DNA的转座分子生物学.pptx

一、转座成分概述一、转座成分概述1.转座子转座子(元元)或转座元件或转座元件 (transposon or transposable element):即能够反复插入到基因中许多位点的特殊即能够反复插入到基因中许多位点的特殊DNA片段，片段，它们可从一个位点转移到另一个位点，从一个复制子到另它们可从一个位点转移到另一个位点，从一个复制子到另一个复制子（在转移时原来位置上的这些结构依然存在或一个复制子（在转移时原来位置上的这些结构依然存在或不存在）。不存在）。第1页/共61页 2.特点：特点：不必借助同源序列就可移动的不必借助同源序列就可移动的DNA片段，即转片段，即转座作座作 用与供体和受体之间的序列无关。用与供体和受体之间的序列无关。原核生物和真核生物均有转座子。原核生物和真核生物均有转座子。转座序列可沿染色体移动，甚至在不同染色体间转座序列可沿染色体移动，甚至在不同染色体间跳跳 跃。跃。第2页/共61页3.种类与特征种类与特征（1 1）类型：类型：类型：类型：A A 简单转座子简单转座子简单转座子简单转座子 或（插入序列或（插入序列或（插入序列或（插入序列 insertion sequence IS insertion sequence IS）B B 复合转座子复合转座子复合转座子复合转座子 C C 巨型转座子巨型转座子巨型转座子巨型转座子 （2 2）特征：特征：特征：特征：a a）两端有）两端有）两端有）两端有202040bp40bp的反向重复序列的反向重复序列的反向重复序列的反向重复序列(IR)(IR)b b）具有编码转座酶（）具有编码转座酶（）具有编码转座酶（）具有编码转座酶（transposasetransposase）的基因）的基因）的基因）的基因 c c）复合转座子除转座酶基因外还有）复合转座子除转座酶基因外还有）复合转座子除转座酶基因外还有）复合转座子除转座酶基因外还有11数个基因。数个基因。数个基因。数个基因。d d）转座酶催化转座子插入新位点。）转座酶催化转座子插入新位点。）转座酶催化转座子插入新位点。）转座酶催化转座子插入新位点。第3页/共61页A 插入序列插入序列 最简单，是细菌染色体、质粒和某些噬菌体的最简单，是细菌染色体、质粒和某些噬菌体的正常组分，是一个自主的单位，每种正常组分，是一个自主的单位，每种IS均编码自身均编码自身转座所需的蛋白质。转座所需的蛋白质。命名：命名：IS编号（鉴定类型）编号（鉴定类型）长度长度 7002000bp第4页/共61页每种每种IS元件具有不同序列，但有共同的组织形元件具有不同序列，但有共同的组织形式式插入序列插入序列插入序列插入序列IS1IS1的结构的结构的结构的结构第5页/共61页第6页/共61页第7页/共61页B 复合转座子复合转座子 表示法：表示法：通常以通常以Tn和后面加上数码表示，和后面加上数码表示，如如Tn903。结构结构:a.除有转座酶基因外还有其它表型基因，除有转座酶基因外还有其它表型基因，如：抗药基因，使宿主具表型效应。如：抗药基因，使宿主具表型效应。b.两侧有重复序列。两侧有重复序列。c.有的转座子的重复顺序就是有的转座子的重复顺序就是IS。功能：功能：和和 IS 一样可以从一个位点转座到另一样可以从一个位点转座到另一个位点。一个位点。