转座因子
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8/9 26/26 9 3
4
3
2
R68-45(铜绿假单孢菌
Tn5(肠杆菌) 萨氏假单胞菌
2
(Pseudomonase savastanoi)
IS91
1800
8/9 19/24 30/32
0 3 9
1 2
pSU233(肠杆菌) 大肠杆菌
IS150 1443 IS426 1313
来源于G＋ 细菌的IS IS110 IS231 IS904 1550 1656 1241 10/15 0 1 天蓝色链霉菌
Cam r 无
38
12 38
5
不详 5
Bacillus thuringensis
Clostridium perfringens
Streptomyces fradiae
三、细菌转座因子的插入机制、转座模型
1. 细菌转座因子的插入机制 转座因子插入到一个新的部位的通常步骤是：
(1) 在靶DNA序列两侧各一条单链上造成一个切口，切口之 间的距离决定了将来转座子两侧正向重复单位的长度。
一般来说，一个功能性的IS结构单位能转座它本身或整个 转座子。
当一个复合转座子的两个IS不同时，该转座子的转座主 要 依 靠 其 中 一 个 IS 的 功 能 ( 如 Tn10 中 的 IS10R 和 Tn5 中 的 IS50R)； 当两侧IS完全相同时，其中任何一个都能行使使该复合 转座子转座的功能。图2是3个复合转座子Tn5 、Tn9和Tn10 的结构示意图。
(2) 然后转座子插入带有与突出单链末端的切口之间，二者 共价连接起来， (3) 由此形成的两段靶序列单链区由DNA聚合酶Ⅰ或其它类 似的酶填充，再由连接酶将端口连接起来(图10-5)。 (4) 交错末端的产生和填充解释了在插入部位产生靶DNA正 向重复的原因。
转座因子的插入引起靶序列重复
靶序列重复的产生过程
表2 一些复合转座子的基本特征
转座子 Tn10
长度(bp) 遗传标记 末端特征 末端两个IS排向 IS关系 IS功能 9300 Tetr IS10L IS10R 反向 2.5% 功能减弱 完整功能 G- 细菌
来源
Tn5
5700 Kanr Bler Strr IS50L
IS50R
反向
1bp差异
完整功能 G- 细菌
反应的结果为转座子被插入到受体的靶位点DNA中，并 且其两侧为由原来的单链切口所产生的重复序列(图10-8)。
供体DNA在原来转座子处留下一个大的缺口。有些插入序 列和转座子是以这种方式进行转座。
3. 几个常见转座子的转座
1998年已达到500种，这500种IS分离自73个细菌属、156种 细菌和古菌。
表1. IS种类
细菌中一些常见的IS 长度(bp) 末端反向重复(bp) 靶点正向重复(bp) 编码蛋白质的可能数目 来源
来源于G- 细菌的IS IS1 IS2 IS3 768 1327 1258 20/23 32/41 29/40 9 5 3 2 2 2 大肠杆菌(E.coli) 大肠杆菌(E.coli) 大肠杆菌(E.coli)
保守型转座(consertive transposition) 属于非复制型转座， 但是在转座过程中有同复制型转座过程中类似的交叉结构的 出现，但不形成共整合体。
即在转座过程中，供体分子上的转座子首先被转座酶在其 两端被交错切开，同时也对靶部位的两个链进行交错切割， 然后供体和靶链在切口处连接，从而产生一种交叉结构。通 过交错切割产生的单链必须通过修复合成反应填充。
第一节 细菌中转座因子的类型和结构 三类：插入序列(IS)
转座子(Tn)
某些温和性噬菌体(如Mu, φ108)。 这三类转座因子的共同特征是：插入寄主DNA后，导致 基因失活；另外，插入时在靶DNA位点产生产生一个短的正 向重复顺序。
一、插入序列
一般是0.7～2.5kb。
插入序列和转座子的表示法均一般是按发现顺序先后或发 现人的意愿，用阿拉伯数字表示，如IS1、IS2、IS3等，但与 目前所分离的转座因子的总数无关。
