第七章微生物中的转座因子
转座因子
概述
转座因子（transposable element ），又叫可 移动因子，它是指一段特定的DNA序列， 可从原来的位置上单独复制或自动脱落下 来，经环化后再插入到染色体其他位置， 并对插入位置的附近基因产生各种遗传学 效应。
转座因子的发现和检出
首先由美国遗传学家Barbara MeClintock在玉 米中发现，并荣获1983年度诺贝尔奖。 1951年McClintock提出转（Transposition)和 跳跃基因（jumping gene)的新概念 1967年Shapiro才在E.coli中发现了转座因子 （transposable element ）
转座因子广泛存在于原核和真 核细胞中。原核生物中的转座 因子有三种类型：插入序列 （insertion sequence IS) ,转座 子（transposon,Tn) ,某些特殊 病毒（如Mu,D108)
转座子的分类举例
插入序列（IS） 最简单的转座子称为插入序列(IS) IS家族有很多成员，它们的结构相似 特征： 两端都有短5-9bp的正向重复序列（DR） 略长15-25bp的反向重复序列（IR） 1kb左右的编码区，它仅编码和转座有关的 转座酶
2 转座的机制
2.1复制性转座： 特征： （1）转座后原来位置上的转座因子保持不变 （2）在新的位置上的转座因子的两侧出现顺 向重复序列 （3）转座过程中有一共合体
转座作用的遗传效应
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
总结
制作者：吴涛，周哲，吴鑫 ，柯海强
插入序列（IS）的结构和功能
转座过程
转座酶（transposase)催化插入序列（IS）的 转座，它由插入序列（IS）编码 首先转座酶交错切开宿主靶位点，然后IS插 入，与宿主的单链末端相连接，余下的缺 口由DNA聚合酶和连接酶加以填补，最终 插入的IS两端形成了DR或靶重复。
微生物的遗传变异与育种答案
第七章习题答案一.名词解释1.转座因子：具有转座作用的一段DNA序列.2.普遍转导：通过极少数完全缺陷噬菌体对供体菌基因组上任何小片段DNA进行“误包”，而将其遗传性状传递给受体菌的现象称为普遍转导。
3.准性生殖：是一种类似于有性生殖,但比它更为原始的两性生殖方式,这是一种在同种而不同菌株的体细胞间发生的融合,它可不借减数分裂而导致低频率基因重组并产生重组子.4.艾姆氏试验：是一种利用细菌营养缺陷型的回复突变来检测环境或食品中是否存在化学致癌剂的简便有效方法5.局限转导：通过部分缺陷的温和噬菌体把供体的少数特定基因携带到受体菌中,并与后者的基因整合,重合,形成转导子的现象.6.移码突变：诱变剂使DNA序列中的一个或几个核苷酸发生增添或缺失,从而使该处后面的全部遗传密码的阅读框架发生改变.7.感受态：受体细胞最易接受外源DNA片段并能实现转化的一种生理状态.8. 高频重组菌株：该细胞的F质粒已从游离态转变为整合态,当与F- 菌株相接合时,发生基因重组的频率非常高.9.基因工程：通过人工方法将目的基因与载体DNA分子连接起来，然后导入受体细胞，从而使受体细胞获得新的遗传性状的一种育种措施称基因工程。
10.限制性内切酶：是一类能够识别双链DNA分子的特定序列，并能在识别位点内部或附近进行切割的内切酶。
11.基因治疗：是指向靶细胞中引入具有正常功能的基因，以纠正或补偿基因的缺陷，从而达到治疗的目的。
12.克隆：作为名词，也称为克隆子，它是指带有相同DNA序列的一个群体可以是质粒，也可以是基因组相同的细菌细胞群体。
作为动词，克隆是指利用DNA体外重组技术，将一个特定的基因或DNA序列插入一个载体DNA分子上，进行扩增。
二. 填空1.微生物修复因UV而受损DNA的作用有光复活作用和切除修复.2.基因组是指一种生物的全套基因。
3.基因工程中取得目的基因的途径有_____3_____条。
4.基因突变可分为点突变和染色体突变两种类型。
微生物遗传习题
第七章微生物遗传习题一、名词解释1、F'菌株：当Hfr菌株细胞内的F质粒因不正常切离而脱离核染色体组时，可重新形成游离的、但携带整合位点邻近一小段核染色体基因的特殊F质粒，称F’质粒或F’因子。
