转座因子遗传分析.pptx

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1、 第一节第一节 转座子的发现与分类转座子的发现与分类第二节第二节 原核生物中的转座子原核生物中的转座子第三节第三节 真核生物中的转座子真核生物中的转座子第四节第四节 转座作用的分子机制转座作用的分子机制第五节第五节 转座因子的遗传学效应及其应用转座因子的遗传学效应及其应用第1页/共59页第一节 转座因子分析与分类 转座子的发现 1951年年B.McClintock提出转座提出转座（Transposition）和）和跳跃基因跳跃基因(jumping gene)的新概念，的新概念，70年代在细菌中年代在细菌中发发现存在可转移座位的插入序列（现存在可转移座位的插入序列（insertion seque

2、nce）,随后在许多生物中发现转座子的存在。随后在许多生物中发现转座子的存在。1983年年McClintock荣获诺贝尔奖。第2页/共59页 玉米籽粒花斑的遗传控制系统 1914年，Emerson发现玉米籽粒色斑突变，可以多次突变 1938年，Rhoades发现玉米籽粒色斑不稳定遗传现象，有色籽粒纯种自花授粉后代中，出现了有色：斑点：白色=12:3:1的分离比，并对这种12:3:1的分离比做出解释：第3页/共59页A1:控制色素形成控制色素形成Dt:控制产生斑点控制产生斑点玉米籽粒花斑的遗传（玉米自交系）玉米籽粒花斑的遗传（玉米自交系）第4页/共59页 1938年，Rhoades发现玉米籽粒色

3、斑不稳定遗传现象，并对这种12:3:1的分离比做出解释：（1）斑点表型（a1a1Dt_）是因为a1发生回复突变成为A1，a1是一种不稳定突变等位基因，是一种回复突变率相 当高的基因；（2）a1基因的不稳定性取决于Dt基因的存在；（3）一旦回复突变发生，a1 A1，就稳定了，即使Dt与 A1分离，A1的表型不会改变。第5页/共59页1940年1950年，遗传学家BMcClintock对对玉米籽粒色斑遗传开展研究，当是已知控制玉米糊粉层颜色至少有5对基因（多因一效）：A和a决定花青素（anthocyan）的有无 C和c决定颜色（color）（红色或紫色）的发生 R和r决定糊粉红色（red），基于A

4、和C基因存在 Pr和pr决定糊粉紫色（purple）和红色 I为抑制基因（inhibitor），抑制C基因的作用 第6页/共59页 玉米籽粒花斑的遗传控制系统 McClintock发现色斑表型不稳定，根据她的遗传学和细胞学研究结果，提出“花斑”表型不是一般的基因突变产生，而是由于一种控制因子存在所致：（1 1）C C突变为突变为c c（无色素），是由一个（无色素），是由一个“可移动的遗传因子可移动的遗传因子”插插入到入到 C C基因中，导致基因中，导致C C基因失活。该可移动的遗传因子称为基因失活。该可移动的遗传因子称为Ds,Ds,即即解离解离 因子（因子（dissociatordissoci

5、ator）;（2 2）解离因子需要另一个可移动因子的激活才能转座，即激活因）解离因子需要另一个可移动因子的激活才能转座，即激活因子（子（activatoractivator）AcAc，AcAc可以激活可以激活DsDs插入到插入到C C基因或其他基因中，基因或其他基因中，也可以使也可以使DsDs从从C C基因中转移出来，使突变基因基因中转移出来，使突变基因c c发生回复突变。发生回复突变。这就是著名的这就是著名的Ac-DsAc-Ds系统系统（3 3）在胚乳发育过程中，发生回复突变（）在胚乳发育过程中，发生回复突变（DsDs从从C C基因中转移）导基因中转移）导致斑致斑 点产生；回复突变发生在胚乳

6、发育早期，斑点就大。点产生；回复突变发生在胚乳发育早期，斑点就大。第7页/共59页 玉米籽粒花斑的遗传控制系统 McClintock发现色斑表型不稳定，根据她的遗传学和细胞学研究结果，提出“花斑”表型不是一般的基因突变产生，而是由于一种控制因子存在所致：细胞学证据：Ds可导致所在位置的染色体断裂。Ds存在的玉米地9号染色体的一个染色体臂上，带有结节（knob）,在Ds处容易断裂，可检查。第8页/共59页 Ac-Ds系统中二者的关系 Ac的作用是自主的，而Ds行为却依赖于Ac，Ds和Ac在很大程度上表现出核苷酸序列的同源，特别是两端的序列是相同的。Ac 具有转座因子的全序列，即具有自主转座的功能

