转座子在基因组和基因进化方面的研究进展

转座子在基因组和基因进化方面的研究进展
田海霞 (东北农业大学园艺学院，黑龙江哈尔滨 150030)
【摘要】摘要从转座子插入对基因组产生的重组、异位、倒位以及对基因产生的沉默、表达等方面阐述了转座子对基因组和基因进化的重要作用，从转座子在基因中插入位置的不同对基因表达和功能产生的影响进行了综述。

【期刊名称】安徽农业科学
【年(卷),期】2011(039)020
【总页数】3
【关键词】关键词转座子;生物遗传多样性;基因组大小;基因表达和功能;进化转座子又称跳跃因子，其实质是一定程度重复的DNA片段，是基因组的动力学成分，因为可以在生物基因组中从染色体的一个位点“跳”到另一个位点，或者从一条染色体转移到另一条染色体上。

1950年McClintoeck［1］在玉米中首先发现了DNA转座子。

但直到1967年在大肠杆菌的半乳糖操纵子研究中发现插入序列这类转座子后，转座子的概念才被普遍承认和接受。

转座子在基因组中无处不在，而且根据物种的不同转座子的组成也有所不同，如在拟南芥中占10%，人类中占45%，玉米中达60%，松树中达90%［2-3］。

笔者对转座子在基因组和基因进化方面的研究进行了综述。

1 转座子的种类
1.1 反转录转座子反转录转座子(I型转座子)，也称反转座子，以DNA-RNA-DNA方式进行转座，即通过DNARNA-DNA方式插入到新基因组位点，从而引起基因的突变或重组。

因此反转座子每转座一次，其拷贝就会增加一份，极大地影响了植物基因组大小，同时构成了植物基因组的主要部分。

San等［4］
依据他们对玉米核基因组基因间区成分的研究结果推断，高等植物基因组大小上的差别很可能是因为基因间区反转座子成分的不同而造成的。

反转座子是真核转座子中最为丰富的一类，根据转座子结构的不同可以分为长末端重复反转座子(the long terminal repeat retrotransposon，LTR)和非长末端重复反转座子(the non-long terminal repeat retrotransposon，non-LTR)。

LTR又可以分为Tyl-copia类和Ty3-gypsy类。

Tyl-copia类转座子在丝状真菌、单细胞藻类、苔藓植物、裸子植物和被子植物中广泛存在;而Ty3-gypsy类转座子仅存在于丝状真菌、裸子植物和被子植物中。

两者在植物基因组中都以非常高的拷贝存在，在每个单倍体细胞核中的拷贝数达到106以上。

Non-LTR拷贝数在2.5×105以上可分为长散在元件(1ong interspersed elememts，LINE)和短散在元件(short interspersed elements，SINE)。

植物界广泛存在LINE，但被子植物中仅出现SINE。

目前在许多植物中发现了反转座子，如玉米的Bs1、烟草的Tnt1和拟南芥菜的Tal，水稻的LTR类反转座子Tos12、Tos17和Tos19，LINE类反转座子Karma。

1.2 DNA转座子DNA转座子(II类转座子)是以DNADNA方式转座的转座子。

根据转座的自主性，DNA转座子可分为自主转座子和非自主转座子，自主转座子通过拷贝复制进行转座;非自主转座子则利用自主转座子才能实现转座。

如玉米中的Ac/Ds。

Ac(Activator)属于自主转座子，Ds(Dissociation)属于非自主转座子，只有在Ac存在时，Ds才能转座。

2 转座子引起的遗传变异与生物遗传多样性
转座子插入引起突变的频率(10-6～10-4)不高，一般只有在基因编码区内的插入才能引起突变，且体细胞的突变不稳定。

如玉米种子的颜色，其野生型种子
是紫红色，控制种子颜色合成的花青素基因由于转座子插入发生突变，种子由紫色变成无色，但突变的表型不稳定——无色种子上带有紫色斑点，紫色斑点是由于转座子跳出使突变基因复活形成的，斑点的多少与转座子的转座频率有关。

转座子的转座也可能引起染色体空间结构的改变和染色体的缺失，从而成为新的突变源。

如果基因的编码区或启动子区域中一段DNA通过转座的方式丢失，表型就会缺失或发生很大改变［5］。

在很多情况下，转座子本身的序列发生缺失或重组，这些结构改变会影响转座子的跳跃频率和时间，有时还可能使自主转座子(如Ac)变成非自主转座子。

反转座子在转座过程中需要以RNA 作为中间体，而RNA较易变异，且RNA聚合酶和逆转录酶都没有校对功能，这就使反转座子具有高度变异性。

转座子还可以通过引起基因组序列的删除、扩增、倒位、移位、断裂等重排作用［6］扩充生物的遗传多样性。

转座子散布在基因组中，除了能够促进基因的流动性以增加遗传多样性外，还能够成为进化的种子。

3 转座子对基因组大小、结构变异和进化的影响
3.1 转座子对基因组大小的影响基因组大小的进化目前一般认为与DNA含量增加和删减丢失2种反方向进化动力的共同作用有关［7］。

