第13章 转座因子的遗传分析

第13章转座因子的遗传分析

重点：转座子的类型、转座的分子

机制和转座的遗传学效应。

难点：转座子的分子机制。

第一节转座因子的发现与

分类

一、转座因子的发现

二、DNA转座

三、反转录转座子

一、转座因子的发现

Emerson（1914）玉米种子色素的遗传：

回复突变 花斑

发现突变基因的不稳定性。

Rhoades（1938）玉米种子糊粉层色素遗

传：二个基因相互作用，其中一个基

因a1是一个不稳定的突变基因。其不

稳定性由与之不连锁的Dt基因控制。

McClintock是第一个发现转座子的科学家。

1940年至1950年，McClintock研究了玉米胚乳的紫色、白色以及花斑等三种表型之间的相互关系。她发现花斑表型是不稳定的，这种表型并不是一般的基因突变产生的，而是由于一种控制因子的存在所导致的。

McClintock认为原来的C突变（无色素）是由一个“可移动的遗传因子”，即解离因子（dissociator）Ds的插入所引起，它可以插入到C基因中。另一个可移动的因子是激活因子Ac（activator），它的存在激活Ds转座进入C基因或其他基因中，也能使Ds从基因中转出，使突变基因回复，这就是著名的Ac－Ds系统。

McClintock根据大量遗传学和细胞学研究结果，于1951年提出了生物的基因组中存在转座因子学说。

这些转座因子既可以沿染色体移动，也可以在不同染色体之间跳跃。转座因子又称为跳跃基因（jumping gene）。

这是遗传学发展史中划时代的重大发现，打破了“基因在染色体上位置固定”的传统观念，将基因概念向前推进了一大步。

二、DNA转座

1、复制型转座

转座因子在转座期间先复制一份拷贝，而后拷贝转座到新的位置，在原先的位置上仍然保留原来的转座因子。复制转座有转座酶和解离酶的参与。转座酶作用于原来的转座因子的末端，解离酶则作用于复制的拷贝。

复制型转座

2、非复制型转座

转座因子直接从原来位置上转座插入新的位置，并留在插入位置上，这种转座只需转座酶的作用。非复制转座的结果是在原来的位置上丢失了转座因子，而在插入位置上增加了转座因子。这可造成表型的变化。

非复制型转座

3、保守型转座

也是非复制转座的一种类型。其特点是转座因子的切离和插人类似于λ噬菌体的整合作

用，所用的转座酶也是属于入整合酶家族。出现这种转座的转座因子都比较大，而且转座的往往不只是转座因子自身，而是连同宿主的一部分DNA

一起转座。

保守型转座

三、反转录转座子

是由RNA介导转座的转座子的元件，在结构和复制上与反转录病毒类似，只是没有病毒感染必须的env基因，它通过转录合成mRNA，再逆转录合成cDNA后整合到基因组中完成转座，每转座1次拷贝数就会增加1份，可以增强自己的基因组。因此，它是许多真核生物中数量最大的一类可活动遗传成分。

第二节原核生物中的转座子

一、插入序列

二、转座子

三、转座噬菌体

一、插入序列

插入序列(insertion sequence，IS)是最简单的转座元件。IS的长度一般为0.7-1.6kb，在其两端含有长度为10-40bp的短反向末端重复序列(inverted repeat sequence, IR)。两个IR之间仅含有编码转座酶的基因。该酶是转座所必需的，并能准确识别IS两端的序列。

插入序列的结构特征：

两端含有10-40bp的反向重复序列；

含有一个编码转座酶的长编码区；

两侧有一对正向重复序列（direct

Repeat sequence,DR），长度一般为3-9bp（靶序列）。

IS的转座是由转座酶催化的，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，结果使插入的IS两端形

成了DR或靶重复。

二、转座子（transposon,Tn）

几乎就在发现IS的同时，微生物学家和遗传学家就发现细菌中某些抗生素抗性基因能从一条染色体上转移到另一条染色体上。因此，将带有抗生素抗性基因并能转座的遗传单位叫做细菌转座子（Tn）。

Tn与IS的主要区别是携带与转座无关的药物抗性或其它特性的基因。

1、复合转座子

一类带有某些抗药性基因（或其它宿主基因）的转座子，其两翼往往是两个相同或高度同源的IS序列。这表明IS序列插入到某个功能基因两端时就有可能产生复合转座子。一旦形成复合转座子，IS序列就不能再单独移动，因为它们的功能已被修饰，只能作为复合体移动。