凡携带F’质粒的菌株，称为F’菌株。
2、变异：指生物体在某种外因或（和）内因作用下，所引起的遗传物质结构或数量的改变，即遗传型的改变。
3、表型：指某一生物所具有的一切外表特征和内在特性的总和，是遗传型在适合环境条件下通过代谢和发育得到的具体体现。
遗传型+环境条件→表型4、补充培养基：凡只能满足相应的营养缺陷型突变株生长需要的组合或半组合培养基称补充培养基。
5、超诱变剂：可以做到即使未经淘汰野生型菌株，也可直接获得12%-80%的营养缺陷型菌株。
6、低频转导：指通过一般溶源菌释放的噬菌体所进行的转导，因其只能形成极少数转导子，故称“低频转导”。
7、颠换：嘌呤和嘧啶之间的置换8、点突变：仅涉及一对碱基被另一对碱基所置换。
9、复壮：狭义复壮：是一种消极措施是指菌种在已发生衰退的情况不经过纯种分离和测定典型性状，产生性能等指标，从已衰退的的种群中筛选出少数尚未退化的个体，以达到恢复原菌株固有性状的相应措施。
广义复壮：一种积极措施，即有菌种的典型特征或生产性状尚未衰退之前，就经常有意识地采取纯种分离和生产性状测定工作，以期从中选择到自发的突变体。
10、甘油悬液保藏法：用15%~30%的甘油缓冲液制成细胞密度为10^7~10^8细胞/ml的悬浮液，混匀，密封，置-70℃冰箱。
保藏期可达10年。
11、感受态：是指受体细胞最易接受外源DNA片段并能实现转化的一种生理状态。
12、高频转导：在局限转导中，若对双重溶源菌进行诱导，就会产生含50%左右的局限转导噬菌体的高频转导裂解物，用这种裂解物去转导受菌体，就可获得高达50%左右的转导子，故称这种转导为高频转导。
13、光复活修复：把经UV照射后的微生物立即暴露于可见光下时，就可出现明显降低其死亡率的现象。
微生物的遗传变异与育种答案解析
第七章习题答案一.名词解释1.转座因子：具有转座作用的一段DNA序列.2.普遍转导：通过极少数完全缺陷噬菌体对供体菌基因组上任何小片段DNA进行“误包”，而将其遗传性状传递给受体菌的现象称为普遍转导。
3.准性生殖：是一种类似于有性生殖,但比它更为原始的两性生殖方式,这是一种在同种而不同菌株的体细胞间发生的融合,它可不借减数分裂而导致低频率基因重组并产生重组子.4.艾姆氏试验：是一种利用细菌营养缺陷型的回复突变来检测环境或食品中是否存在化学致癌剂的简便有效方法5.局限转导：通过部分缺陷的温和噬菌体把供体的少数特定基因携带到受体菌中,并与后者的基因整合,重合,形成转导子的现象.6.移码突变：诱变剂使DNA序列中的一个或几个核苷酸发生增添或缺失,从而使该处后面的全部遗传密码的阅读框架发生改变.7.感受态：受体细胞最易接受外源DNA片段并能实现转化的一种生理状态.8. 高频重组菌株：该细胞的F质粒已从游离态转变为整合态,当与F- 菌株相接合时,发生基因重组的频率非常高.9.基因工程：通过人工方法将目的基因与载体DNA分子连接起来，然后导入受体细胞，从而使受体细胞获得新的遗传性状的一种育种措施称基因工程。
10.限制性内切酶：是一类能够识别双链DNA分子的特定序列，并能在识别位点内部或附近进行切割的内切酶。
11.基因治疗：是指向靶细胞中引入具有正常功能的基因，以纠正或补偿基因的缺陷，从而达到治疗的目的。
12.克隆：作为名词，也称为克隆子，它是指带有相同DNA序列的一个群体可以是质粒，也可以是基因组相同的细菌细胞群体。
作为动词，克隆是指利用DNA体外重组技术，将一个特定的基因或DNA序列插入一个载体DNA分子上，进行扩增。
二. 填空1.微生物修复因UV而受损DNA的作用有光复活作用和切除修复.2.基因组是指一种生物的全套基因。
3.基因工程中取得目的基因的途径有 _____3_____条。
4.基因突变可分为点突变和染色体突变两种类型。
微生物中转座因子
转座酶负责识别切割转座子的两端以及在靶位点造成切口。 有些IS含有2个或2个以上的开放阅读框架，它们除编码转座 酶外，还编码用于调控转座酶活性的调节蛋白。
细菌抗药性转座子一般可分为两类：
复合转座子 (composite transposon) 复杂转座子 (complex transposon)
第10页/共61页
1.复合转座子