(2) 复制型转座和保守型转座 所谓复制型转座(replicative transposition)是指在转座过程中， 供体分子上的转座子首先被转座酶在其两端被交错切开，使转 座子的两个DNA链都带有游离的3ˊ-OH末端。 转座酶在转座子两端进行切割的同时也对靶部位的两个链进行 交错切割，然后供体上的转座子和靶链在切口处连接，即转座 子的每个DNA链的3ˊ- OH与靶位点单链突出的5ˊ-磷酸基团共 价连接，从而产生一种交叉结构。 在交叉结构中，其交错末端都含有单链区，此单链区是为 DNA合成提供模板的假复制叉(pseudoreplication forks)，如果复 制从二个假复制叉继续进行，那么将通过转座子并在其末端终 止，从而形成二个拷贝的转座子。
Hgr Strr Sulr 38 Hgr 38
Tn1000 (Υδ) 5800 无
37
5
E. coli
来源于G＋ 细菌 Tn551 5300 Ery(erythromycin) 35 5 Staphylococcus aureus
Tn4430 4200
Tn4451 6200 Tn4556 6800
无
供体和受体形成的这种结构称为共整合体(cointegrate)。
所谓共整合体，就是两个或两个以上的复制子通过共价键连 接在一起。共整合体在原来两个分子之间结合处含有两个转 座子的拷贝，方向为正向重复。 然后，二个拷贝的转座子之间可通过解离酶在解离位点进 行的特异性位点重组而将二个分子分开(图10-7)。 因此，在复制型转座反应过程中，转座因子被复制，一个拷 贝仍保留在原来的位置上，而另一个则插入到一个新的部位， 这样转座过程伴随着转座子拷贝数的增加。另一个特点是， 在复制型转座过程中，有共整合体的出现。复制型转座涉及 到两种类型的酶：一种是转座酶，它作用在原来的转座子的 末端，另一种是解离酶(resolvase)，它作用于复制拷贝的转座 因子的拆分上。TnA转座子就是以这种方式进行转座。
插入序列的结构特点： (1) 在IS的两端含有反向重复序列 (Inverted repeat sequence, 简 称IR)，左右两端分别以IRL和IRR表示，长度为10-40bp。 (2) 除少数IS外，大多数IS都含有一个单一的长编码区，其启 动子位于一端的反向重复序列之内，而刚好终止于另一端 的反向重复序列之前或之内，它编码转座酶(Transposnase, 简称Tpase)。转座酶在IS的转座过程中发挥作用。 (3) 在IS或Tn插入时，在靶DNA位点产生一个短的正向重复顺 序(direct repeat sequence,简称DR)，分布在IS的两侧。但在 插入之前靶部位只有这两个重复序列中的一个，DR的长 度一般为3-9bp。
IS4
IS5 IS6
1426
1195 820
16/18
15/16 14/14 17/22
11 ～13
4 8 Fra Baidu bibliotek 1 1 3
1
大肠杆菌(E.coli)
大肠杆菌(E.coli) Tn6(肠杆菌) R100(Tn10)(肠杆菌)
IS10 1329
IS21
IS50 IS51
2132
1534 1311
10/11
1968年，分子水平的研究证实了在大肠杆菌中转座因子的 存在，这才引起科学家的重视并进行了深入细致的研究.。 现在已经证明细菌、放线菌、酵母、丝状真菌、植物、果 蝇、哺乳动物、人等几乎所有生物的染色体上以及多种细菌 质粒上也都有不同类别的转座因子存在。 此外还证明大肠杆菌Mu噬菌体与脊椎动物的反转录病毒 （retrovirus）的原病毒（provirus）DNA也是转座因子。
第十章 转座因子 (Tansposable elements) 转座因子(transposable elements,TE) 是细胞中能改变自 身位置的一段DNA序列。 转座因子改变位置，如：从染色体的一个位置转移到 另一个位置，或者从质粒转移到染色体的行为称为转座。
第一个转座因子是美国遗传学家McClintock于50年代通过 对玉米遗传现象的细微研究而发现的，她称之为控制成分 (controlling elements)，因为它不仅能在基因组内不同区域转移， 而且也能改变基因的活性并引起功能改变。 1983年才获得诺贝尔奖金.
