转座因子1

2.4大肠杆菌转座因子在遗传 分析中的应用

转座因子除了它们本身在分子遗传学 基础中具有极为重要的意义外，还是进 行遗传学研究的重要工具，概括起来有 如下几个方面。
2.4.1转移难以鉴定的基因

比 如 转 移 难 以 鉴 定 的 抑 制 基 因 supF （27`）。已知trp（28`）和supF紧密 连 锁 ， 首 先 引 起 trp 插 入 突 变 ， 后 用 trp：：Tn10supF细菌作为转导共体， 通过转导选择Tcr的转导子，进一步在 缺乏色氨酸的培养基上取得发生准确切 离的回复子，便可以得到和受体细菌的 遗传背景一致的supF菌株。
Gal+ATP
k
Gal 1-P+ADP t e
Gal1-P+UDP-Glu
UDP-Gal+Glu1-P
UDP-Gal
UDP-Glu

这里.k、t、e表示上述三个基因所编码的3种 酶。

磷酸半乳糖（Gal-p）是有毒的，所以突变型细胞 galT-在含有半乳糖的培养基上难以存活。在这样的 培养基上得来的生长良好的细胞属于3类，一类是 回复突变的 结果；一类是galK-galT-，它的细胞不 再积累Gall-P；另一类是galK-galE-，这些galE-是极 性突变。
2.2转座因子的遗传学效应

虽然各种转座因子上所带的基因可以不 同，可是它们有一些共同的遗传学效应。
2.2.1引起插入突变

IS、Tn、Mμ都引起插入突变。如插入 一个操纵子的前端基因，造成极性突 变，导致该操纵子后半部结构基因表 达失活。插入到启动子邻近部位，可 使基因不表达，弱表达或增强表达。

sh
Wx
这里Yg代表叶绿色，yg代表黄色；C代表糊粉层有色，c无 色；I代表抑制基因，I对于C是显性的；Sh代表胚乳圆整， sh代表皱缩；Wx代表胚乳为碘液染成紫色，wx代表染成红 棕色；Bz代表糊粉层紫红色，bz代表青铜色；Ds代表解离 因子，实际上便是一种转座因子。

最初用在转座因子研究中的玉米品系的第九染色体上有一个 解离因子（Ds），另一染色体上有活化因子（Ac），它是另 一种转座因子。在CCbzbzDs+Ds+♀和IIBzBzDsDs♂杂交后 得到籽粒上经常出现一些有色斑点。I对于C是显性的，所以 按理杂交所得的籽粒应是无色的，除非I基因消失了才会出 现颜色。籽粒上出现的颜色是青铜色的，而Bz（紫红色）对 于bz（青铜色）是显性的，所以除非I基因和Bz基因同时消 失才会出现青铜色的斑点。青铜色斑点的出现暗示我们一部 分糊粉层细胞在分裂过程中出现了染色体断裂。细胞学观察 证实了这一结论。这里Ds表示解离因子，Ds+则表示解离因 子的不存在。
wk.baidu.com
2.2.2插入位置上出现的基因

如果转座因子上带有抗药基因，那么 它一方面造成一个基因的插入突变， 另一方面在这一位置上出现一个新的 抗药基因。对于Mμ来讲，这一位置上 出现了一个原噬菌体。
2.2.3造成插入位置受体DNA的 少数核苷酸对的重复

假 定 转 座 因 子 的 核 苷 酸 顺 序 是 XYZ ， 受 体 DNA的一部分核苷酸顺序是ABCD，插入位置 是在B和C之间，那么插入以后的受体DNA的 核苷酸顺序将是ABXYZBCD，其中B代表少数 核苷酸对（到现在为止发现的各种转座因子 中B 的数目是3-11bp）的重复。

插入序列和转座子从一个位置转移到另一位置时， 原来位置上的这些结构依然存在，这就是说实际上 转移的只是一个复制品。因此可以想象，一个基因 DNA的量可以由于转座子的存在而发生变化。事实 上瑟慎吸印和分子杂交法可以测得，同一种生物的 不同个体的基因组上同一插入序列或转座子的数目 常不相等，于是又使人们认识到一种生物的基因组 的大小或者基因的数目并不是绝对固定的。

插入序列并不为细菌带来表型的变化。另一 类转座因子称为转座子（Tn），许多转座子 带有抗药基因，所以它们为细菌带来对于药 物的抗性。具有这类转座子的质粒便是抗药 质粒。