复合转座子的结构特征：

中间区域含编码转座酶以外的标记基因；

两端具有插入序列（IS）；

两末端是反向重复序列。

2、TnA家族（简单转座子）

转座子另一家族是TnA,长约5kb左右，两端具有IR，而不是IS，中部的编码区不仅编码抗性标记，还编码转座酶和解离酶。

三、转座噬菌体

转座噬菌体是一类具有转座功能的可引起突变的溶源噬菌体。其中研究得最深入的是Mu噬菌体。Mu噬菌体是一种温和噬菌体，溶源化后能起到转座子的作用。Mu噬菌体含有与转座有关的基因和反向重复序列。Mu几乎可以插入到宿主染色体任何一个位置上。

Mu的复制能力和它的转座能力密切相关。其生存依靠复制型转座。

Mu-phage的另一结构特点：

α区：含有包括A、B基因等大多数基因

G区：含Sv、U、 U′和Sv′4个基因

β区：含gin等两个基因

在转录时G区序列的不同走向导致了不同的寄主特异性：

G（＋） Sv和U基因表达吸附E.coil K12菌株

G（－） Sv′和U′基因表达吸附E.coil C菌株

Mu噬菌体的位点特异性倒置

第三节真核生物中的转座子

一、酵母菌基因组中的转座子

二、果蝇基因组中的转座子

三、玉米基因组中的转座子

四、人类基因组中的转座子

一、酵母菌基因组中的转座子

酵母菌是低等真核生物，其转座子却在很多方面类似于细菌的转座子。

目前在酵母中研究得较清楚的转座子是Ty(Transposon Yeast,Ty)系列。它们的一般长度约为5900bp，两端含有2个称为δ的正向长末端重复序列（LTR），正向重复序列的长度约340bp，每一个δ都含有一个启动子和一段被转座酶识别的序列（图11-13）。

LTR的作用与细菌的IS和Tn中的反向重复序列类似。

Ty1插入酵母染色体后，受体上会出现5bp的正向重复序列，这和细菌的转座子作用类似。Ty1因子只编码一条长5700nt的mRNA，转录的启动子位于其左端的LTR中。转录物含有两个可读框，所以这条mRNA可编码两种蛋白质。

Ty1因子的转座过程

二、果蝇基因组中的转座子

在黑腹果蝇中一些品系间杂交会出现某些异常现象，例如卵巢发育不全、分离比异常、高突变率和染色体畸变等。这种现象统称为杂种劣育综合症。

杂种劣育之出现，在特定的杂交组合中。黑腹果蝇中作为父方，造成杂种劣育的品系称为父方品系，简称P品系；作为母方，与P品系杂交能造成杂种劣育的品系，称为母方品系，简称M品系。

研究发现在P品系的细胞中有导致杂种劣育的遗传因子，称为P因子。

P因子的全长是2907bp，两端有31bp的反向重复序列。P因子有4个编码区和3个内含子。体细胞和生殖细胞中P因子的内含子的剪接方式不同，分别产生转座阻遏蛋白和转座酶。所以体细胞中的P因子不能转座，而生殖细胞的P因子能转座，从而造成配子败育。

研究发现，果蝇的细胞质因子与P因子转座有关。

P因子插入靶序列后会形成8bp的正向重复序列。

P因子可以从原来的位置消失，这一过程称为切离。准确的切离可以使因P因子插入而形成的突变型发生回复突变；不准确的切离会造成染色体畸变。

通过P因子克隆作为探针可以检测P因子的位置和数目。因P因子插入引起的突变基因有白眼(w)、焦刚毛(sn)和黄体(y)等。

三、玉米基因组中的转座子

1、Ac-Ds系统

Ac因子: 是一种结构和功能都完整的转

座子，能编码转座酶，可自主转座

。Ac两端各有11个bp的IR，插入位

点的靶序列产生8bp的重复。

Ds因子:是一种结构和功能都不完整的转

座子，不编码转座酶，所以不能自

主转座。各种Ds的长度和序列都不

相同，但和Ac有关，其末端同样有

11bp的IR。

2、Spm-dSpm系统

该系统也由两个成员组成，即一个长8.3kb的Spm因子和一个较小的dSpm因子。dSpm 为Spm因子内部缺失后形成的转座子，但能够独立转座。Spm因子插入到某基因后，常造成该基因失活。而dSpm不能，只有在Spm因子存在时，dSpm因子才能抑制插入位点基因的表达。