Hawkins等［8］认为，基因组大小进化是朝着增大的方向，因为非正规重组等DNA删除机制只是起到削弱基因组增大的作用，而不能逆转基因组朝着增大方向进化的趋势。

而转座子拷贝的增多是导致基因组增大的一个非常重要的动力［9］。

在2种类型转座子中，DNA转座子可通过DNA“切除-粘贴”的方式获得可移动片段，再重新插入到基因组DNA中，导致基因的突变或重排，一般不改变基因组的大小;而反转座子是通过“复制-粘贴”的方式进行转座，这样会不断
增加自身的拷贝数，在短时期内使植物基因组大小迅速增加，因此随着基因组增大，反转座子拷贝数及其占整个基因组的比例有增加趋势。

Ma等［10］对具有共同祖先的非洲栽培稻和亚洲栽培稻各自的2个亚种(粳稻和籼稻)的基因组序列进行比较，发现亚洲栽培稻粳稻和籼稻的基因组大小分别比非洲栽培稻增加了6%和2%，主要原因是亚洲栽培稻基因组中LTR的扩增，这可能是2种栽培稻基因组在不同条件下对周围生态环境适应的结果。

3.2 转座子对基因组结构变异与进化的影响转座子的活动可以造成染色体断裂及重排、插入突变和特定的序列扩增等结构变异，且常和基因活性变化相联系。

这些转座子的活动，还可能会产生更多的基因(因为转座子经常插入在基因的内含子、3＇或5＇末端)，另外，转座子也参与染色体基本结构的形成，如异染色质、核仁组织区、着丝粒和端粒等。

但这些异染色质片段在物种中的位置可能与转座子自身的插入偏好有关。

如一些转座子偏向插入在有着丝粒的异染色质区域而避免插入在基因间区，而有些物种可能主要含有倾向于插入在基因间区而避开有着丝粒的异染色质区域的IRP。

所以猜测转座子在进化中主要作用之一就是作为超级诱变的来源，使得整个群体在遭受逆境胁迫而面临灭绝的情况下产生存活个体［11］，因此转座子可能与基因组的可塑性有关。

一个染色体断裂会产生一个染色体粘性末端，该粘性末端必须通过端粒末端转移酶进行修复，或者与其他断裂的染色体末端相融合，如果该粘性末端通过与其他染色体的无着丝粒片段融合，将会产生一个稳定的易位，其他断裂和融合事件可能会产生倒位、删除和重复等，这些事件都发生在Ds位点［1］，由此可知，尽管Ds转座子很少，但它具有特殊的重排基因组的潜力。

该类型的重排将会在杂合体中产生不平衡的配子，导致生育能力的丢失。

总之，任何频繁
使染色体断裂的活动都将导致大的DNA重排，而转座子可能是这种断裂的一个重要来源。

在酵母中，各种各样的Ty反转录转座子可以作为基因组重排的媒介物，主要因为它们是同源异位重组(或不平等重组)的来源。

这种不平等重组是报道的第一个基因重复事件的来源，即在果蝇中产生了一种棒眼表型［12］。

转座子广泛分布于真核生物基因组中，而且组成了具有细胞遗传特色的、与着丝粒相关的异染色质的重要成分。

不论异位重组或染色体断裂是否是通过转座子的转座，转座子使植物基因组发生重排。

尽管如倒位、易位这样大的染色体重组断裂点在植物中还没有被表征出来，但很有可能这些重组中的一部分与转座子相关。

转座子对染色体结构和进化各方面的影响都依赖于已经存在的转座子数目和类型，而这2个方面在亲缘关系较近的物种中可能也会显著不同［13］。

目前的研究表明，转座子在改变寄主基因组大小，参与基因组的表观调控以及异染色质结构的形成，介导基因的进化和新基因的形成等方面影响寄主基因组进化［14-15］，是产生遗传变异的重要来源和驱动基因组进化的动力［16］。

4 转座子对基因表达、功能和进化的影响
4.1 转座子对基因表达和功能的影响自McClintock发现转座子后以来，人们越来越认识到转座子不仅组成了真核生物基因组的重要成分，而且还重塑了基因的结构，改变了基因的表达。

