子的类型和结构细菌转座子的类型和结构6.3 6.3 细菌转座子的遗传效应和应用细菌转座子的遗传效应和应用第二页，本课件共有33页6.1 6.1 转座子概述转座子概述6.1.1 6.1.1 概念概念n n转座因子（转座因子（转座因子（转座因子（transposable element,TEtransposable element,TEtransposable element,TEtransposable element,TE）是细胞中能改变）是细
2、胞中能改变）是细胞中能改变）是细胞中能改变自身座位的一段自身座位的一段自身座位的一段自身座位的一段DNADNADNADNA序列，它可以从复制子的一个座位跳跃序列，它可以从复制子的一个座位跳跃序列，它可以从复制子的一个座位跳跃序列，它可以从复制子的一个座位跳跃到另一个座位，已从同一个细胞的一个复制子跳跃到另一个到另一个座位，已从同一个细胞的一个复制子跳跃到另一个到另一个座位，已从同一个细胞的一个复制子跳跃到另一个到另一个座位，已从同一个细胞的一个复制子跳跃到另一个复制子，复制子，复制子，复制子，DNADNADNADNA片断的这种运动称为转座。片断的这种运动称为转座。片断的这种运动称为转座。片断的
3、这种运动称为转座。这段会跳跃的这段会跳跃的这段会跳跃的这段会跳跃的DNADNADNADNA片断片断片断片断称为转座子称为转座子称为转座子称为转座子 。n n第一个转座因子是美国遗传学家第一个转座因子是美国遗传学家第一个转座因子是美国遗传学家第一个转座因子是美国遗传学家McClintockMcClintockMcClintockMcClintock于于于于20202020世纪世纪世纪世纪50505050年代年代年代年代通过对玉米的遗传研究中发现的，现在认为转座子存在于地球上通过对玉米的遗传研究中发现的，现在认为转座子存在于地球上通过对玉米的遗传研究中发现的，现在认为转座子存在于地球上通过对玉米的
4、遗传研究中发现的，现在认为转座子存在于地球上所有的生物。转座子学说使所有的生物。转座子学说使所有的生物。转座子学说使所有的生物。转座子学说使McClintockMcClintockMcClintockMcClintock荣获荣获荣获荣获1983198319831983年诺贝尔生理医年诺贝尔生理医年诺贝尔生理医年诺贝尔生理医学奖。学奖。学奖。学奖。第三页，本课件共有33页是基因组内相对独立的、可移动序列是基因组内相对独立的、可移动序列是基因组内相对独立的、可移动序列是基因组内相对独立的、可移动序列。它们不必借用噬菌体或。它们不必借用噬菌体或。它们不必借用噬菌体或。它们不必借用噬菌体或质粒的形式就
5、可以从基因组的一个部位直接转移到另一个部位。质粒的形式就可以从基因组的一个部位直接转移到另一个部位。质粒的形式就可以从基因组的一个部位直接转移到另一个部位。质粒的形式就可以从基因组的一个部位直接转移到另一个部位。转座子每次移动时携带着转座必需的基因一起在基因组内跃迁，所转座子每次移动时携带着转座必需的基因一起在基因组内跃迁，所转座子每次移动时携带着转座必需的基因一起在基因组内跃迁，所转座子每次移动时携带着转座必需的基因一起在基因组内跃迁，所以转座子又称以转座子又称以转座子又称以转座子又称跳跃基因跳跃基因跳跃基因跳跃基因（jumping genejumping genejumping genej
6、umping gene）。）。）。）。转座子是基因组的正常组成成分转座子是基因组的正常组成成分转座子是基因组的正常组成成分转座子是基因组的正常组成成分，不以独立的形式存在（如噬菌，不以独立的形式存在（如噬菌，不以独立的形式存在（如噬菌，不以独立的形式存在（如噬菌体或质粒体或质粒体或质粒体或质粒DNADNADNADNA）。）。）。）。转座的发生不依赖于转座子和靶位点之间任何的序列同源性转座的发生不依赖于转座子和靶位点之间任何的序列同源性转座的发生不依赖于转座子和靶位点之间任何的序列同源性转座的发生不依赖于转座子和靶位点之间任何的序列同源性。转座以很低的频率发生（睡美人），而且转座子的插入是随机转