第8页/共61页Tn1681大肠杆菌热稳大肠杆菌热稳定毒素定毒素I 基因基因552 bpIRIRIRIR复合转座子结构示意图复合转座子结构示意图IS1IS1第9页/共61页第10页/共61页a)Tn/TnA family l 具有具有IR、转座酶基因、转座酶基因、调节基因（解离酶）、调节基因（解离酶）、抗抗生素基因抗抗生素基因 2.5 kb 20 kb Tn3 IR TnpA TnpR AmpR IR 38bp 38bp 转座酶转座酶 regulator -内酰胺酶内酰胺酶 两种类型两种类型第11页/共61页 b）两端重复序列为两端重复序列为ISIS的复合转座子的复合转座子 e.g.IS插入到功能基因两端，可能形成复合转座因子插入到功能基因两端，可能形成复合转座因子 其两翼往往是两个相同或高度同源的其两翼往往是两个相同或高度同源的其两翼往往是两个相同或高度同源的其两翼往往是两个相同或高度同源的ISIS序列，序列，序列，序列，表明表明表明表明ISIS序列插入到某个功能基因两端时就可能产生序列插入到某个功能基因两端时就可能产生序列插入到某个功能基因两端时就可能产生序列插入到某个功能基因两端时就可能产生复合转座子。一旦形成复合转座子，复合转座子。一旦形成复合转座子，复合转座子。一旦形成复合转座子，复合转座子。一旦形成复合转座子，ISIS序列就不能序列就不能序列就不能序列就不能再单独移动，因为它们的功能被修饰了，只能作为再单独移动，因为它们的功能被修饰了，只能作为再单独移动，因为它们的功能被修饰了，只能作为再单独移动，因为它们的功能被修饰了，只能作为复合体移动。复合体移动。复合体移动。复合体移动。第12页/共61页IS ISIS IS L IS R臂 中心区 臂transposition第13页/共61页 当两个当两个IS组件相同组件相同时，其中任一个都可时，其中任一个都可行使转座功能行使转座功能 不同时，主要依靠不同时，主要依靠不同时，主要依靠不同时，主要依靠一个一个一个一个 两侧的两侧的IS既可以是既可以是IR，又可以是，又可以是DR状态状态（IR多）多）第14页/共61页C、转座噬菌体、转座噬菌体 Mu phage（巨型转座子（巨型转座子）C repressor for A,BB 33 kd 与转座有关与转座有关A 70 kd 转座酶转座酶U,S 毒性蛋白毒性蛋白attL,attR 与寄主同源，反向重复，转座必需与寄主同源，反向重复，转座必需 Gin G区倒位酶区倒位酶G 倒位区 38kb att L C A B S U att R 150bp 1.5kb Pgin 以为寄主的温和型噬菌体（溶源、裂解）以为寄主的温和型噬菌体（溶源、裂解）第15页/共61页 Mu的插入途径的插入途径a）侵入的侵入的Mu在溶源化在溶源化过程中任意插入寄过程中任意插入寄DNAb）进入裂解生长后，进入裂解生长后，复制产生后代复制产生后代Mu DNA几乎全部插入寄主几乎全部插入寄主DNA中，并可继续转座（形中，并可继续转座（形成寄主成寄主DNA和和Mu的共的共合体），噬菌体成熟时，合体），噬菌体成熟时，切段共合体包装切段共合体包装第16页/共61页1.转座的一般模式转座的一般模式二、转座子的转作机制与模式二、转座子的转作机制与模式 转座子插到新的位点上，靶转座子插到新的位点上，靶转座子插到新的位点上，靶转座子插到新的位点上，靶DNADNA上产生交错切口，上产生交错切口，上产生交错切口，上产生交错切口，所形成的单链末端与转座子两端的反向重复序列相连，所形成的单链末端与转座子两端的反向重复序列相连，所形成的单链末端与转座子两端的反向重复序列相连，所形成的单链末端与转座子两端的反向重复序列相连，由由由由DNADNA聚合酶填补缺口，聚合酶填补缺口，聚合酶填补缺口，聚合酶填补缺口，DNADNA连接酶封闭切口。连接酶封闭切口。连接酶封闭切口。连接酶封闭切口。转座结束后，靶转座结束后，靶转座结束后，靶转座结束后，靶DNADNA发生一个正向重复序列。发生一个正向重复序列。发生一个正向重复序列。发生一个正向重复序列。第17页/共61页第18页/共61页第19页/共61页2.复制型转座模式（复制型转座模式（replicative transposition）转座子作为可移动的元件被复制，一个拷贝保留在供转座子作为可移动的元件被复制，一个拷贝保留在供转座子作为可移动的元件被复制，一个拷贝保留在供转座子作为可移动的元件被复制，一个拷贝保留在供体原来的部位不变；另一个拷贝则插入到受体的位点上，体原来的部位不变；另一个拷贝则插入到受体的位点上，体原来的部位不变；另一个拷贝则插入到受体的位点上，体原来的部位不变；另一个拷贝则插入到受体的位点上，结果供体和受体都有一个转座子的拷贝。