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第三章

第三章. 可移动的遗传因子（转座子） 和染色体外遗传因子. 生化教研室 肖建英. 主要内容. 第一节 转 座 子 第二节 质 粒 第三节 遗传重组. 第一节 转 座 子. 转座子 (transposons) 概念： 在原核生物与真核生物基因组中存在 着可从一个染色体位点转移到另一位点 的一些 DNA 序列。. 转座子是基因组突变的主要因素之一。. IR. Transposase Gene. IR. 一、转座子的分类和结构特征. （一）原核生物转座子的类型：.

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  1. 第三章 可移动的遗传因子（转座子） 和染色体外遗传因子 生化教研室 肖建英

  2. 主要内容 第一节 转 座 子 第二节 质 粒 第三节 遗传重组

  3. 第一节 转 座 子 • 转座子(transposons) 概念： • 在原核生物与真核生物基因组中存在 • 着可从一个染色体位点转移到另一位点 • 的一些DNA序列。 转座子是基因组突变的主要因素之一。

  4. IR Transposase Gene IR 一、转座子的分类和结构特征 （一）原核生物转座子的类型： 1、插入序列（insertion sequences，IS） ———最简单的转座子。 • ① 二个分离的反向末端重复序列 • (inverted terminal repeats, ITR) • ② 一个转座酶（transposase)编码基因

  5. IR Transposase Gene 有用基因 IR 2、复合转座子—— Ⅰ类转座子 ——由IS类转座组件构成的复合体。 组成：两端为IS 中间编码抗生素物质 3、复杂转座子——Ⅱ类转座子（Tn A家族） ——携带转座和耐药等基因的独立体家族。 组成：两端为ITR，而不是IS 中间编码区含转座酶编码基因，及 抗生素抗性和解离酶等编码基因。

  6. 4、转座噬菌体——Ⅲ类转座子

  7. （二）真核生物转座子的类型： 1、酵母菌中的转座子——Ty因子： 2、果蝇中的转座子——P因子、FB因子等： 3、玉米中转座子——玉米调控元件 4、逆转录转座子——逆转录病毒、病毒超家族 及非病毒超家族。

  8. 转座子的共同特点： • ① 两端有反向重复序列 • ② 转座后靶位点是正向重复 • ③ 编码与转座有关的蛋白——转座酶 • ④ 可以在基因组中移动 • 转座机制： • ①复制型转座 • ②非复制型转座 • ③保守型转座

  9. B A ＋ 共和体 二、转座子机制 （一）转座中复制子融合形成共和体(cointegrate) 一个含有两个质粒的细胞，质粒各有一个转座 子，两个质粒可以融合在一起形成共和体，这一 过程称复制子融合（replicon fusion）。

  10. （二）转座子的复制过程 经几个世代

  11. （三）转座作用模型Ⅰ——对称模型

  12. （四）转座作用模型Ⅱ——非对称模型

  13. 三、转座效应 • 1、转座的遗传效应： • 转座最典型的作用是引起不稳定的突变等位基因。 • 转座子导致突变，插入致基因失活是转座最 直接的效应。 • 转座也可干扰宿主基因与调控元件之间的关系， • 或改变DNA结构而影响基因表达。 2、精确转座的结构效应： 转座事件可介导两侧的宿主DNA发生一系列 的基因重排。

  14. 3、异常转座的效应： 异常转座包括：一端转座； 部分转座 隐藏位点转座 协同转座 倒位转座 4、对宿主细胞活力的影响： 影响细胞DNA代谢，介导基因异常重排。 三种形式：① 修复切割所留下的切口 ② 转座子内部的重排 ③ 转座子间的重排

  15. 5、转座子作为研究工具： 主要用于如下研究： ① 基因传送载体 ② 结构重组 ③ 基因表达 ④ 基因突变 ⑤ 克隆 ⑥ 基因作图

  16. IS IS 抗生素抗性基因 四、原核生物和真核生物的转座子 （一）原核生物的转座子 1、插入序列（IS）与Ⅰ类复合转座子 • 插入序列是最简单的转座子。包括： • ① 二个分离的反向重复序列（ITR） • ② 一个转座酶（transposase)编码基因 • Ⅰ类复合转座子由耐药性基因和两个相同的IS组成。

  17. IR Transposase Gene 有用基因 IR 2、转座子A家族（Tn A） ——Ⅱ类复杂转座子 • 不是IS类转座组件的复合体，而是携带转座 和耐药等基因的独立体。 组成：长约5kb，两端为ITR，而不是IS 中间编码区含转座酶编码基因，及 抗生素抗性和解离酶等编码基因。 Tn A家族是由许多相关的转座子组成的。如： Tn 3、Tn 1、Tn 501等。