7、座以很低的频率发生（睡美人），而且转座子的插入是随机转座以很低的频率发生（睡美人），而且转座子的插入是随机转座以很低的频率发生（睡美人），而且转座子的插入是随机的的的的.6.1.2 转座子的特点第四页，本课件共有33页6.1.3 转座子的分类两个基本类型：两个基本类型：DNADNADNADNA转座子：一种是以编码蛋白质的转座子：一种是以编码蛋白质的DNADNA序列的形式存序列的形式存序列的形式存序列的形式存在，其编码的蛋白能直接操作在，其编码的蛋白能直接操作在，其编码的蛋白能直接操作在，其编码的蛋白能直接操作DNADNA，从而使转座子，从而使转座子能够能够能够能够在基因组内繁殖其自身在基因组内
8、繁殖其自身在基因组内繁殖其自身在基因组内繁殖其自身。RNARNA作为中介：与反转录病毒有关，并且它们可移动作为中介：与反转录病毒有关，并且它们可移动的特性来自于它们能由的特性来自于它们能由RNARNA转录物产生转录物产生DNADNADNADNA拷贝，这种拷贝，这种DNADNADNADNA拷贝然后被整合到基因组的新位点。拷贝然后被整合到基因组的新位点。第五页，本课件共有33页6.2 6.2 细菌转座子细菌转座子细菌中可转座的遗传因子可分为四类细菌中可转座的遗传因子可分为四类uu 插入序列插入序列uu 转座子转座子uu 接合型转座子接合型转座子uu 某些温和性噬菌体某些温和性噬菌体第六页，本课件共
9、有33页6.2.1 6.2.1 插入序列插入序列最简单的转座子，被称为插入序列最简单的转座子，被称为插入序列ISIS（insertion sequences,ISinsertion sequences,IS）。）。ISIS元件是细元件是细菌染色体和质粒的正常组成部分，表示法一菌染色体和质粒的正常组成部分，表示法一般按照发现的顺序或发现人的意愿，用阿拉般按照发现的顺序或发现人的意愿，用阿拉伯数字表示，如伯数字表示，如IS1,IS2IS1,IS2等。等。ISIS元件是独立的结构单位，每个元件只编码为元件是独立的结构单位，每个元件只编码为自身转座所需要的蛋白质。自身转座所需要的蛋白质。第七页，本课件
10、共有33页ISIS元件具有一个典元件具有一个典元件具有一个典元件具有一个典型的结构，它的末型的结构，它的末型的结构，它的末型的结构，它的末端为端为端为端为反向重复序反向重复序列列，而与其相连，而与其相连的宿主的宿主DNADNA的末端的末端的末端的末端为为为为短的正向重复序短的正向重复序列列。ISIS结构结构第八页，本课件共有33页在插入部位，在插入部位，IS DNAIS DNA总是和很短的正向重复总是和很短的正向重复序列（序列（direct repeatsdirect repeats）相连。但在插入之）相连。但在插入之前靶部位只有这两个重复序列中的一个。前靶部位只有这两个重复序列中的一个。转座
11、后在转座子的两侧各存在一个此序列转座后在转座子的两侧各存在一个此序列的拷贝。的拷贝。转座的结果是靶部位序列形成了两个正向重复转座的结果是靶部位序列形成了两个正向重复序列。序列。第九页，本课件共有33页当在一段当在一段当在一段当在一段DNADNA序列中见到这种结构类型时，可被用来鉴序列中见到这种结构类型时，可被用来鉴序列中见到这种结构类型时，可被用来鉴序列中见到这种结构类型时，可被用来鉴别转座子。别转座子。别转座子。别转座子。反向重复序列标明了转座子的末端。所有类型转座子的反向重复序列标明了转座子的末端。所有类型转座子的反向重复序列标明了转座子的末端。所有类型转座子的反向重复序列标明了转座子的末
12、端。所有类型转座子的转座皆需转座酶（转座皆需转座酶（转座皆需转座酶（转座皆需转座酶（transposasetransposase）对末端的识别。）对末端的识别。）对末端的识别。）对末端的识别。所有的所有的ISIS元件皆含有一个单一的长编码区，其起始于元件皆含有一个单一的长编码区，其起始于元件皆含有一个单一的长编码区，其起始于元件皆含有一个单一的长编码区，其起始于一端的反向重复序列之内，而刚好终止于另一端的反向一端的反向重复序列之内，而刚好终止于另一端的反向一端的反向重复序列之内，而刚好终止于另一端的反向一端的反向重复序列之内，而刚好终止于另一端的反向重复序列之前或之内，它编码转座酶。重复序列之
