遗传学-转座

Step 3
Transcription
• From provirus to RNA
Transcription
Enzymes involved
RNA polymerase
Two fates of RNA:
Translation:作为mRNA
翻译成病毒的蛋白质
Packaging：作为病毒 RNA基因组被装配成新的 病毒颗粒
Translation
Everything is ready!
Packaging
• 2 RNAs in 1 virus • 2 different but related viruses infect 1 cell =
heterozygous virus
HIV 从受感染细胞的质膜出芽的情形
6.1.3 逆转录病毒会将宿主序列在细胞间转送
反座子(retroposons):指通过RNA为中介，反转录成 DNA后进行转座的可动元件。又称反转录转座子 RNA intermediate transposition (retrotransposon)
逆转录病毒整合入宿主DNA中的分子机制，其本质是转座
逆转录病毒和反座子的循环
6.1逆转录病毒（Retroviruses） • 具有包膜，圆球状，直径为80~120nm
LTR(long-terminal repeat): 长末端重复序列
Provirus(原病毒): 被整合到细胞基因组中的逆 转录病毒序列
3 forms
Step 1
Reverse transcription
• From RNA to DNA
David Baltimore
• 1970
• Reverse
4.引起染色体结构变异； 转座子引起的DNA缺失
转座子引起的DNA倒位
5.启动外显子混编
当二个转座子被同一转座酶识别而整合到染色 体的邻近位臵时，则位于它们之间的序列有可 能被转座酶作用而转座，如果这DNA序列中含 有外显子，则被切离并可能插入另一基因中， 这种效应称为外显子混编(exon shuffling)
gene mutation
by insertion of transposon
Queen Victoria’s Family
X-chr linked, recessive
3.转座子从原位点切离 准确的切离使插入失活的基因发生回复突变， 不准确的切离则不发生回复突变，而是造成序 列变异
转座子切离所造成的序列变异
transcription and Reverse transcriptase
正链病毒 (Plus strand virus)
负链DNA (Minus strand)
正链DNA
负链DNA
负链DNA的合成
正链DNA的合成
From RNA to ssDNA, from ssDNA to dsDNA
• Structure: ~6500bp, not terminate at LTR
• open reading frames: 1 or 2
• Sequences: RTase like sequence, endo-
nuclease activity。
6.2.4 Non-viral transposition: SINES
Virus like particle
Ty elements generate virus-like particles
6.2.2 果蝇(D. melanogaster)中的copia反座子
• ~5kb;
• direct terminal repeat of 276 bp;
• 5 bp direct terminal repeats generated when integrated
gag
pol
env
LTR
核心蛋白质 (Nucleoprotein core) 编码逆转录 酶和整合酶(integrase)
编码病毒外壳 蛋白质(Envelope)
6.1.2 Lifecycle of retrovirus
Reverse transcription Integration Transcription Packaging
• 不编码有转座功能的蛋白质
• 可能源于细胞转录的RNA
6.2.1 酵母Ty (Yeast Ty elements )
• 2 classes: Ty1 & Ty917 • Structure: ~ 6.3kb; 330bp direct repeats at each end • mRNA of Ty: >5% of total mRNA in yeast • Open reading frames: 2 • Sequences: TyA: DNA binding protein; TyB: RTase, protease, integrase
• 7.产生新的基因，引起生物进化。
• 由于转座子可以携带其他基因，包括自身的基 因甚至宿主染色体上的基因进行转座，形成重 新组合的基因组，以及前述的通过转座形成大 片段插入，双转座子引起缺失、倒位、重复及 外显子混编等均会造成基因组新的变异，这些 变异对生物的进化有重要意义。
• 8.转座子标记目的基因 • 由于转座子可在基因组内转座，如插入到某基 因外显子内，引起基因失活，使其表型改变为 突变体。 • 以转座子DNA为探针，与突变株的基因文库进 行杂交，就可以筛选出带此转座子的克隆，它 必定含有与转座子邻接的突变基因的部分序列， • 再以此序列为探针，就可以从野生型基因文库 中克隆出完整的基因。 • 从理论上讲，利用转座子标签法可以分离出任 何可引起表型变化的失活基因。
复合转座子(composite transposon) 一类带有某些抗药性基因（或 其他宿主基因）的转座子
两翼往往是两个相同 或高度同源的IS序列
两个相邻的IS可以使他 们中间的DNA移动，同时也 可制造出新的转座子
3. Mu 噬菌体 (mutator phage)
• 它是Ecoli的一种温和噬菌体。与必须整合到 宿主染色体特定位臵上的一般温和噬菌体不同， Mu噬菌体并没有一定的整合位臵。 • 与其他温和性噬菌体的差别：其基因组不论在 进入裂解周期或处于溶源状态都可随机整合到 宿主染色体的任何位臵，且游离的和已整合的 基因次序是相同的. • 与IS和Tn两种转座因子相比，Mu噬菌体的分子 量最大（38kb），它含有20多个基因。Mu噬菌 体引起的转座可以引起插入突变，其中约有2 ％是营养缺陷型突变。
• SINES (short interspersed elements)
• Transcripted by RNA pol III
• e.g.Alu family
Alu family
• ~300,000 per haploid genome • Structure: ~300 bp, AluⅠ site in 170 bp • direct repeats at each end • sequence related to 7sL RNA
非复制性转座要经过链的断裂与重连
一种方式
另一种方式
五、真核生物转座子
玉米的Ac-Ds系统
自主元件
产生转座酶
反式激活
非自主元件
不能产生 转座酶
移动到新位点
移动到新位点
Ac
Ds
Autonomous
Nonautonomous
果蝇的转座子
P因子的结构与功能示意图
六.逆转录病毒和反座子
Retroviruses and retroposons
transposition(转座)
How does DNA move?
