第七章微生物中的转座因子

Tn5 5700bp
CamR Tn9 2638bp
IS1
IS1
（C） IS10
TetR Tn10 9300bp 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。
插入序列的结构，IR表示反转重复
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。
表：部分插入序列的特征
插入序 列 IS1 IS2 IS3 IS4 IS5
长度/bp 768 1327 1400 1428 1195
反向重复序 列长度/bp 23 41 38 18 16
靶位点长度 在染色体中 /bp 的拷贝数 6-10 9或8 5 4-13 3-4 5-6 1-2 11或12 4 11-12
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。
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。
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。 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
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40年代由Barbara 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。
TnA转座子的基本特征
转座子 Tn1 Tn3 Tn21 长度/bp 5000 4957 19600 遗传标记 Amp Amp Mer Str Sul 末端反向 重复/bp 38 38 38
两侧靶点正向 重复/bp
来源 假单胞菌 沙门氏菌 志贺菌
5 5 5
Tn501
Tn1000 Tn551 Tn4430 Tn4451 Tn4456
在复制型转座过程中，转座子被复制，一个拷贝仍保留在 原来的位置上，另一个拷贝则插入到新的位点上，这种类型 的转座伴随着转座子拷贝数的增加。 另外，在转座过程中有共整合体的出现。同时，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。
1, 转座子和靶DNA在 转座酶作用下产生缺 口，分别形成两个游 离末端，以a-h表示
2, a与f、g与d连接，剩 下b、c、e、h游离端
3, 以转座子的 两个游离端（b 和c）为引物进 行DNA复制 （复制区放大）
4, 复制完成并形成两 个转座子的共整合体
5、6, 两个转座子通过自身携带的res位点 产生重组，形成两个独立的复制子，每个 复制子上都含有一个拷贝的转座子。
解离酶
res
Merr
IR
Tn21
IR
转座酶
解离酶
res
Sul
Strr
IR
IR Tn1000
转座酶
解离酶
res 重组位点
IR
三、细菌转座因子的插入机制、转座模型
转座因子不同于噬菌体和质粒，它们不是独立的复制子， 不能独立存在。所有转座因子，包括插入序列、复合转座子、 TnA等的转座机制都很相似。
转座模型 根据转座子在转座过程中是否复制而分为两种类型： 非复制型转座和复制型转座； 根据转座过程中是否有共整合体可分为：剪-贴型转 座、保守型转座和复制型转座等。
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。 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。
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
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。
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。
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。
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。
TnA转座子广泛存在于细菌中，从不同地区不同菌种分 离到的质粒都携带有TnA转座子。
如：南非的鼠伤寒沙门菌的R1质粒 英国铜绿假单胞菌的RPl质粒 鼠伤寒沙门菌质粒R648 大肠杆菌质粒R6k等。
尽管这些质粒互不相关，复制系统和转移系统都差异很 大，但每个质粒都带有TnA转座子。 现在已经知道，TnA能转座到大多数质粒、噬菌体及革 兰阴性菌的染色体上。
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 KanR KanR CamR 胞外肠 毒素 IS10R IS10L IS50R IS50L IS903 IS1 IS1 末端两 IS排向 反向 反向 反向 同向 反向 IS关系 2.5%差异 1bp差异 相同 相同 相同 IS功能 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 来源 G-细菌 G-细菌 G-细菌 G-细菌 G-细菌
The Structure of R Plasmids and Transposons. The R1 plasmid carries resistance genes for five antibiotics: Cm、Sm、Su、Ap、 Km. These are contained in the Tn3 and Tn4 transposons. The resistance transfer factor (RTF) codes for the proteins necessary for plasmid replication and transfer. The structure of Tn3 is shown in more detail. The arrows indicate the direction of gene transcription.
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)
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。
称剪-贴型转座（cut and paste transponsition）： 它是一种简单的插入，是一种非复制型转座。在该过 程中转座酶识别转座因子的两个末端并进行平端切割，完 整的转座因子从供体DNA中释放出来。同时转座酶在特 殊序列（一般为5-9碱基对）的靶DNA部位进行交错切割， 然后转座因子与靶部位的切口末端相连接。
保守型转座（conservative transposition）： 为非复制型转座。在转座过程中也有交叉结构的出 现，但不形成共整合体。在转座过程中，转座酶对转 座子两端及靶位点进行交错切割，然后供体和靶链在 切口处连接，从而产生一种交叉结构。接着，转座酶 通过交错切割，将转座子从供体分子上切割下来。反 应的结果为转座子被插入到受体的靶位点DNA中，并 且其两侧为由原来的单链切口所产生的重复序列。