13、前或之内，它编码转座酶。重复序列之前或之内，它编码转座酶。重复序列之前或之内，它编码转座酶。第十页，本课件共有33页6.2.2 6.2.2 细菌转座子细菌转座子(Tn)(Tn)将带有抗性基因并能在不同将带有抗性基因并能在不同将带有抗性基因并能在不同将带有抗性基因并能在不同DNADNA分子间移动的遗传单位分子间移动的遗传单位叫做细菌转座子（叫做细菌转座子（bacterial transposon,Tnbacterial transposon,Tn）一般带有抗性基因，容易被鉴定，所以研究得较一般带有抗性基因，容易被鉴定，所以研究得较为深入为深入TnTnTnTn还带有其它基因，如乳糖发酵基因、胞外肠
14、毒素还带有其它基因，如乳糖发酵基因、胞外肠毒素基因等基因等第十一页，本课件共有33页6.2.3 6.2.3 细菌转座子的分类细菌转座子的分类复合转座子复合转座子复合转座子复合转座子有两个完全相同或类似的插入序列（有两个完全相同或类似的插入序列（有两个完全相同或类似的插入序列（有两个完全相同或类似的插入序列（ISISISIS）和某种抗药性基因组成的复）和某种抗药性基因组成的复）和某种抗药性基因组成的复）和某种抗药性基因组成的复合因子合因子合因子合因子两个两个两个两个ISISISIS在在在在TnTnTnTn中做反向或正向排列，中做反向或正向排列，中做反向或正向排列，中做反向或正向排列，ISISIS
15、IS可单独转座，也可带动整个可单独转座，也可带动整个可单独转座，也可带动整个可单独转座，也可带动整个TnTnTnTn转座。转座。转座。转座。第十二页，本课件共有33页复杂转座子（复杂转座子（TnATnA转座子）转座子）长度约长度约长度约长度约5000bp5000bp5000bp5000bp，两端是长度，两端是长度，两端是长度，两端是长度30-40bp30-40bp30-40bp30-40bp的末端反向重复序列（的末端反向重复序列（的末端反向重复序列（的末端反向重复序列（IRIRIRIR），），），），或正向重复序列（或正向重复序列（或正向重复序列（或正向重复序列（DRDRDRDR），中央是转座
16、酶基因和抗药性基因。），中央是转座酶基因和抗药性基因。），中央是转座酶基因和抗药性基因。），中央是转座酶基因和抗药性基因。总是作为一个整体单位进行转座。总是作为一个整体单位进行转座。总是作为一个整体单位进行转座。总是作为一个整体单位进行转座。IS：插入序列：插入序列Tn:复合转座子复合转座子TnA：复杂转座子：复杂转座子IRISISIR第十三页，本课件共有33页转座子插入到一个新的部位的通常步骤是：在转座子插入到一个新的部位的通常步骤是：在靶靶DNADNA上制造一个交错的切口，然后转座子上制造一个交错的切口，然后转座子与突出的单链末端相连接，并填充切口。与突出的单链末端相连接，并填充切口。交错
17、末端的产生和填充解释了在插入部位产交错末端的产生和填充解释了在插入部位产生靶生靶DNADNA正向重复的原因。链的切口之间的交正向重复的原因。链的切口之间的交错决定了正向重复的长度。错决定了正向重复的长度。6.2.4 6.2.4 细菌转座因子的插入机制细菌转座因子的插入机制第十四页，本课件共有33页第十五页，本课件共有33页6.2.5 6.2.5 三种不同类型的转座三种不同类型的转座复制型转座（复制型转座（复制型转座（复制型转座（replicative transpositionreplicative transpositionreplicative transpositionreplicati
18、ve transposition）：作为自身移动）：作为自身移动）：作为自身移动）：作为自身移动的一个部分，转座子被复制，一个拷贝仍然保留在原来的的一个部分，转座子被复制，一个拷贝仍然保留在原来的的一个部分，转座子被复制，一个拷贝仍然保留在原来的的一个部分，转座子被复制，一个拷贝仍然保留在原来的位置上，而另一个则插入到一个新的部位，这样转座过程位置上，而另一个则插入到一个新的部位，这样转座过程位置上，而另一个则插入到一个新的部位，这样转座过程位置上，而另一个则插入到一个新的部位，这样转座过程伴随着转座子拷贝数的增加。伴随着转座子拷贝数的增加。伴随着转座子拷贝数的增加。伴随着转座子拷贝数的增加。