7、，Ds存在不同程度的缺失中间序列，丧失了自主转座的功能。第9页/共59页 原核细胞中转座因子的发现 原核生物中的转座因子的发现和检出：原核生物中的转座因子的发现和检出：1967年年Shapiro才才在在E.coli中中发发现现了了转转座座因因子子（transposable element）。他他在在半半乳乳糖糖操操纵纵子子(gal K,T,E）中中发发现现了了一一种种极极性性突突变变。它它有以下的特点：有以下的特点：(1)能回复突变；能回复突变；(2)用用诱诱变变剂剂对对其其处处理理并并不不能能提提高高回回复复突突变变率率;他他 们们 想想 到到galE-的的 突突 变变 可可 能能 也也 是

8、是 部部 分分DNA的的插插入入（突突变变）和和切切离离（回回复复突突变变）所致。所致。第10页/共59页第11页/共59页第二节、第二节、原核生物中的转座因子 (一一)插入序列插入序列(IS)(二二)类插入序列（类插入序列（IS-like elements）(三三)复合转座子。复合转座子。(四四)TnA家族家族 第12页/共59页1插入序列（insertion sequences，IS）IS是一种最简单的转座因子，共同的共同的结构特征：两端两端的核苷酸顺序是完全相同或相近的核苷酸顺序是完全相同或相近反向重复序反向重复序列，中间列，中间是是转座酶基因转座酶基因。第13页/共59页第14页/共5

9、9页IS1的特点：(1)768(1)768核苷酸。核苷酸。(2)(2)本身没有表型效应，只携带转座酶基因。本身没有表型效应，只携带转座酶基因。(3)(3)如如F F因子和大肠杆菌的染色体上有一些相同的插入序列。因子和大肠杆菌的染色体上有一些相同的插入序列。(4)(4)具有某些共同的结构特征：具有某些共同的结构特征：两端两端的核苷酸顺序完全相同的核苷酸顺序完全相同或相近。但方向相反，称为或相近。但方向相反，称为反向重复序列反向重复序列（inverted inverted repeat sequences(repeat sequences(ISIS）。含有）。含有ISIS的质粒变性，单链复性。的质

10、粒变性，单链复性。出现颈出现颈环结构（哑铃状结构）。环结构（哑铃状结构）。(5)IS(5)IS插入插入“靶靶”DNADNA后，在后，在ISIS两端出现一小段顺向重复的两端出现一小段顺向重复的靶靶DNADNA序列序列 5-11bp 5-11bp。第15页/共59页第16页/共59页转座子（transposon)一类较大的可移动成分。除有关转座的基因外，至少带有一个与转座作用无关并决定宿主菌遗传性状的基因。转座子中的转位酶常称为转座酶，其功能是介导转座子插入到DNA的其它部位。复合型Tn：由一个基因序列及两侧臂组成。两侧臂为IS序列。TnA族T n:两端是正向或反向重复序列，中间有与Tn功能相关的

11、基因（编码转座酶）及抗生素抗性基因。总是作为一个单位进行转座，其末端不能单独转座。接合型Tn：第17页/共59页2复合转座子（transposon，Tn）转座子（Tn）的结构特征：(1)(1)、是一类较大的转座因子，分子大小、是一类较大的转座因子，分子大小200002000025000np25000np。(2)(2)除了含有与转座有关的基因外，还带有抗药基因除了含有与转座有关的基因外，还带有抗药基因以及其它基因。以及其它基因。(3)(3)两端为两端为ISIS序列序列。（因为带。（因为带ISIS序列故称为复合转座序列故称为复合转座子）子）第18页/共59页第19页/共59页第20页/共59页3、

12、TnA家族TnA家族的结构特征：(a)(a)、是一类较大的转座因子，分子大小、是一类较大的转座因子，分子大小2000200025000np25000np。(b)(b)除了含有与转座有关的基因外，还带有抗药基除了含有与转座有关的基因外，还带有抗药基因以及其它基因。如因以及其它基因。如Tn3Tn3含有含有3 3个基因：编码个基因：编码-内内酰胺酶的氨苄青霉素抗性基因（酰胺酶的氨苄青霉素抗性基因（ampkampk），转座酶），转座酶基因（基因（tnpAtnpA）和编一种阻遏物的调节基因）和编一种阻遏物的调节基因（tnpktnpk）。）。(c)(c)两端为两端为IRIR。第21页/共59页第22页/共