疑 惑 ！
主要内容
• • • • • • • 转座因子的发现 转座因子的概念 转座因子的类型和结构特征 转座机制 真核生物转座子 逆转录病Βιβλιοθήκη Baidu和反座子 转座的遗传学效应
一、转座因子的发现
美国女遗传学家 Barbura McClintock
三、原核生物转座因子的类型和 结构特征
1.插入序列 (insertional sequence,IS) • 最简单的转座子，不含有任何宿主基因。 • 是独立的单元，每个IS元件只编码转座酶。 • 是细菌染色体或质粒DNA的正常组成部分。
IS结构特征
Transposase gene
反向重复序列 (inverted repeat sequence)
双转座子插入所引起的外显子混编示意图
6.调节基因表达
• 很多转座子带有增强子，像RNA病毒一样，能 使其插入部位附近的基因活性增加。 • 有的还含有启动子，也能促进基因的活性。 • 也存在转座子插入某个基因的内含子中后影响 基因表达，通常降低转录水平。 • 有时也会改变内含子的剪接位点，是外显子丢 失，导致基因失活。 • 若插入到基因转录控制区或启动子中，则导致 基因完全失活。
四、转座机制
Replicative transposition(复制性转座)
Non-replicative transposition(非复制性转座)
Replicative transposition(复制性转座)
复制性转座要经过一个共整合阶段
共整合体的形成
Non-replicative transposition(非复制性转座)
•copia读码框: 4227 bp，与逆转录病毒的 gag和pol
读码框同源; 不含env 同源序列。
6.2.3 LINES
• LINES(long interspersed elements)
• Transcripted by RNA Pol II
• Copy #: 20~50k per mammalian cell
Visible manifestation of transportation in maize
二、转座因子的概念
转座子(transposon), 转座因子(transposable element)： 存在于染色体DNA上可自主位移的基本单位。
Transposition(转座) ：由可移位因子介导的遗传 物质重排现象。
6.2 Three classes of retroposons
病毒超家族(Viral superfamily)
• 能编码逆转录酶和/或整合酶，因此能进行转座 • 有末端重复序列 • 但没有env基因，不能形成病毒颗粒，不能独立 地感染其它细胞，
非病毒超家族(Nonviral superfamily)
• 基因组是单正链RNA，3.5~9.0kb
• 病毒颗粒中有逆转录酶
• 能整合于宿主细胞的染色体
逆转录病毒颗粒结构
gp41 gp120
包膜
逆转录酶 基质蛋白
RNA 衣壳蛋白
6.1.1 Genome Structure of Retrovirus
长末端 重复序列 正常的病毒基因
LTR
调节和 启动转录
• 1）结构:线形DNA分子，38kb.不含IR 序列， 游离MuDNA两端各带一段寄主DNA , 整合状 态时会消失。 • 2）MuDNA左端含有与转座有关的A基因和B 基因，分别编码分子量为70kb和33 kb的两种 蛋白。 • C基因编码的产物对A基因和B基因表达有负调 节作用 • 右端含有G片段。
Enzymes involved
Reverse Transcriptase
Step 2
Integration
• From linear DNA to provirus
Integration or circulation
整合(integration)
Enzymes involved
Integrase
6.2.5 Non-viral transposition: processed pseudogene（加工假基因）
七、转座的遗传学效应及应用
1.靶位点形成正向重复序列(靶位加倍现象) 2.引起插入突变；
Hemophilia（血友病）: a “jumping disease”
• Blood-clotting
在插入位点,IS 两侧总有短的正向重复(Direct repeat)
IS序列结构特征比较
转座子(composite transposon)
• 一类较大的转座子，除转座酶基因外，带有某些 抗药性基因（或其他宿主基因）的转座子 • 复合转座子(composite transposon)：带有IS的Tn • 简单转座子(simple transposon)：不含IS的Tn