质粒有能通过细胞结合而转移的，它们称为转译性 质粒，有不能通过细胞结合而转移的，这们称为非 转译性质粒。如果要测定一个非转移性质粒上的抗 药基因AR是否属于一个转座子，只要把带有抗药基 因的BR的一个转移性质粒引进同一细胞使它能抗A和 B，然后把它和抗C的细胞进行结合转移，在含有B和 C的培养基上选取移子BRCR，如果发现在抗B、C细 胞中有一部分抗A、B、C的细胞，就说明抗药基因 AR属于一个转座子。由于检出方法的简便易行，转 座因子被大量发现，使转座因子研究成为分子生物 学中的一个重要领域。
第五章
转座因子
1 概论
1.1定义

转座因子是一种不能独立完成自我复制，但 是却能在细胞内，由一种复制子移动到另一 种复制子的遗传因子。转座因子也称为可移 动遗传因子。由转座因子介导的遗传物质重 排现象，称为转座（transposition）。
1.2 简史

在50年代以前，人们对于基因组的认识一般 是以每一个基因组的DNA的量是固定的，它 包括数目固定、位置固定、功能固定的一系 列基因，而且这些基因的排列是随机的。 1961年大肠杆菌中的乳糖操纵子的发现，说 明大肠杆菌的染色体不是一个随机排列的基 因集合体，它由许多操纵子以及一些单独的 基因所组成。

进一步研究的结果说明：（1）Ds的存在常 使它近旁发生染色体断裂；（2）Ds可以转 移位置，转移到新的位置后又可以使它的近 旁的染色体发生断裂；（3）Ds的作用依赖 于另一转座子Ac，Ac的作用不仅依赖于Ds； （4）Ds和Ac如果转移位置到另一基因中， 就使这一基因发生突变。

McClintock发现了这些事实，并且根据 这些事实提出基因可以改变位置这一划 时代的概念，而且还转座因子并不限于 玉米。她的发现当时并没有受到很多注 意，直到60年代后期在细胞中发现了 转座因子以后，才逐渐认识了这一发现 的重要意义，终于使她获得了1984年 的诺贝尔医学奖。

这些极性突变型能够发生回复突变，所以不 可能是缺失突变系型。这些突变型的回复突 变率不因为诱变剂的处理而提高，说明它们 不是点突变，而可能是染色体畸变。

R噬菌体的整合位置在gal基因的旁边，所以不难取 得带有上述突变基因的转导噬菌体rdgalE-。通过密 度梯度离心可以看到，rdgalE-的比重大于带有野生 型基因的转导噬菌体rdgal+，这一事实暗示我们突 变的发生不是DNA缺失而是DNA增加的结果。电镜 观察直观地证实了这一结论。这一段插入到galE基 因中而使它失活的DNA 序列称为插入序列1（IS1）， 它的长度是768bp。

转座因子最早在玉米中发现。40年代末玉米 的细胞遗传学研究已经具有深厚的基础。 McClintock正是在这基础上，通过她自己对 玉米的长期的细胞遗传学研究，首先报道了 转座因子。
玉米的第九染色体的短臂上排列着一系列 主要和籽粒颜色有关的基因：
染色结
Yg
C Sh
Bz
Wx
Ds
着丝粒
C A bz
yg
2.1.2转座子（Tn）

是一类除了和它的转座作用有关的基因外还 带有其他基因的转座因子。它们是较大的转 座因子，最初发现的是抗药基因的转座子， 以后还发现带有其他的基因（例如乳糖发酵 基因）的转座子。
2.1.3噬菌体 Mμ

某些温和噬菌体，例如大肠杆菌的噬 菌体Mμ。一般的温和噬菌体在染色体 上有一定的整合位置，可是Mμ可以引 起大肠杆菌的几乎任何一个基因发生 的插入突变，所以它既是一个噬菌体， 又具有转座因子的特性（包括其他 一 些特性）。

上述这些结果是通过突变和运用基因克 隆技术对Tn进行活体研究获得的。如 Tn3末端颠倒重复（IR）发生缺失或移 去其中的一部分，转座就不能完成。因 此，在IR中必定含有某些序列对转座行 为是重要的，可能是转座酶结合和反应 的位点。