表3
一些TnA家族转座子的基本特征
转座子
长度(bp) 遗传标记 末端反向
重复(bp)
两侧靶点
来源
正向重复(bp)
来源于G- 细菌 Tn1 Tn3 Tn21 Tn501 5000 4957 19600 8200 Ampr Ampr 38 38 5 5 5 5 铜绿假单孢菌(P.aeruginosa) Salmonella paratyphi Shigella flexneri Pseudomonase aeruginosa
20 coccus aureus) 32/39 4 2 乳酸乳球菌(Lactococcus lactis)
ISL1
ISS1
1256
820
21/40
18 8
3
1
2
干酪乳杆菌(Lactobacillus casei)
乳酸乳球菌(Streptococcus lactis)
来源古菌的IS ISH1 ISH2 ISH23 ISH51 ISM1 1118 520 1000 1371 1381 8/9 19 23/29 15/16 29 8 8 10-12 9 3 1 1 不详 1 不详 盐生盐杆菌(Halobacterium halobium) 盐生盐杆菌(H. halobium) 盐生盐杆菌(H. halobium) 沃氏富盐菌(Halobacterium volcanii) 史氏甲烷短杆菌(Methanobrevibacter smithii)
• 然后转座子与靶部位的切口末端相连接。这种类型的转座只 需要转座酶。
• 在非复制型转座发生之后，供体的命运如何呢？一般认为 供体被破坏，另一种可能是宿主修复系统识别了断裂的双链 并对它进行了修复(图10-6) 。很多插入序列(IS)和复合型转座 子，如IS10、IS50、Tn5、Tn10等就是以这种方式进行转座的。
这类转座子总是作为一个单位转座，而不是象复合转座子 那样，其IS末端本身就能独立转座。
由于复杂转座子性质和结构非常相似，其IR顺序大小接 近，而且大部分具有同源性，因此，为了讨论方便，常将这类 转座子统称为TnA转座子。
TnA广泛存在于细菌中. TnA能转座到大多数质粒、噬菌体 及革兰氏阴性菌的染色体上。
无功能
Tn903
3100
Kanr
IS903
反向
相同
两者都有功能 G- 细菌
Tn9
2500
Camr
IS1
同向
相同 两者都有功能
G- 细菌
Tn1681 2086 胞外肠毒素
IS1
反向
相同 两者都有功能
G- 细菌
2. 复杂转座子(TnA转座子) 复杂转座子的两端是长度为30～40bp的末端反向重复序列 (IR)或正向重复序列(DR)，中央是转座酶基因和抗药性基因。
图10-5 转座因子的插入机制
2. 细菌转座因子的转座模型
(1) 剪-贴型转座(cut-and-paste transposition) 这类转座又叫简单插入，是一种非复制型转座过程。
* 在该过程中转座酶识别转座因子的两个末端，在转座因 子的两个末端进行双链平端切割，则完整的转座因子从供体 DNA中释放出来。 •同时转座酶在受体的靶部位进行交错切割。
反向重复序列 转座酶
IR Transposae
反向重复序列
IR
图1 IS的典型结构
二、细菌转座子 将带有抗性基因并能在不同的DNA分子之间移动的遗传单 位叫做细菌转座子(bacterial transposons,简称Tn)。
Tn与IS的主要区别是携带与转座无关的药物抗性或其它特性 的基因。
抗药性转座子一般可分为两类 复合转座子 (composite transposon) 和复杂转座子 (complex transposon)。
1. 复合转座子(composite transposon)
复合转座子是由两个完全相同或类似的插入序列IS和某种抗 药性基因组成的复合因子，IS作为Tn的两个臂或称两个末端， 两个IS在Tn中作正向或反向排列。 在这类转座子中，IS可以带动整个Tn的转座，也可单独进 行转座。Tn5 和Tn10是这类转座子的典型代表。
4
3
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R68-45(铜绿假单孢菌
