分子遗传学-反转录转座子

The reproductive cycles of retroviruses and retroposons involve alternation of reverse transcription from RNA to DNA with transcription from DNA to RNA. Only retroviruses can generate infectious particles. Retroposons are confined to an intracellular cycle.
env
env
env
Retroviral RNA ends in direct repeats (R), the free linear DNA ends in LTRs, and the provirus ends in LTRs that are shortened by two bases each.
6.4 反转录病毒中DNA的产生 反转录病毒中DNA的产生
病毒RNA的每一个末端都有短重复序列 的每一个末端都有短重复序列(R), 因而 和 因而5`和 ◆ 病毒 的每一个末端都有短重复序列 3`端分别称为 端分别称为R-U5和U3-R； 端分别称为 和 ； 引物结合到5`端的 位点后， ◆ tRNA引物结合到 端的 引物结合到 端的100~200 bp位点后，反转录 位点后 酶开始合成负链DNA； 酶开始合成负链 ； ◆ 当酶到达末端，RNA的5`端就降解，接着露出 当酶到达末端， 端就降解， 的 端就降解 接着露出DNA 产物的3`端 产物的 端； 暴露出的3`端与另一个 端与另一个RNA基因组的 端配对； 基因组的3`端配对 ◆ 暴露出的 端与另一个 基因组的 端配对； 合成继续进行，其产物两端都产生重复序列， ◆ 合成继续进行，其产物两端都产生重复序列，重复 结构为U3-R-U5； 结构为 ； ◆ 当反转录酶利用DNA产物为模板合成互补链时，发 当反转录酶利用 产物为模板合成互补链时， 产物为模板合成互补链时 生相似的链转换, 最终形成双链DNA。 生相似的链转换 最终形成双链 。
6.5 病毒DNA整合到染色体 病毒DNA整合到染色体
◆原病毒两个末端的LTR是相同的，U5的3`端由一个与 原病毒两个末端的 是相同的， 的 端由一个与 是相同的 U3的5`端相关的短反向重复序列组成，LTR本身两端是 端相关的短反向重复序列组成， 的 端相关的短反向重复序列组成 本身两端是 以短的反向重复序列结尾。 以短的反向重复序列结尾。 在染色体上的组织与转座子相同， ◆原病毒DNA在染色体上的组织与转座子相同，在靶位 原病毒DNA在染色体上的组织与转座子相同 原病毒的两侧都有短的同向重复序列； 点，原病毒的两侧都有短的同向重复序列； ◆线性DNA被反转录病毒的整合酶直接插入到宿主染色 线性 被反转录病毒的整合酶直接插入到宿主染色 体上； 体上； 个碱基对。 ◆整合过程中反转录病毒序列的两端各丢失2个碱基对。 整合过程中反转录病毒序列的两端各丢失 个碱基对
问题
1、反转录转座子在基因组中有什么作用？ 、反转录转座子在基因组中有什么作用？
分散在真核生物基因组中的大量反转录转座子构成了基 因组的不稳定因素，可引起基因组序列的删除、扩增、 因组的不稳定因素，可引起基因组序列的删除、扩增、 倒位、移位、断裂、同源序列重组等现象。 倒位、移位、断裂、同源序列重组等现象。
6.2 反转录病毒生命周期
• 反转录毒（retrovirus）含有单链 反转录毒（ ）含有单链RNA基因组的两份拷 基因组的两份拷 贝； • 整合的原病毒是双链DNA序列； 整合的原病毒是双链 序列； 序列 • 反转录病毒通过将其基因组反转录而产生原病毒； 反转录病毒通过将其基因组反转录而产生原病毒； • 负责将 负责将RNA转变为 转变为DNA的酶是反转录酶 (reverse 转变为 的酶是反转录酶 transcriptase), 整合酶 (integrase) 负责将 负责将DNA整合 整合 到宿主基因组中，这两种酶均由病毒基因组编码; 到宿主基因组中，这两种酶均由病毒基因组编码 • 反转录病毒生命周期包括转座样事件。 反转录病毒生命周期包括转座样事件。
（1）如果插入到基因的3，和5，非翻译区或内含子时可能会影响到基 非翻译区或内含子时可能会影响到基 如果插入到基因的3 因的转录、转录后加工及翻译； 因的转录、转录后加工及翻译； 如果插入在基因上游的调控区 调控区， （2）如果插入在基因上游的调控区，其启动子和增强子可能使邻近 沉默的基因得以表达； 沉默的基因得以表达； 当其插入到基因的编码序列或启动子序列中 编码序列或启动子序列中时可能会造成基因 （3）当其插入到基因的编码序列或启动子序列中时可能会造成基因 失活、基因活化及基因重排等现象。 失活、基因活化及基因重排等现象。
Integrase is the only viral protein required for the integration reaction, in which each LTR loses 2 bp and is inserted between 4~6 bp repeats of target DNA.