如在对人类基因组进行分析时发现，至少有4%的基因编码区域中包含转座子［17］，且在人类基因启动子中至少占25%［18］，相似的结果在线虫中也已经被报道［19］。

但在研究转座子插入如何影响特异的表型以及对遗传变异和人类疾病的影响程度上，还处于最初阶段。

转座子对宿主基因表达和功能的影响与其插入部位有关，当插入到基因的编码
序列或启动子序列时可能导致基因沉默;插入到基因3＇和5＇非翻译区或内含子中时可能会影响基因的转录、转录后加工和翻译，有时还会影响基因表达的组织特异性和发育阶段性;插入在基因上游，则可激活正常情况下沉默的基因;如，一个剪切的P转座子被发现对果蝇Drosophila montium亚群体中的P-neogene基因的一个新启动子和内含子的产生有作用，并在过去2 000万年间被保留下来［20-21］。

jocky转座子或者P转座子在几个果蝇群体的Hsp70基因的调控区域的插入导致Hsp70基因表达量的减少，而且被证明是选择上有利的［22-23］。

若反向插入到基因上游，有时通过反义表达造成基因沉默［24］，如果蝇的I因子是造成I-R杂交不育的原因［25］。

另外，有研究发现，一个反转录转座子的插入能引起表型上的变化，如葡萄的白皮和红皮，部分是因为控制花色素苷生物合成的2个调控基因中的一个即VvMYBA1的启动子中插入了一个反转座子，使白皮变成红皮［26-27］。

相似地，在基因Cyp6g1(细胞色素450基因)的5＇侧翼序列发现了固定转座子Doc(非LTR)和Accord(LTR)，且分别在果蝇的2个亚种(Drosophila simulans和Drosophila melanogaster)的加利福尼亚群体中保存下来［28-29］。

这是一个平行进化的例子，即转座子插入在Cyp6g1的调控区域导致了有杀虫剂(DDT)抗性的基因表达量增加，且进一步发现Accord反转座子为Cyp6g1的组织特异性表达提供了调控区域［30］。

研究表明，在番茄中，由于野生种(LA1589)和栽培种(Sun1642)中控制番茄果实形状的基因Sun通过LTR反转录转座子Rider介导发生基因重复使该基因拷贝数目产生差异，最终导致其表达水平发生明显差异，从而造成果实形状发生改变［31］。

综上所述，转座子不仅可以通过插入方式改变基因表达和功能，而且可能是基因组进化和基因重复的一个主要进化动力，
导致植物表型发生变化。

4.2 转座子对基因进化的影响转座子对基因进化具有重要影响，如相邻转座子可以通过不等交换和转座等方式产生新的基因，增加基因数目。

转座子在基因中的插入为具有蛋白质编码潜力的序列的开发提供了原始材料［32］，如在玉米中，有50%以上的基因在它们的启动子和(或)转录区域都含有转座子［33］。

当转座子切除时，经常会留下一个“足迹”，这个“足迹”可能包括转座子的侧翼靶向重复序列，这种邻近的短重复序列经常在植物基因内部(包括编码区域)被发现，这表明一个基因的组分能够通过插入切除循环慢慢地积累起来［34］，但不等重组和复制滑移也可能在基因内部引起这种重度序列。

在与转座子切除相关的位点上，一些表面上无关序列的删除或获得也会在一个基因内部导致序列的改变。

除了插入失活外，一个转座子与一个基因获得相互作用最可能的结果是该基因获得新调控能力。

因为许多转座子倾向于插入到基因内部或基因附近，且MITEs和其他一些转座子却倾向于插入到基因的5＇调控区域［35］。

转座子插入植物基因调控因子中能够使插入位点产生新的组织特异性［36］，或者使该基因处于该转座子指导的后生调控之下［37］。

植物基因序列的调查表明在许多基因的启动子内部都含有转座子片段，且通常位于调控基因表达的蛋白质结合位点。

另外，DNA转座子和一些低拷贝的反转座子有插入特异性表明他们是遗传进化的最常见贡献者。

IRPs位于基因组的非活性部位，说明其很可能对基因进化或新生物功能的进化作用相对较小。

而倾向于插入在基因附近，特别是插入在启动子附近(即活性部位)的转座子通过改变基因的调控来产生较大的生物影响。

5 小结与展望
转座子在真核生物基因组中广泛存在，在基因组和基因进化中扮演重要角色。

由于反转座子的结构及其特性使其作为遗传工具应用于生物多样性及遗传连锁分析、鉴定功能基因及植物性状改良等方面。

另外，转座子活性与逆境相互关系的研究［38］为其与环境的适应性研究提供了新的思路。

总之，转座子在生物研究的各个方面发挥着越来越重要的作用，值得人们对其进行更深入的关注和研究。

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