Tn5(肠杆菌) 萨氏假单胞菌
2
(Pseudomonase savastanoi)
IS91
1800
8/9 19/24 30/32
0 3 9
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pSU233(肠杆菌) 大肠杆菌
IS150 1443 IS426 1313
来源于G＋ 细菌的IS IS110 IS231 IS904 1550 1656 1241 10/15 0 1 天蓝色链霉菌
Cam r 无
38
12 38
5
不详 5
Bacillus thuringensis
Clostridium perfringens
Streptomyces fradiae
三、细菌转座因子的插入机制、转座模型
1. 细菌转座因子的插入机制 转座因子插入到一个新的部位的通常步骤是：
(1) 在靶DNA序列两侧各一条单链上造成一个切口，切口之 间的距离决定了将来转座子两侧正向重复单位的长度。
一般来说，一个功能性的IS结构单位能转座它本身或整个 转座子。
当一个复合转座子的两个IS不同时，该转座子的转座主 要 依 靠 其 中 一 个 IS 的 功 能 ( 如 Tn10 中 的 IS10R 和 Tn5 中 的 IS50R)； 当两侧IS完全相同时，其中任何一个都能行使使该复合 转座子转座的功能。图2是3个复合转座子Tn5 、Tn9和Tn10 的结构示意图。
(2) 然后转座子插入带有与突出单链末端的切口之间，二者 共价连接起来， (3) 由此形成的两段靶序列单链区由DNA聚合酶Ⅰ或其它类 似的酶填充，再由连接酶将端口连接起来(图10-5)。 (4) 交错末端的产生和填充解释了在插入部位产生靶DNA正 向重复的原因。
转座因子的插入引起靶序列重复
靶序列重复的产生过程
表2 一些复合转座子的基本特征
转座子 Tn10
长度(bp) 遗传标记 末端特征 末端两个IS排向 IS关系 IS功能 9300 Tetr IS10L IS10R 反向 2.5% 功能减弱 完整功能 G- 细菌
来源
Tn5
5700 Kanr Bler Strr IS50L
IS50R
反向
1bp差异
完整功能 G- 细菌
反应的结果为转座子被插入到受体的靶位点DNA中，并 且其两侧为由原来的单链切口所产生的重复序列(图10-8)。
供体DNA在原来转座子处留下一个大的缺口。有些插入序 列和转座子是以这种方式进行转座。
3. 几个常见转座子的转座
1998年已达到500种，这500种IS分离自73个细菌属、156种 细菌和古菌。
表1. IS种类
细菌中一些常见的IS 长度(bp) 末端反向重复(bp) 靶点正向重复(bp) 编码蛋白质的可能数目 来源
来源于G- 细菌的IS IS1 IS2 IS3 768 1327 1258 20/23 32/41 29/40 9 5 3 2 2 2 大肠杆菌(E.coli) 大肠杆菌(E.coli) 大肠杆菌(E.coli)
保守型转座(consertive transposition) 属于非复制型转座， 但是在转座过程中有同复制型转座过程中类似的交叉结构的 出现，但不形成共整合体。
即在转座过程中，供体分子上的转座子首先被转座酶在其 两端被交错切开，同时也对靶部位的两个链进行交错切割， 然后供体和靶链在切口处连接，从而产生一种交叉结构。通 过交错切割产生的单链必须通过修复合成反应填充。
第一节 细菌中转座因子的类型和结构 三类：插入序列(IS)
转座子(Tn)
某些温和性噬菌体(如Mu, φ108)。 这三类转座因子的共同特征是：插入寄主DNA后，导致 基因失活；另外，插入时在靶DNA位点产生产生一个短的正 向重复顺序。
一、插入序列
一般是0.7～2.5kb。
插入序列和转座子的表示法均一般是按发现顺序先后或发 现人的意愿，用阿拉伯数字表示，如IS1、IS2、IS3等，但与 目前所分离的转座因子的总数无关。