19、第十六页，本课件共有33页剪剪剪剪-贴型转座（非复制）贴型转座（非复制）转座元件作为一个物理实体直接由一个部位转移转座元件作为一个物理实体直接由一个部位转移到另一个部位。到另一个部位。第十七页，本课件共有33页保守型转座（非复制）保守型转座（非复制）保守型转座是另一种非复制型的转座过程，该过程保守型转座是另一种非复制型的转座过程，该过程中转座元件从供体部位被切除并通过一系列的过程中转座元件从供体部位被切除并通过一系列的过程插入到靶部位，在该过程中每个核苷键皆被保留。插入到靶部位，在该过程中每个核苷键皆被保留。该转座过程与该转座过程与的整合机制类似，并且转座酶与的整合机制类似，并且转座酶与整合酶
20、家族有关。整合酶家族有关。第十八页，本课件共有33页保守型转座保守型转座第十九页，本课件共有33页6.2.6 6.2.6 反转座子和反转录病毒反转座子和反转录病毒转座元件或转座子是基因组中可移动的独立的转座元件或转座子是基因组中可移动的独立的DNA序列序列从从DNA到到DNA的转移过程称为转座的转移过程称为转座从从DNA到到RNA再到再到DNA的过程称为反转座。的过程称为反转座。反转座是经反转座是经RNA介导的转座过程，是真核生介导的转座过程，是真核生物所特有的。物所特有的。第二十页，本课件共有33页第二十一页，本课件共有33页反转座子共有的可鉴定的特性为：插入位反转座子共有的可鉴定的特性为：
21、插入位点会产生短的靶序列的正向重复。点会产生短的靶序列的正向重复。反转录病毒反转录病毒首先被观察到的是以传染性病首先被观察到的是以传染性病毒颗粒的形式存在，并能在毒颗粒的形式存在，并能在细胞间传播细胞间传播；而；而反转座子反转座子是被当作基因组中的一部分而被发现是被当作基因组中的一部分而被发现的，它们可以在的，它们可以在基因组内进行转座基因组内进行转座，但不能，但不能在细胞间迁移。在细胞间迁移。第二十二页，本课件共有33页7.2.7 Mu7.2.7 Mu噬菌体的转座噬菌体的转座转座噬菌体是具有转座功能的一类可引起突变转座噬菌体是具有转座功能的一类可引起突变的溶源性噬菌体，无论是溶源状态还是裂解
22、状的溶源性噬菌体，无论是溶源状态还是裂解状态，总是整合到寄主染色体上。态，总是整合到寄主染色体上。研究较多的是研究较多的是MuMu噬菌体，同一般噬菌体不同，噬菌体，同一般噬菌体不同，它可以整合到染色体的任一位点上。它可以整合到染色体的任一位点上。特点特点不是细菌基因组的成分，易于识别不是细菌基因组的成分，易于识别可诱导产生，易于制备可诱导产生，易于制备可诱导产生，易于制备可诱导产生，易于制备第二十三页，本课件共有33页7.37.3细菌转座子的遗传效应和应用细菌转座子的遗传效应和应用遗传效应遗传效应插入突变（抗药性、营养缺陷型）插入突变（抗药性、营养缺陷型）插入突变（抗药性、营养缺陷型）插入突变
23、（抗药性、营养缺陷型）基因重排（缺失、扩增和倒位）基因重排（缺失、扩增和倒位）极性效应：不仅能破坏被插入的基因，还可大极性效应：不仅能破坏被插入的基因，还可大大降低位于远离启动子一端的基因的表达大降低位于远离启动子一端的基因的表达应用应用随机诱变：通过质粒载体随机诱变：通过质粒载体转座子基因打靶技术转座子基因打靶技术标签技术标签技术第二十四页，本课件共有33页转座引起的转座引起的DNADNA缺失缺失第二十五页，本课件共有33页转座引起的转座引起的DNADNA倒位倒位第二十六页，本课件共有33页确定微生物基因组功能确定微生物基因组功能应用转座子及其相关技术应用转座子及其相关技术,全面确定了微生全
24、面确定了微生物基因组功能特征物基因组功能特征,特别是分支菌属基因组特别是分支菌属基因组功能功能.例如例如,结核分支杆菌模式菌株的必需基因组结核分支杆菌模式菌株的必需基因组及其相关功能均用此类方法得到确认及其相关功能均用此类方法得到确认第二十七页，本课件共有33页鉴别菌株及群体多样性鉴别菌株及群体多样性转座子通常限制性地分布于特定的真菌菌株或转座子通常限制性地分布于特定的真菌菌株或群体中群体中,可以作为特定菌株的诊断工具可以作为特定菌株的诊断工具.已用已用于丝状真菌群体多样性分析于丝状真菌群体多样性分析.在医药工业方面已用于有益菌株的鉴别在医药工业方面已用于有益菌株的鉴别,在植物病理学方面已用于