2.2.6切离

转座因子可以从原来的位置上消失，这一 过程称为切离。准确的切离使插入失活的 基因发生回复突变，不准确的切离并不带 来回复突变，而是带来染色体畸变。通过 切离而消失的转座因子的命运还不清楚。
2.2.7质粒与染色体的整合

通过同源重组和转座作用使质粒与染 色体发生整合。
2.3转座机制（见5-1.5-2）
2.2.4原来位置上保持原有的转 座子

转座子转移到新的位置上后，原有位置上 的转座因子保持不变，属于复制性转座方 式。如果是保守性转座原有位置上的转座 因子消失。
2.2.5促使染色体发生畸变

由于IS1的存在，它的旁边容易发生缺失，缺 失发生的频率高出于自发缺失频率100-1000 倍。McClintock也是通过诱发断裂而发现玉 米中的转座因子的。发生缺失的特点：1转 座因子保持不变；2缺失向两边延伸；顺向 重复与缺失部分同时消失。
2 原核 生物（细菌） 的转座因子
2.1 种类与结构特征
2.1.1插入序列（IS）

是一类除了和它的转座作用有关的基因以 外不带有任何其它基因的转座因子。它们 是较小的转座因子，可以在染色体、质粒 上发现它们。F因子和大肠杆菌的染色体上 有一些相同的插入序列如IS1、IS2等，通 过这些同源序列间的重组 ，F因子便插入 大肠杆菌的染色体，而使它成为Hfr菌株。

关于基因位置的固定性问题，在40-50年代 中McClintock在玉蜀黍的控制因子的研究中 已经指出，某些遗传因子可以转移位置，可 是这一发现当时并没有受到重视。60年代末 在大肠杆菌中发现了可转移位置的插入序列 （IS），以后又发现了转座子（Tn），于是 人们开始认识到基因组中的某些成分的位置 的不固定性是一个普遍的现象。

细胞的转座因子在60年代后期在大肠杆菌的 半乳糖操纵子的研究中首次发现。大肠杆菌 的有关半乳糖发酵的3个基因（半乳糖激酶 基因galK、磷酸半乳糖尿核苷酰转移酶基因 galT和尿核苷二磷酸半乳糖差向异构酶基因 galE）在半乳糖操纵子中的相对于调控序列 的位置是galPOETK。它们催化的反应是：
2.1.4未分类的转座子

未分类的转座子包括粪链菌（ Streptococcus faecalis ） 的Tn916和金黄色葡萄球菌（Straphylococcus aureus） 的Tn554等，其转座方式与众不同。例如Tn916可以插 入到宿主的许多位点；但既非转化，又非转导；转移 过程抗DNaseI；无细胞提取液转移无效，足见转座要 有细胞的接触；然而Tn916可以原处切下，转移到同 一染色体的另一处，则又表明转座细胞无须接触。 Tn554无末端反向重复序列，却能高频插入宿主的特 异位点，插入处宿主DNA无重复。Tn916和Tn554的转 座机制，都还没有经过仔细研究。

转座作用的机制

转座时发生的插入作用有 一个普遍的特征，那就是受体分 子中有一段很短的（3-12bp）、被称为靶序列的DNA会被 复制，使插入的转座子位于两个重复的靶序列之间。不同 转座子的靶序列长度不同，但对于一个特定的转座子来说， 它所复制的靶序列长度都是一样的，如IS1两翼总有9个碱 基对的靶序列，而Tn3两端总有5bp的靶序列。研究发现， 靶序列的复制可能起源于特定内切酶所造成的粘性DNA末 端。转座可分为福州性和非复制性两大类。顾名思义，在 复制性转座中，整个转座子被复制了，所移动和转位的仅 仅是原转座子的拷贝。转座酶（transposase）和解离酶 （resolvase）分别作用于原始转座子和复制转座子。TnA 类转座主要是这种形式。于此相对应，在非复制性转座中， 原始转座子作为一个可移动的实体直接被移位，IS序列、 及Tn5等都以这种方式进行转座。
图5 转座过程的模式
转座的机制

转座过程的详细机制还不清楚，目前主要从 Tn3研究中所提供的资料阐述转座的机制， Tn3的结构正如图4所示，一对颠倒重复序列 夹着3个基因，最左边的基因编码为一个大的 蛋白质（1015个氨基酸组成），定名TnpA， 这是一个转座酶，最右边的基因编码B-内酰胺 酶，它可使青霉素失活。中间TnpA和TnpR间 的DNA序列交界处称为内解离位区（interal resolution region）。