(2) 复制型转座和保守型转座 所谓复制型转座(replicative transposition)是指在转座过程中， 供体分子上的转座子首先被转座酶在其两端被交错切开，使转 座子的两个DNA链都带有游离的3ˊ-OH末端。 转座酶在转座子两端进行切割的同时也对靶部位的两个链进行 交错切割，然后供体上的转座子和靶链在切口处连接，即转座 子的每个DNA链的3ˊ- OH与靶位点单链突出的5ˊ-磷酸基团共 价连接，从而产生一种交叉结构。 在交叉结构中，其交错末端都含有单链区，此单链区是为 DNA合成提供模板的假复制叉(pseudoreplication forks)，如果复 制从二个假复制叉继续进行，那么将通过转座子并在其末端终 止，从而形成二个拷贝的转座子。
Hgr Strr Sulr 38 Hgr 38
Tn1000 (Υδ) 5800 无
37
5
E. coli
来源于G＋ 细菌 Tn551 5300 Ery(erythromycin) 35 5 Staphylococcus aureus
Tn4430 4200
Tn4451 6200 Tn4556 6800
无
供体和受体形成的这种结构称为共整合体(cointegrate)。
所谓共整合体，就是两个或两个以上的复制子通过共价键连 接在一起。共整合体在原来两个分子之间结合处含有两个转 座子的拷贝，方向为正向重复。 然后，二个拷贝的转座子之间可通过解离酶在解离位点进 行的特异性位点重组而将二个分子分开(图10-7)。 因此，在复制型转座反应过程中，转座因子被复制，一个拷 贝仍保留在原来的位置上，而另一个则插入到一个新的部位， 这样转座过程伴随着转座子拷贝数的增加。另一个特点是， 在复制型转座过程中，有共整合体的出现。复制型转座涉及 到两种类型的酶：一种是转座酶，它作用在原来的转座子的 末端，另一种是解离酶(resolvase)，它作用于复制拷贝的转座 因子的拆分上。TnA转座子就是以这种方式进行转座。
插入序列的结构特点： (1) 在IS的两端含有反向重复序列 (Inverted repeat sequence, 简 称IR)，左右两端分别以IRL和IRR表示，长度为10-40bp。 (2) 除少数IS外，大多数IS都含有一个单一的长编码区，其启 动子位于一端的反向重复序列之内，而刚好终止于另一端 的反向重复序列之前或之内，它编码转座酶(Transposnase, 简称Tpase)。转座酶在IS的转座过程中发挥作用。 (3) 在IS或Tn插入时，在靶DNA位点产生一个短的正向重复顺 序(direct repeat sequence,简称DR)，分布在IS的两侧。但在 插入之前靶部位只有这两个重复序列中的一个，DR的长 度一般为3-9bp。
IS4
IS5 IS6
1426
1195 820
16/18
15/16 14/14 17/22
11 ～13
4 8 Fra Baidu bibliotek 1 1 3
1
大肠杆菌(E.coli)
大肠杆菌(E.coli) Tn6(肠杆菌) R100(Tn10)(肠杆菌)
IS10 1329
IS21
IS50 IS51
2132
1534 1311
10/11
1968年，分子水平的研究证实了在大肠杆菌中转座因子的 存在，这才引起科学家的重视并进行了深入细致的研究.。 现在已经证明细菌、放线菌、酵母、丝状真菌、植物、果 蝇、哺乳动物、人等几乎所有生物的染色体上以及多种细菌 质粒上也都有不同类别的转座因子存在。 此外还证明大肠杆菌Mu噬菌体与脊椎动物的反转录病毒 （retrovirus）的原病毒（provirus）DNA也是转座因子。
第十章 转座因子 (Tansposable elements) 转座因子(transposable elements,TE) 是细胞中能改变自 身位置的一段DNA序列。 转座因子改变位置，如：从染色体的一个位置转移到 另一个位置，或者从质粒转移到染色体的行为称为转座。
第一个转座因子是美国遗传学家McClintock于50年代通过 对玉米遗传现象的细微研究而发现的，她称之为控制成分 (controlling elements)，因为它不仅能在基因组内不同区域转移， 而且也能改变基因的活性并引起功能改变。 1983年才获得诺贝尔奖金.