25、鉴别特定的病原体在植物病理学方面已用于鉴别特定的病原体.第二十八页，本课件共有33页生态环境污染的生物修复生态环境污染的生物修复由于基因的可变性及转座子的遗传调控由于基因的可变性及转座子的遗传调控,许许多微生物能够利用人工合成的化学物质多微生物能够利用人工合成的化学物质,与微与微生物分解代谢相关的基因往往与插入元件相连。生物分解代谢相关的基因往往与插入元件相连。当环境污染时当环境污染时,转座子转移频率提高转座子转移频率提高,增加了增加了微生物种群的生物降解潜力。微生物种群的生物降解潜力。第二十九页，本课件共有33页基因治疗新方法：基因治疗新方法：使用转座子进行转基因使用转座子进行转基因n nG
26、eneGene杂志中报道了一种使用转座子实现真核杂志中报道了一种使用转座子实现真核DNADNA的目的基因替的目的基因替代的新方法。这样一个系统可以提供一种基因治疗方法，避免了目前在代的新方法。这样一个系统可以提供一种基因治疗方法，避免了目前在基因替代中常用的病毒载体面临的一些问题。基因替代中常用的病毒载体面临的一些问题。n n研究者使用一个移动的细菌系统将一个基因转到人研究者使用一个移动的细菌系统将一个基因转到人DNADNA的一个特的一个特定位置。一个大肠杆菌转座子将一个抗生素抗性基因转入人定位置。一个大肠杆菌转座子将一个抗生素抗性基因转入人DNADNA。n n这项技术有很多优点。这项技术有很
27、多优点。“可以避免使用引起免疫反应的病毒，可以避免使用引起免疫反应的病毒，将基因放入正确的已知位置，而不是随机插入细胞将基因放入正确的已知位置，而不是随机插入细胞DNADNA中，并且中，并且只插入一个拷贝，只插入一个拷贝，”n n美国和其它国家使用病毒或非病毒载体进行基因治疗已经到了临美国和其它国家使用病毒或非病毒载体进行基因治疗已经到了临床试验阶段。他希望能使用他们的非病毒方法在血友病，镰刀型床试验阶段。他希望能使用他们的非病毒方法在血友病，镰刀型细胞贫血症，肌营养失调症和苯丙酮酸尿症患者体内导入正常功细胞贫血症，肌营养失调症和苯丙酮酸尿症患者体内导入正常功能基因，并通过导入治疗性基因进行癌
28、症的治疗。能基因，并通过导入治疗性基因进行癌症的治疗。第三十页，本课件共有33页 埃氏巨型球菌（埃氏巨型球菌（埃氏巨型球菌（埃氏巨型球菌（Megasphaera elsdeniiMegasphaera elsdenii）是奶牛瘤）是奶牛瘤胃内一种常见的革兰氏阴性乳酸发酵菌，它能发酵胃内一种常见的革兰氏阴性乳酸发酵菌，它能发酵很多种不同的可溶性碳水化合物，利用丙烯酸途径很多种不同的可溶性碳水化合物，利用丙烯酸途径将乳酸分解为丙酸，或者经乙酰辅酶将乳酸分解为丙酸，或者经乙酰辅酶A A途径在乙酸途径在乙酸激酶（激酶（AKAK）和磷酸转乙酰酶（）和磷酸转乙酰酶（PTAPTA）的作用下生成乙）的作用下生
29、成乙）的作用下生成乙）的作用下生成乙酸酸酸酸1111。奶牛在妊娠后期和泌乳初期及疾病状态下，瘤胃内奶牛在妊娠后期和泌乳初期及疾病状态下，瘤胃内发酵菌的数量和比例发生改变，使丙酸生成减少，发酵菌的数量和比例发生改变，使丙酸生成减少，而乙酸生成增加而乙酸生成增加2222。恢复和重建瘤胃微生物区系，不仅可增强围产期奶牛恢复和重建瘤胃微生物区系，不仅可增强围产期奶牛的消化功能，增加采食量，还可提高生糖先质丙酸的的消化功能，增加采食量，还可提高生糖先质丙酸的生成量，纠正或缓解围产期奶牛能量负平衡。生成量，纠正或缓解围产期奶牛能量负平衡。第三十一页，本课件共有33页从细菌的代谢途径分析从细菌的代谢途径分析,AK,AKPTAPTA途径是菌体途径是菌体产生乙酸的主要途径产生乙酸的主要途径33。运用转座子标签法，通过切断细胞代谢网络上运用转座子标签法，通过切断细胞代谢网络上产生乙酸的途径，来调整代谢过程中碳源的流产生乙酸的途径，来调整代谢过程中碳源的流向，达到增加丙酸产量或比例的目的。向，达到增加丙酸产量或比例的目的。第三十二页，本课件共有33页感感谢谢大大家家观观看看第三十三页，本课件共有33页