13、59页转座噬菌体（Transposable phage）具有转座功能的溶源性噬菌体，包括Mu 和D108等。Mu噬菌体是大肠杆菌的一种温和噬菌体，几乎可以插入到宿主基因组的任何位置，以转座复制的形式实现噬菌体增殖，转座频率高，引起被插入的基因突变，故称为Mu噬菌体（mutator phage）。（详见教材p.260）第23页/共59页第三节、真核生物中的转座子（一）、玉米中的控制因子（一）、玉米中的控制因子 （二）、果蝇中的（二）、果蝇中的P因子因子（三）、反转录病毒和反转录子（三）、反转录病毒和反转录子 第24页/共59页三、真核生物的转座因子（一）、玉米中的控制因子（一）、玉米中的控制因子

14、 1938年年Marcus Rhoades首次发现不稳定突变等位首次发现不稳定突变等位基因（基因（unstable mutant allele），即一种回复突变），即一种回复突变率很高的等率很高的等 位基因。不稳定是取决于不连锁的位基因。不稳定是取决于不连锁的Dt基基因的存在。因的存在。McClintock。19401950描述了大量的控制因描述了大量的控制因子子 第25页/共59页A1:控制色素形成Dt:控制产生斑点第26页/共59页（一）、玉米的控制系统 1932年，美国玉米遗传学家BMcClintock发现玉米籽粒色斑不稳定遗传现象，于1951年，第一次提出转座因子的概念。因为玉米中发现

15、的转座因子除了具有转座的特性外，还具有调节其他基因的作用。又称之为控制因子（Controlling elements）。其中一个称之为解离因子（DS，dissociation），DS插入色素基因C的近旁或中间时，玉米籽粒不能形成色素，当DS离开C基因后，抑制作用被解除。Ds的解离又受另一控制因子激活因子（Ac，activator）的影响。Ac可位于基因组中任何其他地方。Ac丢失，Ds趋向稳定。Ac的作用是自主的，而Ds行为却依赖于Ac，这是因为Ds和Ac在很大程度上表现出核苷酸序列的同源，特别是两端的序列是相同的。只是Ds基因不同程度的缺失中间序列，如丢失产生转座所需要有关酶转位酶。第27页/

16、共59页（二）、果蝇的转座子 果蝇中的至少可以分为三类：P因子、FB因子和Copia因子P因子果蝇的P因子有两种类型：1、全长P因子：长2907bp，两端有33bp反向重复序列，有4个外显子，编码转座酶。2、缺失型转座子：它不能编码转座酶，转座需要全长P因子。第28页/共59页第29页/共59页果蝇的果蝇的P因子与杂种不育因子与杂种不育（hybrid dysgenesis）P型型（父本贡献的，（父本贡献的，paternal contributing）M型型（母本贡献的，（母本贡献的，maternal contributing）P（）M（）后代可育后代可育 M（）P（）后代不育后代不育 而 P（

17、）P（）和）和 M（）M（）后代均可育后代均可育第30页/共59页第31页/共59页（三）、反转录病毒和反转座子一反转录病毒（反转录病毒（retroviruses）(一)反转录病毒的生活史 反转录子反转录子（retroposons）反转录转座子反转录转座子（retrotransposons）1.反转录病毒基因组的结构与功能 2.反转录病毒的整合模型 3.反转录病毒可转录细胞的序列二酵母的二酵母的Ty因子因子（transponson yeast）第32页/共59页逆转录病毒科的亚科逆转录病毒科的亚科 逆转录病毒科逆转录病毒科 人类逆转录病毒人类逆转录病毒RNA肿瘤病毒亚科肿瘤病毒亚科 HTLV-

18、1、HTLV-2慢病毒亚科慢病毒亚科 HIV泡沫病毒亚科泡沫病毒亚科 人泡沫病毒人泡沫病毒第33页/共59页1988年正式命名 分2型 HIV-1较多形式 HIV-2西非1981年首次在美国报道1983年，Montagnier首次分离Human Immunodeficiency Virus第34页/共59页第35页/共59页艾兹病病毒第36页/共59页第37页/共59页HIVHIV模型图模型图脂双层膜脂双层膜gp120gp41包包膜糖蛋白膜糖蛋白p24衣壳蛋白衣壳蛋白p14内膜蛋白内膜蛋白P7、9核心衣壳蛋白核心衣壳蛋白逆转录酶逆转录酶蛋白酶蛋白酶整合酶整合酶RNA第38页/共59页CD4HI