表3
一些TnA家族转座子的基本特征
转座子
长度(bp) 遗传标记 末端反向
重复(bp)
两侧靶点
来源
正向重复(bp)
来源于G- 细菌 Tn1 Tn3 Tn21 Tn501 5000 4957 19600 8200 Ampr Ampr 38 38 5 5 5 5 铜绿假单孢菌(P.aeruginosa) Salmonella paratyphi Shigella flexneri Pseudomonase aeruginosa
20 coccus aureus) 32/39 4 2 乳酸乳球菌(Lactococcus lactis)
ISL1
ISS1
1256
820
21/40
18 8
3
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干酪乳杆菌(Lactobacillus casei)
乳酸乳球菌(Streptococcus lactis)
来源古菌的IS ISH1 ISH2 ISH23 ISH51 ISM1 1118 520 1000 1371 1381 8/9 19 23/29 15/16 29 8 8 10-12 9 3 1 1 不详 1 不详 盐生盐杆菌(Halobacterium halobium) 盐生盐杆菌(H. halobium) 盐生盐杆菌(H. halobium) 沃氏富盐菌(Halobacterium volcanii) 史氏甲烷短杆菌(Methanobrevibacter smithii)
• 然后转座子与靶部位的切口末端相连接。这种类型的转座只 需要转座酶。
• 在非复制型转座发生之后，供体的命运如何呢？一般认为 供体被破坏，另一种可能是宿主修复系统识别了断裂的双链 并对它进行了修复(图10-6) 。很多插入序列(IS)和复合型转座 子，如IS10、IS50、Tn5、Tn10等就是以这种方式进行转座的。
这类转座子总是作为一个单位转座，而不是象复合转座子 那样，其IS末端本身就能独立转座。
由于复杂转座子性质和结构非常相似，其IR顺序大小接 近，而且大部分具有同源性，因此，为了讨论方便，常将这类 转座子统称为TnA转座子。
TnA广泛存在于细菌中. TnA能转座到大多数质粒、噬菌体 及革兰氏阴性菌的染色体上。
无功能
Tn903
3100
Kanr
IS903
反向
相同
两者都有功能 G- 细菌
Tn9
2500
Camr
IS1
同向
相同 两者都有功能
G- 细菌
Tn1681 2086 胞外肠毒素
IS1
反向
相同 两者都有功能
G- 细菌
2. 复杂转座子(TnA转座子) 复杂转座子的两端是长度为30～40bp的末端反向重复序列 (IR)或正向重复序列(DR)，中央是转座酶基因和抗药性基因。
图10-5 转座因子的插入机制
2. 细菌转座因子的转座模型
(1) 剪-贴型转座(cut-and-paste transposition) 这类转座又叫简单插入，是一种非复制型转座过程。
* 在该过程中转座酶识别转座因子的两个末端，在转座因 子的两个末端进行双链平端切割，则完整的转座因子从供体 DNA中释放出来。 •同时转座酶在受体的靶部位进行交错切割。
反向重复序列 转座酶
IR Transposae
反向重复序列
IR
图1 IS的典型结构
二、细菌转座子 将带有抗性基因并能在不同的DNA分子之间移动的遗传单 位叫做细菌转座子(bacterial transposons,简称Tn)。
Tn与IS的主要区别是携带与转座无关的药物抗性或其它特性 的基因。
抗药性转座子一般可分为两类 复合转座子 (composite transposon) 和复杂转座子 (complex transposon)。
1. 复合转座子(composite transposon)
复合转座子是由两个完全相同或类似的插入序列IS和某种抗 药性基因组成的复合因子，IS作为Tn的两个臂或称两个末端， 两个IS在Tn中作正向或反向排列。 在这类转座子中，IS可以带动整个Tn的转座，也可单独进 行转座。Tn5 和Tn10是这类转座子的典型代表。