第五章 转座子

第一节 原核生物中的转座子 • (2) 非复制型转座（nonreplicative transposition） • 这类转座因子作为一个物理的整体直接从一个位点 移到另一位点。 • 这种类型又有两种机制： • A 利用供体和受体靶DNA序列的连接。 • 插入序列和复合转座子Tn10及Tn5就是用这种机制 转座。这种类型的机制只需要转座酶。
第一节 原核生物中的转座子
• tnpR的产物具有双重功能，1）作为基因表达的阻遏物， 2）具有解离酶的功能。 • A）TnpR阻遏了tnpA和它自己的基因转录，TnpR蛋白 失活就使TnpA合成增多，结果增加了转座的频率。
• B）tnpA和tnpR基因之间有一个富含A-T的内部顺式控 制区，TnpR通过与该区的结合来实施两种功能。 • C）TnpR作为解离酶介导Tn3在共整合结构中正向重 复之间的重组。
第一节 原核生物中的转座子
• 4）可转移噬菌体(transposable phage) •Fra bibliotek－Mu巨型转座子
• Mu是一种以大肠杆菌为寄主的温和噬菌体，以裂解生 长和溶源生长两种交替方式之一繁衍自己。 • Mu噬菌体中的转座子区域率先插入寄主DNA中， • 与其他转座子不同，Mu DNA不含末端反向重复序列； • 游离Mu噬菌体DNA的两端连接着一段寄主DNA。左 端的约长150bp，右端的约长1 500bp。
第一节 原核生物中的转座子
IS10R外侧边缘有两个启动子
PIN控制IS10R的转录－－－是一个弱启动子 POUT控制右向转录宿主DNA—强启动子 INRNA和OUTRNA有36bp的重叠
大量outRNA作为 inRNA的反义RNA
第一节 原核生物中的转座子
• 3) TnA家族
• TnA家族长约5kb左右—复制转座的转座子 • 两端具有IR，而不是IS，中部的编码区编码 抗性标记、转座酶和解离酶。 • Tn3，Tn1000（γδ） • 通常末端有38bp左右的IR，在两个IR中任一 个顺式作用缺失都会阻止转座。
• IS或类IS组件：左、右两个臂在序列上相似，又叫长 末端重复(Lengthy terminal repeats，LTR) 。 • 两个组件完全相同的复合转座子，Tn9，Tn903和 Tnl681。 • 有的两个组件不尽相同，如Tnl0的左、右组件ISl0L和 ISl0R之间有2．5％的碱基序列差异。
第一节 原核生物中的转座子
• G片段含有编码负责噬菌体吸附寄主细胞的尾丝蛋 150bp 1.5kb 白质，G的不同走向导致了不同的寄主特异性。
gin P att L C 走向时， A B SS U att R • 当处于 G(+) 和U基因表达、分别产生 56KDa的S蛋白质和21KDa的U蛋白质，这类Mu噬菌 G 倒位区 38kb 体能够吸附大肠杆菌品系K12而不能吸附品系C。
第一节 原核生物中的转座子
• Mu的插入有两种途径
• 1）侵入的Mu可以在溶源化过程中插入寄主DNA位点， 造成靶点的倍生，使原噬菌体两侧各有一个5bp的靶点 序列重复； • 2）进入裂解生长后，复制产生的后代Mu DNA几乎全 部随机插入寄主DNA中，并成为其他靶点上的位点被 插入。
• 众多的Mu DNA和被它们插入肢解的寄主DNA在一起形 成的共合体。噬菌体成熟时，共合体被切断，一个Mu DNA分子连同它左侧的100bp和右侧的1 500bp一起被 包装进入噬菌体颗粒。
• 当处于G(-)走向时，S’和U’基因表达，分别产生 48KDa的S’蛋白质和26KDa的U’蛋白质。这类Mu能 够吸附品系C而不能吸附品系K12。
第一节 原核生物中的转座子
• 三、转座的功能类型
• １）复制型转座：
• 转座伴随着新拷贝的复制，转座因子在反应 中产生重复，转座子作为一个移动的DNA序 列，复制的一段序列插入到靶位位点上。 • 这类转座涉及到两种酶： • 解离酶，作用于复制的拷贝上。 • 转座酶，作用于原来转座子的末端。
• B 保守转座
第一节 原核生物中的转座子
• (3) 保守转座
• （conservative tranposition）
• 该转座因子从供体位点上切离，插入到靶位点 上，在一系列的反应中,不仅它本身可以转座， 而且每个核苷酶链都被保留----附加体 （episome） ，可介导供体DNA从一些细菌转 移到另一些细菌中。
第一节 原核生物中的转座子
150bp 1.5kb
P att L C
A
B
S
U
att R
gin
G 倒位区 38kb
C repressor for A, B B 33 kd 与转座有关的酶 A 70 kd 转座酶 U, S 毒性蛋白 attL, attR 与寄主同源，反向重复，转座必需 Gin G区倒位酶
第一节 原核生物中的转座子
• 解离是一种非复制性反应，键的断裂和重接不需要能量的输入在 res位点切开后产生的两条双链，其5端与解离酶共价结合。对称 剪切发生在短的回文序列上，产生了2个碱基的单链突出： • 5‘TTATAA3 • 3’AATATT5‘ 5‘TTAT 3’AA－TnpR TnpR－ AA3’ TATT5‘