结果供体和受体都有一个转座子的拷贝。结果供体和受体都有一个转座子的拷贝。结果供体和受体都有一个转座子的拷贝。需两种酶：需两种酶：需两种酶：需两种酶：转座酶转座酶转座酶转座酶(transposase)(transposase)：作用于靶位点和原来转座子两端。作用于靶位点和原来转座子两端。作用于靶位点和原来转座子两端。作用于靶位点和原来转座子两端。解离酶解离酶解离酶解离酶(resolvase)(resolvase)：作用于复制后的拷贝。作用于复制后的拷贝。作用于复制后的拷贝。作用于复制后的拷贝。第20页/共61页第21页/共61页过程过程 a)a)共合体形成共合体形成共合体形成共合体形成 切口连接复制切口连接复制切口连接复制切口连接复制第22页/共61页 b)拆分拆分 靶位点的DR形成第23页/共61页3.3.非复制型转座（非复制型转座（非复制型转座（非复制型转座（nonreplicative transposition)nonreplicative transposition)转座子从供体一个位点转移到受体新位点处，供体转座子从供体一个位点转移到受体新位点处，供体转座子从供体一个位点转移到受体新位点处，供体转座子从供体一个位点转移到受体新位点处，供体位点留下缺口，受到损伤（严重时致死）或宿主修复系位点留下缺口，受到损伤（严重时致死）或宿主修复系位点留下缺口，受到损伤（严重时致死）或宿主修复系位点留下缺口，受到损伤（严重时致死）或宿主修复系统识别修复。统识别修复。统识别修复。统识别修复。只需只需只需只需转座酶转座酶转座酶转座酶第24页/共61页第25页/共61页4.保守型转座（保守型转座（conservative transposition)另一种非另一种非另一种非另一种非复制型。复制型。复制型。复制型。与与与与 整整整整合机制相似其合机制相似其合机制相似其合机制相似其转座酶与转座酶与转座酶与转座酶与 整合整合整合整合酶家族有关。酶家族有关。酶家族有关。酶家族有关。第26页/共61页5.TnA转座模式转座模式 复制型转座复制型转座 转座酶转座酶(tnpA)、解离酶解离酶(tnpR)解离酶需要特异的内部解离酶需要特异的内部位点位点 双重功能：解离功能双重功能：解离功能 tnpA及自身的阻遏物及自身的阻遏物 拆分位点拆分位点 res 共合体拆分位点共合体拆分位点 转座结果产生转座结果产生5bp 的正向重复序列的正向重复序列第27页/共61页 第28页/共61页a)不依赖不依赖供体序列供体序列与靶位点间序列的同源性与靶位点间序列的同源性b)转座不是简单的转移，涉及转座子的复制转座不是简单的转移，涉及转座子的复制Hotspots(热点热点)Regional preference(在在3kb区域内的随机插入区域内的随机插入)d)某些转座因子（某些转座因子（Tn3）对同类转座因子的插入具有排他性）对同类转座因子的插入具有排他性 （免疫性）（免疫性）e)靶序列在转座因子两侧会形成正向重复靶序列在转座因子两侧会形成正向重复 f)转座因子的切除与转座将产生复杂的遗传学效应转座因子的切除与转座将产生复杂的遗传学效应 转座的特点转座的特点转座的特点转座的特点c)转座插入的靶位点并非完全随机转座插入的靶位点并非完全随机（插入专一型）（插入专一型）第29页/共61页三、转座子转座频率的调控三、转座子转座频率的调控 每个转座子控制自身转座的核心每个转座子控制自身转座的核心-控制转座酶的水平控制转座酶的水平 不到一个转座酶分子世代细胞不到一个转座酶分子世代细胞1）、）、Tn10转座机制转座机制 Tn10为复合型转座子为复合型转座子 