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第十章 转座

第十章 转座. 第一节 概述 第二节 转座子的分类 第三节 转座发生的机制 第四节 真核生物的转座因子 第五节 反转录病毒和反转座子. 1 概念： 转座子 （ transponson, 简称 Tn ） , 又称易位子，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。 转座子可以在不同复制子之间转移 ，以非正常重组方式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。. 1951 年 McClintock- 麦克林托克 提出转座（ Transposition ）和跳跃基因 (jumping gene) 的新概念；

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第十章 转座

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  1. 第十章 转座

  2. 第一节 概述 • 第二节 转座子的分类 • 第三节 转座发生的机制 • 第四节 真核生物的转座因子 • 第五节 反转录病毒和反转座子

  3. 1 概念： 转座子（transponson,简称Tn）, 又称易位子，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。 转座子可以在不同复制子之间转移，以非正常重组方式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。

  4. 1951年McClintock-麦克林托克提出转座（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）。 Barbara McClintock (1902-1992) Nobel Prize for Physiology or Medicine 1983

  5. 第二节 转座子的分类 1 转座因子的类型 1.1 插入序列 (Insertion sequence，IS) • 最简单的转座子称为插入序列。 • 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（direct repeats, DR）（靶序列）， • 略长15-25bp的反向重复序列（inverted repeats, IR） • 1kb左右的编码区，它仅编码和转座有关的转座酶。

  6. 2 复合转座子（composite transposon） • 复合转座子是由两端的组件由IS元件组成，中间夹着一个或多个结构基因如某些抗药性基因和其它基因组成。

  7. 转座因子 长度(bp) 遗传标记 末端组件 方向 二组件的关系 组件的功能 Tn903 3100 KanR IS903 反向 相同 二者皆有功能 Tn9 2500 CamR IS 1 正向 推测相同 预计有功能 Tn10 9300 TetR IS 10R 有功能 IS 10L 反向 有2.5%的差异 无功能 Tn5 5700 KanR IS 50R 有功能 IS 50L 反向 1 bp的改变 无功能 表 复合转座子的结构和功能

  8. 第一节 概述 • 第二节 转座子的分类 • 第三节 转座发生的机制 • 第四节 真核生物的转座因子 • 第五节 反转录病毒和反转座子

  9. 转座过程： n转座酶（transposase）催化IS的转座，它由IS编码。 n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。

  10. 1类型 1.1 复制型转座 • 转座是伴随着新拷贝的复制。 • 两种酶：转座酶和解离酶。 • TnA转座子。 1.2 非复制型转座 • 一个位点移到另一位点。 • 一种酶：转座酶。 • 供体中无转座子。 • 插入序列和复合转座子Tn10及Tn5； 1.3 保守转座 • 宿主的修复系统能识别此处双链断裂并进行修复。

  11. 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）转座过程中有一共合体。

  12. 2.2 非复制型转座 • 断裂和重接反应使靶重构。 • 供体保持裂缺。 • 不形成共合体。

  13. 3 Tn10的转座-转座频率的调控 • 每个转座子控制自身转座的核心----控制转座酶的水平 • 不到一个转座酶分子／世代／细胞 • 自发转座频率---10－7 • Tn10有两种控制转座的方式

  14. a） 通过反义RNA的翻译水平控制 ◘ IS10R外侧边缘两个启动子 ◘ PIN--弱启动子，控制IS10R的转录 ◘ POUT—强启动子 右向转录宿主DNA ◘ INRNA和OUTRNA 有36bp的重叠 稳定性： OUTRNA››INRNA ◘ 大量OUTRNA作为 INRNA的反义RNA >5拷贝

  15. b） 甲基化作用控制转座酶合成及其与DNA的结合 ◘ 有2个甲基化位点 ◘ 一个位点在IS10R末端的IR中。此是转座酶结合的地方，此位点的甲基化 抑制了转录酶和DNA的结合。 ◘ 另一个位点是在Pin中，这是启动子转录转座酶基因。该位点的甲基化抑 制转录合成。

  16. 转座子 A A F F B B E E C C D D 转座子新拷贝 复制 插入 基因F被隔断而失去功能 4 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

  17. 第一节 概述 • 第二节 转座子的分类 • 第三节 转座发生的机制 • 第四节 真核生物的转座因子 • 第五节 反转录病毒和反转座子

  18. 第四节 真核生物的转座因子 • 玉米的转座元件 • 果蝇的转座元件

  19. 物种 转座因子家族 IR DR 果蝇 P Hobo Mariner FB 31 12 28 大 8 8 2 9 线虫 Tc1 54 2 玉米 AC/DS Spm/dSpm Mu/mn 11 13 200 8 3 9 金鱼草 Tam1 Tam3 13/14 12 3 8/5 一些真核生物 TU/puppy 大 8 表一些有代表性的真核转座子的属性