复合转座子是由两个完全相同或类似的插入序列IS和某种 抗药性基因组成的复合因子，IS作为Tn的两个臂或称两个末 端，两个IS在Tn中做正向或反向排列。在这类转座子中，IS 可以带动整个Tn的转座，也可单独进行转座。
CamR Tn9 2638bp
TetR Tn10 9300bp 第13页/共61页
IS1 IS10
2.复杂转座子(TnA转座子)
复杂转座子的长度约5000bp，它的两端是长度为3040bp的末端反向重复序列(IR)或正向重复序列(DR)，中 央是转座酶基因和抗药性基因。
这类转座子总是作为一个单位转座，而不是象复合转座 子那样，其IS末端本身就能独立转座。由于复杂转座子性 质和结构非常相似，其IR顺序大小接近，而且大部分具有 同源性，因此为了讨论方便，常将这类转座子统称为TnA 转座子。
1bp差异
相同 相同 相同
完整功能 功能减弱
完整功能 无功能
都有功能
都有功能
都有功能
G-细菌
G-细菌
G-细菌 G-细菌 G-细菌
第11页/共61页
上表是一些复合转座子的基本特征，可以看出，Tn9、 Tn903和Tn1681中两个IS完全相同，而Tn10的左臂 (1S10L)和右臂(IS10R)之间有2.5％的碱基序列差异， 不过IS10L和IS10R的末端反向重复序列是完全相同的。
hzau微生物遗传七章细菌转座因子
细菌转座因子
转座因子（transposable element）是一类广泛存在于细菌、病 毒和真核生物DNA分子中一段可自主改变自身座位的DNA片 段，它可以在同一细胞内DNA复制子间转移，也可以在一个 复制子内部转移。 转座因子的共同特征是：插入寄主DNA后，导致基因失活； 插入时在靶DNA位点产生一个短的正向重复顺序。
3. 复制型转座涉及到两种类型的酶：一种是转座酶，它作用 于原位点的转座因子的两端序列；另一种是解离酶 （resolvase），它作用于复制拷贝的拆分。
四、Mu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的溶源性噬菌 体。这类噬菌体不论是进入裂解循环还是处于溶源状态，均 可整合到寄主染色体上。其中研究得较多的是Mu噬菌体。 Mu噬菌体(mutator phage)，即突变者的意思，不同于一般的 温和噬菌体： 1) Mu DNA几乎可插入到宿主染色体的任何一个位点上，而 一般的温和噬菌体在宿主染色体上有特定插入位点。 2) Mu噬菌体DNA的两端没有黏性末端，它的整合方式不同 于λ噬菌体，而类似于转座因子的作用
1. Mu噬菌体的遗传图
宿主DNA
晚期mRNA 合成激活因子 lys
头部和尾部基因
可变化末 端的宿主 DNA
整合复制
c attL
AB
C
D E H F G I T J KL M Y N P
R S U U’ S’ attR
2. Mu噬菌体的转座及其生活史
MuCts突变，受高温 诱导进入裂解循环
C蛋白表达
2. 复杂转座子(TnA转座子)
复杂转座子的长度约5000bp，它的两端是长度为30-40bp的 末端反向重复序列(IR)或正向重复序列(DR)，中央是转座酶 基因和抗药性基因。
微生物第七章总结
二，遗传物质在微生物细胞内存在的部位和方式
（一）7个水平
1.细胞水平：真核和原核微生物的大部分DNA都集中在细胞核或核区中。
1.光复活作用：把经UV照射后的微生物立即暴露于可见光下时，就可以出现明显降低其死亡率的现象，即光复活作用。经了解，经UV照射后带有嘧啶二聚体的DNA分子，在黑暗下会被一种光激活酶——光解酶结合，这种复合物在300-500nm可见光下时，此酶会因获得光能而激活，并使二聚体重新分解成单体。
2.切除修复：是活细胞内一种用于被UV等诱变剂损伤后DNA的修复方式之一，又称暗修复。，这是一种不依赖可见光，只通过酶切作用去除嘧啶二聚体，随后重新合成一段正常DNA链的核酸修复方式。
1.Luria等的变量试验2.Newcombe的涂布试验3.Lederberg等的影印平板培养法。实验过程详见书P204-206
（五）基因突变及其机制：基因突变的机制是多样的，可以是自发的或诱发的，诱发的又可分仅影响一对碱基对的点突变和影响一段染色体的畸变。