总结： 总结：
研究表明在生物进化的过程中当一定的外源刺激激活 后，反转录转座子会经过反转座作用产生新的拷贝插入到新 的位点，造成生物的遗传变异， 的位点，造成生物的遗传变异，在自然选择和物种优化中起 着一定的作用。已经发现反转录转座子是引起插入突变、 着一定的作用。已经发现反转录转座子是引起插入突变、生 物多样性和重复序列产生的原因， 物多样性和重复序列产生的原因，也是基因组保持可塑性的 原因。 原因。
5%
The genes of the retrovirus are expressed as polyproteins that are processed into individual products.
env env pol gag pol gag gag
pol
反转录病毒颗粒示意图 (P295)
艾滋病病毒 (HIV)
反转录病毒颗粒示意图 (P295)
Retrovirus replication (The retrovirus life cycle p312)
逆转录病毒的繁殖周期
吸附于细胞表面的受体； ① 吸附于细胞表面的受体； 核侵入宿主细胞； ② 核侵入宿主细胞； 病毒RNA→转录为 转录为DNA； ③ 病毒 转录为 ； 为模板复制DNA； ④ 以DNA为模板复制 为模板复制 ； ⑤ 部分整合于宿主细胞 部分整合于宿主细胞DNA形成前病毒； 形成前病毒； 形成前病毒 前病毒利用宿主RNA聚合酶合成病毒 聚合酶合成病毒RNA； ⑥ 前病毒利用宿主 聚合酶合成病毒 ； 再翻译成蛋白质； ⑦ RNA再翻译成蛋白质； 再翻译成蛋白质 病毒粒的装配； ⑧ 病毒粒的装配； 病毒的出芽及包膜的形成。 ⑨ 病毒的出芽及包膜的形成。
Minus strand DNA is generated by switching templates during reverse transcription.
Synthesis of plus strand DNA requires a second jump.
Minus strand DNA is generated by switching templates during reverse transcription. Synthesis of plus strand DNA requires a second jump.
无重复 1616-621 bp 无 无内含子
Retroposons that are closely related to retroviruses have a similar organization, but LINES share only the reverse transcriptase activity.
6.6 反转录转座子分类
类病毒超家族 普通类型
Ty（酵母） （酵母） Copia（果蝇） （果蝇） LINESL1（哺乳动物） （哺乳动物）
非病毒类超家族
SINESB1/Alu（哺乳动物） （哺乳动物） 聚合酶Ⅲ 聚合酶Ⅲ转录成的假基因
末端特性 靶位重复 可读框 组织
长末端重复 4-6 bp 反转录酶/ 反转录酶/整合酶 可能含内含子
第十章 第六节 反转录病毒和反转座子
6 反转录病毒和反转录转座子
6.1 引 言 6.2 反转录病毒生命周期 6.3 反转录病毒基因的编码产物 6.4 反转录病毒中DNA的产生 反转录病毒中DNA的产生 DNA 6.5 病毒DNA整合到染色体 病毒DNA整合到染色体 6.6 反转录转座子的分类 反转录转座子的分类 6.7 反转录转座子在基因组进化中的作用 6.8 反转录转座子的应用
RNA→DNA →RNA
reverse transcriptase
integrase
The retrovirus life cycle involves transposition-like events
6.3 反转录病毒基因的编码产物
典型的反转录病毒含有3条基因 条基因： ◆ 典型的反转录病毒含有 条基因：gag, pol, env ; 反转录病毒的编码产物是多聚蛋白质； ◆ 反转录病毒的编码产物是多聚蛋白质； 蛋白由基因组的全长转录物翻译而来； ◆ Gag和Pol蛋白由基因组的全长转录物翻译而来； 和 蛋白由基因组的全长转录物翻译而来 蛋白的翻译需要核糖体移码； ◆ Pol蛋白的翻译需要核糖体移码； 蛋白的翻译需要核糖体移码 由剪接过程产生的一种独立的mRNA翻译而来； 翻译而来； ◆ Env由剪接过程产生的一种独立的 由剪接过程产生的一种独立的 翻译而来 ◆三种蛋白质产物的每一种都可由蛋白酶加工产生出多 种蛋白; 种蛋白
6.7 反转录转座子在基因组进化中的作用
真核生物 基因组
10-20%： 10-20%：编码基因序列 80-90%： 80-90%：各种重复序列 串联重复序列 散在重复序列 短散在元件 长散在元件 加工的逆转录重复
Four types of transposable elements constitute almost half of the human genome.
6.1 引言
参与的转座(Transposition)是真核 ◆必需中间体RNA参与的转座 必需中间体 参与的转座 是真核 生物所独有。 生物所独有。 ◆反转录转座子（Retrosposon, retrotransposon): 反转录转座子（ 形式移动的转座子， 元件转录成RNA， 以RNA形式移动的转座子，DNA元件转录成 形式移动的转座子 元件转录பைடு நூலகம் ， 再反转录为DNA, 然后插入基因组中某一新位点。 然后插入基因组中某一新位点。 再反转录为 ◆ RNA依赖型转座子范围非常广泛 依赖型转座子范围非常广泛 如：能自由地感染宿主细胞的反转录病毒自身； 能自由地感染宿主细胞的反转录病毒自身； 为中间体进行转座的DNA序列； 序列； 以RNA为中间体进行转座的 为中间体进行转座的 序列 以及本身不具有转座能力的元件。 以及本身不具有转座能力的元件。
Priming results from nicking
Retro-transposition of non-LTR elements occurs by nicking the target to provide a primer for cDNA synthesis on an RNA template. The arrowheads indicate 3 ends. For example, LINES do not have LTRs and require the retroposon to code for an endonuclease that generates a nick to prime reverse transcription