IS10R元件提供转座酶活性元件提供转座酶活性-合成转座酶的序列合成转座酶的序列 自发转座频率自发转座频率-107 Tn10转座酶水平是控制转座的关键转座酶水平是控制转座的关键 有两种控制转座的方式有两种控制转座的方式第30页/共61页 a）通过反义通过反义RNA的翻译水平控制的翻译水平控制 IS10RIS10R外侧边缘两个启动子外侧边缘两个启动子外侧边缘两个启动子外侧边缘两个启动子 P PININ控制控制控制控制IS10RIS10R的转录的转录的转录的转录 弱启动子弱启动子弱启动子弱启动子 P POUTOUT：强启动子：强启动子：强启动子：强启动子 向右转录宿主向右转录宿主向右转录宿主向右转录宿主DNADNA INRNAINRNA和和和和OUTRNAOUTRNA 有有有有36bp36bp的重叠的重叠的重叠的重叠 稳定性：稳定性：稳定性：稳定性：OUTRNAOUTRNA INRNAINRNA 大量大量大量大量OUTRNAOUTRNA作为作为作为作为 INRNAINRNA的反义的反义的反义的反义RNARNA第31页/共61页 b）甲基化作用控制转座酶合成及其与甲基化作用控制转座酶合成及其与DNA的结合的结合 Tn10Tn10转座酶启动子含有转座酶启动子含有转座酶启动子含有转座酶启动子含有GATCGATC序列（其它转座子）序列（其它转座子）序列（其它转座子）序列（其它转座子）中中中中DamDam甲基化酶甲基化酶甲基化酶甲基化酶 作用使启动子相对钝化作用使启动子相对钝化作用使启动子相对钝化作用使启动子相对钝化 只能利用刚刚复制完成只能利用刚刚复制完成只能利用刚刚复制完成只能利用刚刚复制完成 时出现少数转座酶时出现少数转座酶时出现少数转座酶时出现少数转座酶 IS10RIS10R的末端的末端的末端的末端 IRIR也含有也含有也含有也含有GATCGATC，甲基化的甲基化的甲基化的甲基化的GATCGATC不能不能不能不能 结合转座酶结合转座酶结合转座酶结合转座酶 Tn10Tn10在在在在DNADNA刚刚刚刚刚刚刚刚 复制后发生转座复制后发生转座复制后发生转座复制后发生转座第32页/共61页四、四、转座子的某些遗传学效应转座子的某些遗传学效应1.转座引起插入突变转座引起插入突变IS、Tn 和和 Mu 噬菌体都可能引起插入突变。噬菌体都可能引起插入突变。插入位点若在一个顺反子（插入位点若在一个顺反子（cistron)的前端的前端功能基因功能基因中，中，可能造成可能造成极性突变极性突变（移码或终止密码突变）。（移码或终止密码突变）。指减低蛋白质合成速度的基因突变第33页/共61页第34页/共61页2.造成插入位点靶造成插入位点靶DNA的少量碱基对重的少量碱基对重复复IS1、Tn10：造成造成9bp的重复。的重复。IS3：造成造成3或或4bp的重复。的重复。IS4：造成造成11bp的重复。的重复。3.3.插入位点出现新基因插入位点出现新基因 复合转座子带有抗性基因（如抗药性基因复合转座子带有抗性基因（如抗药性基因ampc)，可产生两方面效应：一个基因的插入突，可产生两方面效应：一个基因的插入突变；出现抗药基因。变；出现抗药基因。第35页/共61页4.引起染色体畸变引起染色体畸变 在一个染色体上（甚至不同染色体上）若有同一转在一个染色体上（甚至不同染色体上）若有同一转座子的两个拷贝，其提供的相同重组位点，可导致缺失、座子的两个拷贝，其提供的相同重组位点，可导致缺失、倒位、插入。倒位、插入。方向相同：产生缺失。方向相同：产生缺失。方向相反：发生倒位。方向相反：发生倒位。第36页/共61页第37页/共61页第38页/共61页第39页/共61页通过转座子介导的姐妹染色单体间的染色体内异位交换通过转座子介导的姐妹染色单体间的染色体内异位交换 第40页/共61页5.5.5.5.切除效应切除效应切除效应切除效应指转座子从原来位置上消失。指转座子从原来位置上消失。指转座子从原来位置上消失。