1. 诱发突变：简称诱变，是指通过人为的方法，利用物理，化学或生物因素显著提高基因自发突变频率的手段。凡具有诱变效应的任何因素，都称为诱变剂。
1.诱变育种的基本环节：见书P214
2.诱变育种中的几个原则：
（1）选择简单有效的诱变剂 艾姆氏实验：是一种利用细菌营养缺陷型的回复突变来检测环境或食品中是否存在化学致癌剂的方法。
（2）挑选优良的出发菌株 出发菌株：就是用于育种的原始菌株。
细胞遗传学 细胞遗传学+转座
第二节玉米中的的转座因子
1控制因子
1.1 麦克林托克的伟大发现
McClintock发现原来的C突变（无色素）是由一个“可移 动的控制因子”（现在称转座子）引起的，称为Ds，即解 离因子（dissociator），它可以插入到C基因中。 另一个可移动的控制因子是Ac，称激活因子（activator）， 它的存在激活Ds转座进入C基因或其它基因，也能使Ds从 基因中转出，使突变基因回复，这就是Ac-Ds系统。
1.2.2 非自主性因子（nonautonomous elements）单独存在 是稳定的；它们自己并不能转座或自发地改变条件，当基 因组中存在与非自主性因子同家族的自主性因子时，它才 具备转座功能，成为与自主性因子相同的转座子，不论这 自主因子位于何处。 非自主因子来自自主因子:自主因子通过缺失或其它的变 化，失去了转座酶活性，但留下了完整的转座酶作用位点, 包括边界。
第七章 转座
• 第一节 概述
• 第二节玉米的转座元件 • 第三节转座子的分类
1 概念： 转座子（transponsn,简称Tn）, 是指存在于染色 体DNA上可以自主复制和位移的一段DNA顺序。 转座子可以以从一个位点插入到另外一个位点， 对新位点基因的结构与表达产生多种遗传效应。
2 转座因子的发现
2 转座酶交错切开宿主靶位点
DNA转座的一般模式
转座作用的遗传效应
• • • • 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
1951年McClintock提出转座（Transposition ）
和跳跃基因(jumping gene)的新概念；
1967年Shapiro才在大肠杆菌( E.coli ）中发现
了转座因子（transposable element）。
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第七章微生物中的转座因子
根据转座因子的转座机理，将转座因子分为两类： 第一类是DNA转座子(DNA transposon)，其转座过程是 从DNA→DNA，这类转座因子存在于原核生物和真核生物 中，如细菌的转座子和插入序列； 第二类是反转座子(retrotransposon)，其转座过程是以 RNA为中间体，即从DNA→RNA→cDNA → DNA转座。
Tn5 5700bp
CamR Tn9 2638bp
TetR Tn10 9300bp
IS1 IS10
1bp差异
相同 相同 相同
完整功能 功能减弱
完整功能 无功能
都有功能
都有功能
都有功能
G-细菌
G-细菌
G-细菌 G-细菌 G-细菌
上表是一些复合转座子的基本特征，可以看出，Tn9、 Tn903和Tn1681中两个IS完全相同，而Tn10的左臂 (1S10L)和右臂(IS10R)之间有2.5％的碱基序列差异， 不过IS10L和IS10R的末端反向重复序列是完全相同的。
第七章微生物中的转座因子
插入序列的结构，IR表示反转重复
第七章微生物中的转座因子
③ 在IS插入时，在靶DNA位点产生一个短的、长度一般为39bp正向重复顺序(direct repeat sequence，DR)，分布在 IS的两侧。
IS插入目标DNA的靶序列（5bp）以及在IS两端的同向重复位点（蓝色阴影）。
由于插入序列不编码可检测的表型性状，因此根据 上述IS的特点，就可进行判断和鉴定。
第七章微生物中的转座因子
表：部分插入序列的特征
插入序 长度/bp 反向重复序
列
列长度/bp
IS1
768
23
IS2
1327
41
IS3
1400
38
IS4
1428
18
IS5
1195
16
靶位点长度 在染色体中
/bp
的拷贝数
9或8
细菌抗药性转座子一般可分为两类：