  18. 3、转座噬菌体 • 转座噬菌体是一种溶菌周期和溶源性交替 方式的噬菌体，可诱发大肠杆菌突变。 • Mu噬菌体： • ① 既有温和噬菌体的特性，又有转座子的特性。 • 噬菌体DNA的多个拷贝转座到染色体DNA的许多位点上，最终由这些染色体上的转座单位进行噬菌体包装。 • Mu噬菌体基因组右末端，存在由3kb组成的G片段，或称可倒位片段。G片段在不同的Mu噬菌体DNA分子中取向不同。

  19. G片段携带两种不同基因： G（＋）取向时，基因 S 和 U 表达； G（－）取向时，基因 S′和 U′表达。 图 G片段 p68

  20. （二）真核生物的转座子 1、酵母菌中的转座子——Ty因子： Ty因子是一大类转座子，长6.3kb，两端各有一段长334bp的顺向重复序列，称为δ成分。 每个酵母细胞基因组大约有30～35拷贝的Ty因子，有约100个独立存在的δ成分。 2、还原病毒与转座子： 还原病毒为单链RNA病毒，基因组RNA长 7～10kb，有gag、pol、env三种基因。 还原病毒与转座子有相似性，可能由祖先转座子 衍生而来。

  21. 3、非病毒返座子： • 遗传信息的移动是从DNA到DNA， • 这种转移过程称为转座（transposition）； • 被转移的遗传信息单元称为转座子（ transposon ） • 遗传信息的移动是从DNA到RNA再到DNA， • 这种RNA介导的转座作用称为返座作用； • 被转移的遗传信息单元称为返座子。 • 真核生物的非病毒返座子都起源于RNA polⅡ 和Ⅳ的转录产物。 • 前者为长散布重复序列，后者为短散布重复序列。

  22. 4、玉米调控元件： 是真核生物中首先被发现的转座子。 玉米调控元件有几个家族， 每个家族分为两大类： 一类是自发元件，另一类是非自发元件。

  23. 五、逆转录病毒和逆转录转座子 以RNA介导的转座与逆转录病毒有关，被转移 的因子称为逆转录转座子。 逆转录转座子是真核生物转座子的重要类型。 • 逆转录病毒与逆转录转座子的区别： • 逆转录病毒是具有感染能力的病毒颗粒，可以 • 在细胞之间转移。 • 逆转录转座子是宿主DNA基因组的组分，可以 • 在基因组内转座，但不能在细胞之间转移。

  24. 1、逆转录病毒基因组与逆转录转座子结构 （1）逆转录病毒： 两条正链RNA（二倍体） 3～4个基因，由gag、pol、env组成。 存在两种mRNA，一种为长的mRNA翻译gag和pol 两种蛋白。 （2）逆转录转座子： 与逆转录病毒结构有许多相似之处，包括： 同向长末端重复序列、每个重复序列两侧是短 反向重复序列、中央区域含gag和pol的阅读框架。 但env基因被破坏或没有，故逆转录转座子不能 形成感染粒子。二者的活性机制是不同的。

  25. 2、逆转录病毒与转座 • 逆转录病毒感染细胞主要产生两种结果： • ① 逆转录产生原病毒像溶源性噬菌体DNA一样， • 成为宿主基因组的一部分； • ② 细胞DNA序列可能与病毒序列重组，并经过 • 转座作用插入新位点，改变细胞的性质。 • 逆转录产生的线形病毒DNA，由整合酶催化 插入宿主靶位点DNA，这一整合过程与转座 子一样。 病毒DNA的末端相当重要，如发生突变 则抑制整合。

  26. 3、逆转录病毒与转导 • 逆转录病毒可转导真核细胞的序列，常被称 为转导逆转录病毒。 • 原病毒DNA整合在C-onc基因附近，二者可 融合在一起，转录后形成一条即含病毒序列又含 • C-onc的RNA，后者如含包装信号可被包装进 • 病毒颗粒中，形成含有一条融合RNA和一条正 • 常病毒RNA的二倍体病毒颗粒。 • 二者分子之间发生重组将会产生转化逆转录 • 病毒基因组。病毒携带V-onc，即具有转化能力。

  27. 第二节 质 粒 质粒（plasmid）： 为多数细菌和某些真核细胞染色体外的环状双链DNA分子 。 特点： 能在宿主细胞内独立复制，带有某些遗传信 息，会赋予宿主细胞一些遗传性状。 但质粒并不是它的宿主细胞所必需的。

  28. 质粒（plasmid） •  存在于细菌等细胞质中 双链环状DNA分子 大约 1-200 Kb 具有自主复制和转录能力 不能独立存活 在子细胞中保持恒定的拷贝数 并表达其遗传信息

  29. 一、质粒的遗传学类型 1、F 质粒：为性质粒，是一个小的超螺旋闭环 DNA（约95kb）。 可将宿主染色体基因转移至另一宿主基因 组中，其本身转移到缺乏F 质粒的细胞。 2、R 质粒：为耐药性质粒，由抗性转移因子 DNA和决定抗性因子DNA两部分组成。 后者含有对抗生素的抗性基因，使宿主细 菌产生对抗生素的抗性。