指转座子从原来位置上消失。准确切除：使原插入发生恢复突变。准确切除：使原插入发生恢复突变。准确切除：使原插入发生恢复突变。准确切除：使原插入发生恢复突变。不准确切除：留下转座子残迹，产生插入突变，但不准确切除：留下转座子残迹，产生插入突变，但不准确切除：留下转座子残迹，产生插入突变，但不准确切除：留下转座子残迹，产生插入突变，但转座子标志消失。转座子标志消失。转座子标志消失。转座子标志消失。第41页/共61页转座子切离所造成的序列变异 第42页/共61页 6.外显子改组外显子改组 当二个转座子被同一转座酶识别而整合到染当二个转座子被同一转座酶识别而整合到染色体的邻近位置时，则位于它们色体的邻近位置时，则位于它们之间的序列之间的序列有可能有可能被转座酶作用而被转座酶作用而转座转座，如果这，如果这DNA序列中含有外显序列中含有外显子，则被切离并可能插入另一基因中，这种效应称子，则被切离并可能插入另一基因中，这种效应称为外显子改组为外显子改组(exon shuffling)(图图)。外显子改组将导致基因组中外显子改组将导致基因组中新基因的产生新基因的产生。第43页/共61页双转座子插入所引起的外显子改组示意图双转座子插入所引起的外显子改组示意图 第44页/共61页7.7.转座引起的生物进化转座引起的生物进化 由于转座作用，使一些原来在染色体相距甚远的基由于转座作用，使一些原来在染色体相距甚远的基因组合到一起，构建成一个操纵子或表达单元，也可能因组合到一起，构建成一个操纵子或表达单元，也可能产生一些具有新的生物学功能的基因和新的蛋白分子产生一些具有新的生物学功能的基因和新的蛋白分子（如复合式转座子）。（如复合式转座子）。第45页/共61页（1）可使原来相距较远的基因组合在一起，形成一个操纵子。可使原来相距较远的基因组合在一起，形成一个操纵子。（2）产生一个新蛋白，把原来两段分离的产生一个新蛋白，把原来两段分离的DNA序列连在一序列连在一 起。起。（3）启动子部位的插入可使基因打开或关闭。启动子部位的插入可使基因打开或关闭。（4）过多转座（频率过高）对细胞不利，细胞在长期进化中形成）过多转座（频率过高）对细胞不利，细胞在长期进化中形成 了一些不利于转座的代谢途径，可与转座过程平衡。了一些不利于转座的代谢途径，可与转座过程平衡。（5）转座基因插入时，大多数受体基因均被钝化，但也有基因被转座基因插入时，大多数受体基因均被钝化，但也有基因被 激活。（这是因为转座子有自己的启动子，在使转位酶转录激活。（这是因为转座子有自己的启动子，在使转位酶转录 的同时，也可使相邻基因转录）。的同时，也可使相邻基因转录）。五、转座子效应的意义五、转座子效应的意义第46页/共61页 六、真核生物的转座成分六、真核生物的转座成分 a)转座机制与细菌的转座子类似转座机制与细菌的转座子类似 遗传信息：遗传信息：DNADNA 玉米的Ac-Ds元件、果蝇的P元件和FB元件等 b)转作机制类似逆转录病毒转作机制类似逆转录病毒 遗传信息：遗传信息：RNADNARNA 如：逆转录病毒、果蝇的如：逆转录病毒、果蝇的Copia元件、酵母的元件、酵母的Ty元件元件根据转座机制目前分为两类：根据转座机制目前分为两类：第47页/共61页 Ac和和Ds这两个因子都位于玉米的第九号染色体短臂，在这两个因子都位于玉米的第九号染色体短臂，在色素色素基因基因C的附近。的附近。Ac因子因子全长，有全长，有5个外显子，其产物是转座酶。个外显子，其产物是转座酶。Ac因子两端因子两端是长是长11bp的反向重复序列的反向重复序列(IR)；Ds因子因子长，它的中间长，它的中间(在在转座酶基因中转座酶基因中)有许多种长度不等的有许多种长度不等的缺失缺失,如如Ds9只缺失只缺失194bp，而，而Ds6则缺失，则缺失，Ds的两端也都有的两端也都有11bp的反向重复序列。的反向重复序列。