第一节 原核生物中的转座子
第一节 原核生物中的转座子
• 第一节、原核生物中的转座子：
• • • • 插入序列(insertion sequenes)， 复合转座子(composite transposon)， TnA转座子家族(TnA family) 可转移噬菌体(transposable phage)。
第一节 原核生物中的转座子
•
• 1）、简单转座子－插入序列
• 插入序列是细菌染色体、质粒和某些噬菌体的正常组 分 • 大肠杆菌菌株中含有8个拷贝的IS1，各5个拷贝的IS2 和IS3等，大肠杆菌质粒F因子含有一个拷贝的IS2及2 个拷贝的IS3等。 • P1噬菌体含有IS1，其他噬菌体也含有某些插入序列。 • 特点： • a）两端IR为转座酶的识别位点（突变） • b）插入靶位点后出现靶位点的正向重复（3～9bp）
第一节 原核生物中的转座子
• G片段－－Mu DNA右侧的一段3Kb长的序列 在不同分子中以相反的走向存在，这段序列叫 做G片段，它的两端各有一个34bp长的反向重 复序列（IR） • G(+)走向，它倒位后则形成G(-)走向。 • G片段的倒位需要Mu基因gin的产物。
第一节 原核生物中的转座子
•1
特点：
• 1）转座子都携带有其转座所必需的基因。如 DNA聚合酶、DNA旋转酶等。 • 2 ）与同源重组和位点特异性重组不同，转座作 用不依赖转座子和靶点之间或者供点和靶点之间 的同源性序列。 转座子插入后，使靶点处的基因 失活。
•2
转座子进化的意义
• 1） 转座作用可以造成直接的或间接的基因重排 • 直接效应包括转座引起的复制元融合，基因缺失，倒 位或易位 • 间接效应指插入在不同染色体上或同一染色体不同位 置上的同一种转座子可作为袖珍同源区域而允许重组 发生，从而导致缺失、插入、基因扩增、倒位及易位。 • 2）转座作用是某些细菌质粒进化的重要方式。 • 自然界的许多质粒的基因成份是在长期进化中通过转 座作用逐步积累在一起的结果； • 大肠杆菌的F因子等质粒在细菌染色体上的整合常常 是通过质粒上的转座子和染色体上相同的转座子间的 相互重组而实现。
第一节 原核生物中的转座子
图23-21
第一节 原核生物中的转座子
• TnpA介导转座分别由tnpA,、tnpR编码的转座酶 （transposase）和解离酶（resolvase）来完成的。 • 解离序列（res）是内部的特殊位点－TnA家族特有。 • 它能够结合在末端38bp IR中的25bp的序列上。E.coli IHF的结合位点就在转座酶结合位点附近（在靶位点 附近）。而转座酶结合和IHF的结合是协同性的。转 座酶识别末端重复序列，并可以使靶DNA产生5bp的 交错切割使转座子插入。
第一节 原核生物中的转座子
第一节 原核生物中的转座子
• Tn10和Tn5－类转座子
• Tn5，Tnl0两端的末端反向重复有22bp长，只有 最外侧的13bp用以转座作用。 • 对大量Tn10两侧靶点同向重复序列的分析表明， Tn10的转座作用表现为一定的热点效应，需要 一段9bp长的靶点序列，即 • NGCTANATGCN • NCGATNTACGN
• 3）吸纳外源基因并发生重组 • 细胞基因组或噬菌体基因组能够“捕捉”一些转座子，使之变 成基因组中的一个组分，并负责具有某种调节功能的特异性转 座作用。鼠沙门氏菌鞭毛相变中的995bp可倒位区域和大肠杆 菌噬菌体Mu中的G片段。
• 4） 插入引起极性效应： • 插入妨碍了转录，妨碍了翻译；转座子在操纵元上游基因的插 入影响到下游基因的表达－－极性效应： • ——转座子序列中有终止子信号，它们的插入会造成mRNA转 录的终止。 • ——转座子序列中含有无义密码子，造成翻译的终止，由此影 响到后续基因的翻译。
第一节 原核生物中的转座子
第一节 原核生物中的转座子
（4）转座的共合体
• 许多的转座子在转座的过程都形成中间共合体（Co integrate）－单链转移复合体，并在此基础上进行 剪切连接和修复，并形成不同的转座。
• 转座子首先进行末端剪切，然后通过共价结合进行 末端联会后再连接； • 共合体含有两个拷贝的转座子序列，位于两个复制 子的连接处，方向相同，正向重复。
第一节 原核生物中的转座子
• （5）转座的复合交换体
• 非复制型转座经过断裂和重接，形成复合交换体， 不是共合体。 • 在交换复合体中，一旦受体的单链被切开，转座子 的靶链两端就能够与之结合。
第一节 原核生物中的转座子
• 四、转座位点的拆分机理
• TnpR结合在Res的三个位点上可以使DNA产生适当 的拓扑结构，而结合在这一位点上，就可能会阻遏 tnpA和tnpR的转录。 • 解离酶结合在每个res位点上，然后将这些位点聚集 在一起形成一个约10nm的二聚体结构。在反应时超 螺旋发生改变，并将res位点的DNA结合形成折弯。