  20. 1玉米中的控制因子 1.1 麦克林托克的伟大发现 • 一个“可移动的控制因子”（现在称转座子）Ds，即解离因子（dissociator），插入到C基因（色素）中，使之突变，成无色素。 • 另一个可移动的控制因子是Ac，称激活因子（activator） • Ac能激活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。

  21. 1.2 玉米中控制因子家族 1.2.1自主性元件：有自主切离和转座的能力。可以插入到任何位点产生一个不稳定的或可“突变”等位基因。 1.2.2 非自主性元件：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元件同家族的自主性元件时，它才具备转座功能，成为与自主性因子相同的转座子，不论这自主元件位于何处。 • 非自主因子来源于自主元件:自主元件通过缺失或其它的变化，失去了反式作用的转座酶活性，但留下了完整的转座酶作用位点,包括边界。

  22. 玉米中控制因子家族是由一个单一类型的自主元件和许多不同的非自主元件组成。玉米中控制因子家族是由一个单一类型的自主元件和许多不同的非自主元件组成。 • 已经发现的玉米中的转座因子包括： Ac-Ds, Spm-dSpm等。 • 玉米转座因子的特点和原核的转座因子相似。 • 在其两端有反向重复序列（IR），在与靶DNA连接处有短的正向重复（DR）。

  23. 在Ds-Ac系统中， AC: • 大部分自主因子AC中含5个外显子的单个基因，其产物是转座酶， • 末端11bp的IR和8bp的DR，DR是由靶位点重复而成。 Ds: • 各种Ds因子的长度和序列都不相同，但和Ac相关。其末端同样有11bp的IR。 • Ds比Ac短，其缺失的长度不同，一个极端的例子是Ds9因子仅缺失194bp，另一个例子是Ds6因子长仅有2Kb，相当于Ac两端各1kb。

  24. 2．果蝇中的转座子---P因子 “杂种不育”（hybrid dysgenesis）。 P型（父本贡献的，paternal contributing） M型（母本贡献的，maternal contributing） P（♂）×M（♀） 后代不育 M（♂）×P（♀） 后代可育。

  25. 杂种不育 在P雄×M雌的F1不育是因为M品系雌性细胞质内缺失一个66KD的转座阻遏蛋白， 因此引起了P品系的雄性细胞核染色体上的P转座子自由转座，后代不育。

  26. P元件 • P因子全长2 907 bp，两端有31 bp的反向重复序列。 • 4个编码区、3个内含子。 • 体细胞中，只有内含子1、2被顺利切除，产生前3个外显子的功能型mRNA，被翻译成66KD的蛋白——一种转座活性的抑制因子。 • 生殖细胞中，内含子3被切除，产生的成熟mRNA包括全部4个外显子并被翻译成87KD的转座酶，才能导致P因子转座和配子败育。

  27. 发生机制 • 体细胞中含有一种蛋白，结合在第3个外显子上，阻止这个内含子的剪接。 • 生殖细胞中缺乏这个蛋白，因此可以剪接第三个内含子产生编码转座酶的mRNA。 • 当雌果蝇为M型时，在卵中无阻遏物，这样导致了来自雄果蝇中的P因子使生殖细胞中转座酶活化。

  28. 没有P因子 没有阻遏物

  29. 第一节 概述 • 第二节 转座子的分类 • 第三节 转座发生的机制 • 第四节 真核生物的转座因子 • 第五节 反转录病毒和反转座子

  30. 1．反转录病毒 1.1 概念 • 转座：从DNA到DNA的转移； • 反转座：从DNA到RNA再到DNA的转移过程。 • 反转录转座子/反转座子：一些真核细胞的转座子和反转录病毒的原病毒的一般组成结构相关，并且通过RNA中间体进行转座。

  31. 1.2 反转录病毒的生活史 • 反转录病毒整合在细胞的基因组中，作为一种内生病毒,像是一个溶源性细菌噬菌体，其行为作为生物遗传物质的一部分。

  32. 1.3 反转录病毒基因组的结构与功能 （1） 反转录病毒包括gag-po1-env基因

  33. （2）反转录病毒RNA的末端是正向重复序列。 • R序列差异很大，长10到80nt不等。 • 在5’端紧跟着R的是U5区，长80～100nt； • 在3’端R的内侧是U3序列，长170～1260nt。