复合转座子 (composite transposon) 复杂转座子 (complex transposon)
第七章微生物中的转座因子
1.复合转座子
复合转座子是由两个完全相同或类似的插入序列IS和某种抗 药性基因组成的复合因子，IS作为Tn的两个臂或称两个末端， 两个IS在Tn中做正向或反向排列。在这类转座子中，IS可以 带动整个Tn的转座，也可单独进行转座。
命名：根据发现的先后或发现人的意愿，其命名是在IS后 面用阿拉伯数字，如在大肠杆菌中几个不同的IS拷贝被命名 为IS1、IS2、IS3等等。每一种类型的IS因子都有它自己特 征性的反转重复序列。
第七章微生物中的转座因子
插入序列的结构有以下3个特点：
① 在IS的两端含有长度为10～40bp反向重复序列 （inverted repeat sequence，IR），两端的反向重复序列 在IS的切割和DNA链转移中起作用。
6-10
5
4-13
3-4
5-6
11或
1-2
4
11-12
第七章微生物中的转座因子
二、细菌转座子
几乎就在发现IS因子的同时，微生物学家和遗传学家注意 到细菌中某些对抗抗生素的基因能从一种DNA分子转移到 另一种DNA分子。因此，将带有抗性基因并能在不同的 DNA分子之间移动的遗传单位叫做细菌转座子(bacterial transposon，Tn)。 Tn与IS的主要区别是携带与转座无关的药物抗性或其他特 性的基因。Tn一般具有抗生素抗性的基因，因为这些基因 容易鉴别，故研究得较为广泛和深入。
转座子
Tn10
Tn5
Tn903 Tn9
Tn1681
长度kb
9.3
5.7
3.1 2.5 2.08
遗传标 末端特
记
征
TetR IS10R IS10L
KanR IS50R IS50L
KanR IS903
CamR IS1
胞外肠 IS1 毒素
末端两 IS排向
反向
反向
反向 同向 反向
IS关系 IS功能 来源
2.5%差异
② 大多数IS都含有一个编码转座酶（Transposnase 简称 Tnp）的长编码区，其启动子位于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。
转座酶负责识别切割转座子的两端以及在靶位点造成切口。 有些IS含有2个或2个以上的开放阅读框架，它们除编码转座 酶外，还编码用于调控转座酶活性的调节蛋白。
一般来说，一个IS结构单位能转座它本身或整个转座子。 当一个复合转座子的两个IS不同时，该转座的转座子主要 依靠其中一个IS的功能(如Tn10中的IS10R和Tn5中的 IS50R)；当两侧IS完全相同时，其中任何一个都能行使 该复合转座子转座的功能。
第七章微生物中的转座因子
IS1 （C）
IS10
第七章 微生物中的转座因子
转座因子（transposable element，TE）是一类广泛存在于 细菌、病毒和真核生物DNA分子中一段可自主改变自身座位的 DNA片段，它可以在同一细胞内DNA复制子间转移，也可以在 一个复制子内部转移。 转座因子是20世纪40Barbara McClintock在进行玉米的遗传 学研究时首先发现的，她因此而荣获了1983年度的诺贝尔奖。 尔后在细菌中得到了广泛和深入的研究。
第七章微生物中的转座因子
转座子结构示意图：（A）为Tn5，在两个相向反转重复序列之间含有抗 Km、抗Ble、抗Str的基因。（B）为Tn3，在两个反向反转重复序列间 除含有编码转座酶基因外，还含有抗Ap的β-内酰胺酶基因和解离酶 （Resolvase）基因。
Tn还编码其他特性的蛋白，例如Tn951带有乳糖发酵基因； Tn1681编码胞外肠毒素(enterotoxin)，是某些大肠杆菌 菌株致肠病的因子。除此以外，不少转座子决定着细菌对汞、 镉和砷等金属离子的抗性。
第七章微生物中的转座因子
第一节 细菌转座因子的类型和结构
细菌转座因子分为四个类型： 插入序列（insertion sequence，IS） 转座子（transposon，Tn） 转座噬菌体（Mu） 接合型转座子
第七章微生物中的转座因子
一、插入序列
插入序列也称IS因子，它是最简单的转座因子。 IS因子的 长度一般为0.7-2.5 kb。