  30. 3、col 质粒：含有合成大肠杆菌素基因的质粒， 能杀死不含大肠杆菌素的亲缘细菌。 4、质粒噬菌体（噬粒，phagemid）： 能把完整的质粒引入某种噬菌体DNA成为 一种嵌合体。 嵌合体DNA的遗传学行为取决于某一复制子 的强弱。 表现噬菌体行为——称质粒噬菌体； 表现质粒的行为——称噬菌体质粒。

  31. 二、质粒DNA的特性 （一）质粒的复制 ——依赖细菌染色体的多种酶系统。 质粒在细胞内的复制分两种类型： • 1、严紧型质粒的复制： • 只在细胞周期的一定阶段进行复制，与细菌 的繁殖密切相关。 • 需要蛋白质合成和 DNA polⅢ 的存在。 • 每个细胞只有 1～5个拷贝。

  32. 2、松弛型质粒的复制： • 在整个细胞周期中随时都可进行复制。 • 需用DNA polⅠ的存在。 • 在细胞内有10～200个以上, 甚至多达数千个。 质粒复制方式： 均为半保留复制，并在复制周期内保持环状结构。 质粒复制形式多样，包括： 单向复制、双向复制、单向与双向并存。

  33. （三）质粒的转移性 • 通过细菌的结合作用，F 质粒在不丢失本 身的情况下，可从一个细胞转移到无F 质 粒的另一个细胞中。 （二）质粒的不相容性 • 质粒的不相容性是指细菌质粒不能在相同 细胞中同时存在的现象。 • 当某种质粒在宿主细胞内存在时，会阻止 其它质粒进入细胞寄宿，这种质粒称为 不相容质粒。

  34. 图 质粒转移过程 p75

  35. （四）质粒中的选择性标记 常用的选择性标记是抗生素抗性基因，包括： 1、氨苄青霉素抗性基因——ampr 2、四环素抗性基因 ——tetr 3、氯霉素抗性基因——cmr 或 cat 常用的质粒载体含有一个或两个抗生素抗性基因。

  36. 三、特殊细菌质粒 （一）F 质粒 ——性质粒 • F 质粒是一种环状的DNA分子，分子量94.5kb； • F 质粒有整合进入细胞染色体而产生Hfr细胞 的能力； • 染色体上有20多个整合位点，F质粒对其亲和力 不同，形成Hfr 细胞株的频率也是不同的； • F 质粒的整合方向可以是顺时针，也可逆时针； • F 质粒可从一个细胞转移到另一无F 质粒的细胞。

  37. （二）R 质粒——耐药性质粒 • R 质粒由抗性转移因子（RTF）和决定抗性 因子（r-决定子）两部分DNA片段组成。 • R 质粒含有对抗生素的抗性基因，使宿主细 • 菌产生对抗生素的抗性，这种耐药性是可以 • 遗传的。 （三）Col 质粒——大肠杆菌质粒 • 是能产生大肠杆菌素的大肠杆菌质粒，可以 抑制或杀死不含Col 质粒的亲缘细菌。

  38. 四、真核生物中的质粒 • 在高等生物细胞中，即使有质粒的存在，也 远不如在细菌中那样普遍。 • 在有性繁殖的高等生物细胞中，质粒DNA是 • 不能进行转移的。 • 已发现在单细胞真核生物酵母中有质粒的存在。 ① 杀伤微粒是一个双链RNA分子，这是唯一 没有DNA的质粒。 ② 酵母中存在2μm质粒，位于细胞核。拷贝数 高，每个细胞周期每个DNA分子只复制一次。

  39. 常用质粒 • pBR 322 4361 bpTetr Ampr • pUC18/192686 bp Ampr LacZ • pGEM-3Z 2743 bp Ampr LacZ • pUC 118/119 3162 bp Ampr LacZ

  40. pBK-CMV

  41. pEGSH

  42. pSG5

  43. pUC18/19

  44. pWE15

  45. 基因工程质粒载体的特点 • 能自主复制，有一个复制起始点； • 具有两个以上的遗传标记物，便于重组 体的筛选和鉴定； • 有克隆位点（外源DNA插入点），常具有 多个单一酶切位点，称为多克隆位点； • 分子量小，以容纳较大的外源DNA。

  46. 第三节 遗传重组 • 遗传重组的概念： • 在减数分裂时，通过同源染色体的交换和非 • 同源染色体的独立分配，使子代细胞的遗传信 • 息产生了重新组合，这种现象称为遗传重组。 • （genetic recombination） • 广义的遗传重组：指任何产生新的基因组合， • 从而造成基因型变化的过程，包括独立分配 • 或基因交换。 • 狭义的遗传重组：仅涉及DNA分子的断裂并重 新连接而造成基因重新组合的过程，即基因交换。

  47. 遗传重组的类型： 同源重组：homologous recombination 位点特异性重组：site-specific recombination 转座重组: transposition recombination 异常重组: illegitimate recombination

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