19、V融合受体病毒RNA病毒cDNA宿主染色体DNAHIV生活周期第39页/共59页艾滋病毒的基因结构 vpr rev rev gag vif tat vpu tat nefLTR pol env LTR LTR 长末端重复序列 gag 核心蛋白，反转录酶 pol 蛋白酶 vif 感染因子 vpr,vpu 复制因子 tat 反式激活因子 rev(art抗阻遏翻译基因活化,trs trans regulator of splicing )调节因子 env 衣壳蛋白 nef(3orf)negative factor 抑制复制模板 第40页/共59页第41页/共59页第42页/共59页反转录病毒RNA的

20、末端是正向重复序列。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2 bp第43页/共59页三、转座机制类型 (1)复制型转座复制型转座 （replicative transposition）(2)非复制型转座非复制型转座 （nonreplicative transposition）(3)保守转座保守转座 （conservative transposition）第44页/共59页第45页/共59页1、复制型转座、复制型转座：转转座座因因子子在在转转座座过过程程中中伴伴随随新新拷拷贝贝的的复复制制，一一个个拷拷贝贝留留在在原原处处，另另一一拷拷贝贝插入到新的靶位点。插入

21、到新的靶位点。转座涉及两种酶：转座酶、解离酶。转座涉及两种酶：转座酶、解离酶。第46页/共59页剪切转座子末端和靶位点并将被切的末端连接到靶位点剪切转座子末端和靶位点并将被切的末端连接到靶位点形成转移复合体，以此起始转座。形成转移复合体，以此起始转座。1、复制型转座机制复制型转座机制第47页/共59页 类型 第48页/共59页 第49页/共59页复制型转座模型解释了复制型转座模型解释了(1)复制性转座在转座后原来的位置上保留原有的复制性转座在转座后原来的位置上保留原有的Tn；(2)在新位置上转座子的两端出现正向重复靶序列；在新位置上转座子的两端出现正向重复靶序列；(3)转座过程中出现共合体。转

22、座过程中出现共合体。第50页/共59页2、非复制型转座、非复制型转座 转转座座因因子子作作为为一一个个物物理理性性的的实实体体直直接接从一个位点转移到另一个位点。从一个位点转移到另一个位点。过程：过程：转转座座因因子子离离开开供供体体位位点点并并插插入入到到靶靶位位点点DNA的的连连接接。转转座座因因子子从从供供体体DNA上上释释放放需需要要转转座座酶酶，供供体体DNA分分子子的的断断裂裂需需要要修修复系统识别并对其修复，否则造成遗传后果。复系统识别并对其修复，否则造成遗传后果。第51页/共59页2、非复制型转座机制、非复制型转座机制 型 第52页/共59页第53页/共59页3、保守型转座、保

23、守型转座 一一种种非非复复制制转转座座，转转座座因因子子从从供供体体位位点点上上切切离离，插插入入到到靶靶位位点点上上，供供体体上上转转座座子子两两侧侧的的DNA序列被保留。序列被保留。第54页/共59页4、转座因子的遗传学效应(1)引起插入突变。(2)插入位置上出现新基因。(3)切离，发生回复突变，或染色体畸变。(4)造成同源序列整合。(5)增加新的变异，有利于进化。第55页/共59页转座导致宿主转座导致宿主DNA重排或缺失重排或缺失 宿宿主主DNA的的重重排排可可能能是是一一个个转转座座子子将将一一个个拷拷贝贝插插入入到到原原来来位位置置附附近近的的第第二二个个位位点点，在在两两个个转转座座子子之之间间交交互互重重组组，依依据据转转座座子子两两端端重重复复序序列列的的排排列列方向，将决定方向，将决定DNA的重排或缺失：的重排或缺失：缺缺失失：转转座座产产生生了了转转座座子子的的正正向向重重复复（DR），重组发生在重组发生在DR之内，导致缺失。之内，导致缺失。倒倒位位：当当新新拷拷贝贝的的方方向向与与原原拷拷贝贝相相反反时时，重重组发生在组发生在DR之内，导致倒位。之内，导致倒位。第56页/共59页第57页/共59页abc复制起点靶位点aabbdddddaabb新拷贝和原拷贝方向相反ccc新拷贝和原拷贝方向相同复制起点复制起点第58页/共59页感谢您的观看！第59页/共59页