Ac和和Ds的末端反向重复几乎是一样的，只有一个不同之处：的末端反向重复几乎是一样的，只有一个不同之处：Ac两端最外边的核苷酸是彼此不互补的两端最外边的核苷酸是彼此不互补的T:G，而，而Ds是互补的是互补的T:A(图图)。第48页/共61页 Ac-Ds转座元件结构示意图。右边示转座元件结构示意图。右边示Ac及及Ds元件的单链元件的单链DNA末端反向重复末端反向重复配对所形成的茎环结构，这种结构可能对转座有意义配对所形成的茎环结构，这种结构可能对转座有意义第49页/共61页 由于缺失转座酶，由于缺失转座酶，Ds因子不能自主移动，因此因子不能自主移动，因此Ds因子是非自主移动的受体因子因子是非自主移动的受体因子(dissociator)，而，而Ac则则为自主移动的调节因子为自主移动的调节因子(activator)，Ds的转座依赖于的转座依赖于Ac元件的存在。元件的存在。Ac、Ds的转座属于的转座属于非复制机制非复制机制，即不是复制一，即不是复制一份拷贝后将拷贝转移，而是直接从原来位置消失。份拷贝后将拷贝转移，而是直接从原来位置消失。第50页/共61页玉米转座因子对胚乳颜色的影响 第51页/共61页第52页/共61页 果蝇的果蝇的P因子有两种类型，一类是因子有两种类型，一类是全长全长P因子因子，长，长2907bp，两端有，两端有33bp的反向重复序列的反向重复序列(IR)，有，有4个外显个外显子子(4个个ORF)，编码转座酶，编码转座酶(图图)；另一类为；另一类为缺失型缺失型P因子因子，它不能编码转座酶，它的转座依赖于全长它不能编码转座酶，它的转座依赖于全长P因子。缺失型因子。缺失型P因子都是由活性因子都是由活性P因子的中段缺失衍生而来的，长度从因子的中段缺失衍生而来的，长度从500bp到到1400bp不等。不等。不带有不带有P因子的品系称为因子的品系称为M品系，带有品系，带有P因子的品系因子的品系称为称为P品系。品系。P因子的转座也属于非复制型。因子的转座也属于非复制型。第53页/共61页果蝇P因子的结构 第54页/共61页果蝇杂种不育仅发生在P X M中 第55页/共61页果蝇杂种不育取决于基因组中P因子和不同细胞型中阻遏蛋白的相互作用 第56页/共61页 Copia因子因子是果蝇的一种反转录转座子是果蝇的一种反转录转座子(retrotransposon或或retroposon)，所谓反转录转座子是，所谓反转录转座子是指通过指通过RNA为中介，反转录成为中介，反转录成DNA后进行转座的可动后进行转座的可动元件。元件。Copia因子由于存在大量密切相关的编码高丰度因子由于存在大量密切相关的编码高丰度mRNAs的序列而得名。的序列而得名。家族数量巨大，分布广泛。家族数量巨大，分布广泛。第57页/共61页 Copia因子全长因子全长5000bp左右，两端各有一个相同的左右，两端各有一个相同的276bP的正向重复序列的正向重复序列(DR)，每个正向重复序列本身的，每个正向重复序列本身的两端还各有一个反向重复序列两端还各有一个反向重复序列(IR)。当。当Copia因子转座因子转座插入染色体时，在插入位点上产生插入染色体时，在插入位点上产生5bp的正向重复序列。的正向重复序列。第58页/共61页 Copia因子的转录产物是因子的转录产物是po1y(A)+mRNA，它有两种形式，一种是完，它有两种形式，一种是完整全长的转录本，另一种是部分长度即截短的转录本，二者都有相同的整全长的转录本，另一种是部分长度即截短的转录本，二者都有相同的5末端。翻译产生的蛋白质可能参与末端。翻译产生的蛋白质可能参与RNA的剪接和多肽的切割。关于的剪接和多肽的切割。关于Copia因子转座的具体过程和细节目前还不十分清楚。因子转座的具体过程和细节目前还不十分清楚。第59页/共61页小结小结DNA的结构、复制的结构、复制DNA的损伤、修复的损伤、修复转座转座第60页/共61页感谢您的观看！第61页/共61页