各种Spm和dSpm因子的末端都含有13bp的反向重复序列，都能在插入位点上产生3bp 的正向重复。

四、人类基因组中的转座子

人类基因组中的转座子主要有4种类型：

长散在重复序列（LINE）

短散在重复序列（SINE）

反转录病毒类转座子序列

DNA转座子序列

其中LINE和SINE最为常见。

1、长散在重复序列（LINE）

LINE为可自主转座的反转录转座子。如L1长6500bp，以富含A序列终止，含有两个阅读框，分别称ORF1和ORF2。

L1与人类疾病有关，血友病A的凝血因子Ⅷ基因中发现了2个截短的L1，后来在凝血因子Ⅷ的基因中又发现了1个反转座的L1插入片段。进行性假肥大性—肌营养不良(DMD)基因中有3个L1，肠道癌的致病基因APC以及β珠蛋白基因中也都发现了L1。

2、短散在重复序列（SINE）

SINE为非自主转座的反转录转座子（无反转座酶基因），能依赖L1或宿主中的反转座酶基因进行转座。

如Alu家族，长约300bp，两端具有短的正向重复序列，有一个AluⅠ的特异性识别位点。

第四节转座作用的分子机制

一、DNA转座机制

二、反转录转座子的转座机制

一、DNA转座机制

1、复制型转座（Tn3转座模型）

切开连接

复制

重组

2、非复制型转座

在转座过程中只有靶位点发生重连，而供体链仍保持裂缺，不形成共联体。在转座过程中，转座酶对转座子两端交错切割，释放出完整的转座子。同时受体也被交错切割，转座子与靶序列的切割端连接。

Tn10和Ac-Ds系统都属于非复制型转座。

非复制型转座机制

二、反转录转座子的转座机制

1、反转录病毒的转座机制

RNA病毒的线性基因组

反转录病毒基因组中LTR的形成

U3 R U5

U3 R U5

反转录病毒的转座过程

反转录病毒的转座机制

55

2、Ty1/copia类反转座子的转座机制

Ty1和copia都是反转座子，只是这类转座子由于缺少编码外壳蛋白的基因env，因此不能形成病毒颗粒。

Ty1含有两个阅读框，其中TyA相当于gag基因，TyB相当于pol基因。其转座机制与反转录病毒的转座机制类似。

3、人类LINE反转座子的转座机制

LINE转座子有两个阅读框（ORF1和ORF2），其中ORF2相对于pol基因，3’端有一个多聚腺苷酸的尾巴，缺少末端重复序列（LTR），其整合方式与反转录病毒不同。

LINE转座子的转座机制见图11-30。

所有转座子的共同机制：

在靶DNA上造成交错切口，转座子与突出的末端相连，填补缺口。

第五节转座因子的遗传学效应

一、引起染色体结构变异

二、诱发基因突变和外显子混编

三、调节基因表达

四、产生新的变异

一、引起染色体结构变异

1、两个正向重复(DR)的转座子之间的重组使夹在两个DR中间的DNA序列被切离而产生缺失。

2、两个反向重复(IR)的转座子之间的重组使夹在两个IR中间的DNA序列发生倒位。

3、姐妹染色单体上的转座子发生错位和不对等交换时，会造成缺失和重复。

二、诱发基因突变和外显子混编

1、造成插入失活和渗漏突变

转座子插入到某基因中往往造成该基因失活。有时，插入的转座子序列在转录后的剪接过程被除掉，因此插入位点的基因能正常表达，这种现象称为渗漏突变。

插入失活和渗漏突变与转座子在插入位点中的方向有关。

2、造成外显子混编

当两个转座子被同一转座酶识别而整合到染色体的临近位置时，则它们之间的DNA将变得易于被转座。如果这段DNA含有外显子，则该外显子将被切离，并可能插入到另一基因当中。这种效应称为外显子混编（exon shuffling)。

外显子混编：源自一个或几个基因的若干个外显子像洗牌一样进行重排。

三、调节基因表达

1、增强基因表达

反转录转座子和反转录病毒一样，带有增强子序列，能使插入部位附近的基因表达活性增强。

2、启动沉默基因的表达

有些转座子还带有启动子，也能促进基因的转录活性。

IS10R两端具22 bp的反向重复序列。在它的右侧反向重复序列内侧有两个方向相反的启动子，其中POUT是外向启动子，它能激活邻近下游的宿主DNA 中的基因。PIN是内向启动子，它们之间有36 bp重叠。

四、产生新的变异

由于转座插入位点可能出现新的基因，如像Tn携带的抗药性基因，它的转座不仅造成某个基因的插入突变，同时在此位点上引入一个新的抗药性基因。

转座可增加同源序列的整合，如IS既可插入细菌染色体的不同位置，又可插入质粒中。通过这些同源序列的重组，可以增加Hfr菌株的种类。

在某些情况下，插入到某个基因座位中的转座子也可能失活，转座子失活过程主要与DNA分子的甲基化作用（ methylation）有关。

转座子DNA序列的甲基化不仅影响转座子自身的表达，而且还会使临近基因也呈现出表观遗传变化。