  34. 反转录病毒线型DNA的末端是LTRs,整合到宿主DNA中时，两端各丢失了2 bp

  35. 2 反转录病毒的整合模型 • 2.1 反转录病毒RNA转变为病毒线性DNA • 反转录病毒被称为正链病毒，这是由于病毒的RNA本身编码蛋白产物。 • 反转酶负责将基因变成为互补的DNA链，这链称为负链DNA（minus strand DNA）。双链中的第二条DNA单链称为正链DNA（plus strand DNA）。 • 反转酶: 具有DNA聚活酶的活性，还具有RNase H的活性，可以降解RNA-DNA杂种链中的RNA部分。

  36. 跳跃 强停止负链DNA 在反转录中通过模板转换产生负链DNA

  37. 强停止正链DNA 跳跃 正链DNA的合成需要第二次跳跃

  38. 模板的转换和延伸的结果是将U3序列加到5’端，同时也将U5加到了3’端，使两端产生了相同的序列。模板的转换和延伸的结果是将U3序列加到5’端，同时也将U5加到了3’端，使两端产生了相同的序列。 • 这种序列结构“U3-R-U5”被称为长的末端重复序列（long terminal repeat ，LTR）； • US的3’端和U3的5’端由一个短的IR组成的，因此LTR本身的两个末端都有反向重复序列，而它的侧翼是靶DNA形成短的正向重复序列。 • 整合的原病毒DNA像是转座子：前病毒末端的反向重复序列，其两侧面有靶DNA的正向重复序列。

  39. 2.2 反转录病毒DNA的整合到宿主细胞基因组 • 原病毒是通过将线性DNA正向插入到靶位点中产生的，由病毒的整合酶所催化。 ü

  40. 反转录病毒整合入宿主DNA中的分子机制，本质是转座；反转录病毒整合入宿主DNA中的分子机制，本质是转座； • 整合的病毒DNA两端的LTR各丢失了2bp • 而它的侧翼是靶DNA形成短的正向重复序列

  41. 反转座子和反转录病毒的区别 • 反转座子共有的可鉴定的特性为：插入位点会产生短的靶序列的正向重复。 • 反转录病毒首先被观察到的是以传染性病毒颗粒的形式存在，并能在细胞间传播； • 而反转座子是被当作基因组中的一部分而被发现的，它们可以在基因组内进行转座，但不能在细胞间迁移。

  42. 3 反转座子的分类 • 病毒超家族（vira superfamivly）：反转录病毒编码反转录酶或整合酶，所以有转座能力。反转录子不同于反转录病毒，它们自已并不形成独立的感染颗粒。但对于转座机制等其它方面它们是相似的。这一组称为…..。 • 非病毒超家族（nonviral suberfamily）：另一类反转录子其内外部特点相似，表明它们起源于RNA序列。它们并不编码具有转座功能的蛋白，转座的酶是通过别处编码的酶来作用的。这一组就称为….。

  43. 病毒超家族 非病毒超家族 共同类型 Ty(酵母) SINES B1/Alu(哺乳动物) Copia(果蝇) Pol Ⅲ转录的加工假基因 LINES L1(哺乳动物) 末端 长末端重复序列 无末端重复序列 靶重复序列 4～6 bp 7～12bp 阅读框 反转录酶和/或整合酶 无(不编码转座子产物) 组成 可含内含子(在亚基因组mRNA中被切除 无内含子 表 反转座子分为病毒超家族和非病毒超家族

  44. 小结 第十章 转座 • 第一节 概述 • 第二节 转座子的分类 • 第三节 转座发生的机制 • 第四节 真核生物的转座因子 • 第五节 反转录病毒和反转座子

  45. 主要类型转座子 类型 结构特征 转座机理 举例 细菌插入序列（IS） IRs;转座酶和或拆分酶编码基因 切离或复制DNA后插入靶位 IS1,IS10 复合转座子 IS组份；抗药基因 复制DNA后插入靶位 Tn9 IRs;蛋白质编码基因（有内含子） 切离DNA后插入靶位 果蝇P成分，玉米Ds、Ac 真核转座子 RNA聚合酶ІI从左侧LTR的启动子转录RNA,逆转录，插入靶位 LTRs;逆转录酶、整合酶、gag蛋白编码基因 病毒反转座子 酵母Ty成分 果蝇Copia成分 非病毒反转座子 各种长度的3’端富含A/T区；逆转录酶编码基因 从内部启动子转录 RNA,RNA折叠为逆转录酶提供引物，插入靶位 果蝇F和G成分，哺乳动物的LINE,SINE,人Alu

  46. 问答题 什么是转座子？转座子有哪几种类型？ 什么叫做Ds-Ac因子？ 反转录病毒和反转录转座子有什么不同？

  47. 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。

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