第十一章-转座因子的遗传分析
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转座因子的遗传分析
11转座因子的遗传分析 20世纪40至50年代B畅McClintock通过对玉米花斑糊粉层和植株色素形成的遗传研究，发现色素的变化与一系列染色体断裂重组有关，并首次报道了在基因组的不同区域内存在可移动的遗传因子（mobile genetic element）。
可是由于当时人们受基因固定排列于染色体的传统观念的束缚，加之分析手段的限制，因此这一划时代的发现在当时几乎不能被科学界所接受。
直到20世纪70年代，在大肠杆菌半乳糖操纵子的突变型研究中第一次在细菌中发现了可转移座位的插入序列（insertion sequence，IS），之后才被重视，此后近30年来在许多生物中也发现各种类型的可移动的遗传因子，并在分子水平上得到证实。
转座因子不像某类噬菌体或质粒那样，既可插入基因组，又可采取独立形式而存在。
转座因子是从基因组中一个位置直接移动到另一个位置，而且它不依赖于供体位点与受体位点之间的任何关系。
转座是基因组突变与进化的主要来源之一，也是表观遗传的信号与调节因子。
因此，可转座遗传因子的发现是遗传学发展史上重要的里程碑之一，McClintock因而获得1983年诺贝尔奖。
本章仅就这30余年研究成果与进展讨论转座因子（transposable element）———一类可改变位置的遗传因子的总称，其分类与结构特征，原核生物的转座因子与真核生物的转座因子，转座作用的机制和遗传学效应。
251 11畅1 转座因子的发现与分类11畅1畅1 转座因子的发现 早在20世纪初，Em erson 于1914年在研究玉米果皮色素遗传的过程中，发现一种花斑果皮的突变类型。
这种突变可发生多次回复突变，从而产生宽窄不同、红白相间的花斑。
在金鱼草植株叶片以至花瓣上都可见花斑表型。
他意识到这种花斑产生在于突变基因的不稳定性，但如何不稳定不得其解。
到1938年Rhoades 在研究玉米籽粒糊粉层色素遗传时，发现有色籽粒纯种自花授粉的后代中，表现出一种意外的修饰的孟德尔分离比：有色··斑点··白色＝12··3··1，显然这两个基因是不连锁的。
第十一章-转座因子的遗传分析
14
1．插入序列（insertion sequences，IS）
IS是一种最简单的转座因子，共同的结构特征： 两端的核苷酸顺序是完全相同或相近反向重复序列， 中间是转座酶基因。
15
表 23-4 IS 的结构和功能 DR(bp) IR(bp) 中心区 靶的选择
域(bp)
IS 1 9
23
768
随机
雄性染色体 P 因子
ORF0 ORF1 ORF2 ORF3
P 品系 (P♂×P♀) 雌性染色体 P 因子
ORF0 ORF1 ORF2 ORF3
P♂×M♀ 雌性染色体
P 细胞型 66KD 阻遏物
66K
阻遏物
抑制所 有P因 子转 座
P 细胞型
P因子 合成转 座酶
87K
雄性染色体 无 P 因子
M♂×P♀ 雌性染色体
相近。但方向相反，称为反向重复序列（inverted repeat sequences(IS）。含有IS的质粒变性，单链复性。出现颈— 环结构（哑铃状结构）。 (5)IS插入“靶”DNA后，在IS两端出现一小段顺向重复的靶 DNA序列 5-11bp 。
17
18
转座子（ transposon)
一类较大的可移动成分。除有关转座的基因外，至 少带有一个与转座作用无关并决定宿主菌遗传性状 的基因。
9
玉米籽粒花斑的遗传控制系统
McClintock发现色斑表型不稳定，根据她的遗传学和细胞学研究结 果，提出“花斑”表型不是一般的基因突变产生，而是由于一种控 制因子存在所致：
细胞学证据：
Ds可导致所在位置的染色体断裂。Ds存在的玉米地9号染色体的 一个染色体臂上，带有结节（knob）,在Ds处容易断裂，可检查。
1．插入序列（insertion sequences，IS）
IS是一种最简单的转座因子，共同的结构特征： 两端的核苷酸顺序是完全相同或相近反向重复序列， 中间是转座酶基因。
15
表 23-4 IS 的结构和功能 DR(bp) IR(bp) 中心区 靶的选择
域(bp)
IS 1 9
23
768
随机
雄性染色体 P 因子
ORF0 ORF1 ORF2 ORF3
P 品系 (P♂×P♀) 雌性染色体 P 因子
ORF0 ORF1 ORF2 ORF3
P♂×M♀ 雌性染色体
P 细胞型 66KD 阻遏物
66K
阻遏物
抑制所 有P因 子转 座
P 细胞型
P因子 合成转 座酶
87K
雄性染色体 无 P 因子
M♂×P♀ 雌性染色体
相近。但方向相反，称为反向重复序列（inverted repeat sequences(IS）。含有IS的质粒变性，单链复性。出现颈— 环结构（哑铃状结构）。 (5)IS插入“靶”DNA后，在IS两端出现一小段顺向重复的靶 DNA序列 5-11bp 。
17
18
转座子（ transposon)
一类较大的可移动成分。除有关转座的基因外，至 少带有一个与转座作用无关并决定宿主菌遗传性状 的基因。
9
玉米籽粒花斑的遗传控制系统
McClintock发现色斑表型不稳定，根据她的遗传学和细胞学研究结 果，提出“花斑”表型不是一般的基因突变产生，而是由于一种控 制因子存在所致：
细胞学证据：
Ds可导致所在位置的染色体断裂。Ds存在的玉米地9号染色体的 一个染色体臂上，带有结节（knob）,在Ds处容易断裂，可检查。
第11章 转座因子的遗传分析
保守 型
反 转 录 转 座 子
4 种 反 转 录 转 座 因 子
11.1 转座因子的发现及分类 11.2 原核生物中的转座因子 11.3 真核生物中的转座因子 11.4 转座作用的分子机制 11.5 转座的遗传学效应及其应用
（ 1 ）插入序列（ IS ）
它们是一类最小的转座因子； IS 本身没有任何表型效应，只携带和它转 座作用有关的基因，即转座酶基因； 可以从染色体的一个位置转移到另一位置 ，或从质粒转移到染色体上，这种改变位 置的行为称为转座（ transposition ） 。
（ 1 ）引起染色体结构变异
（ 2 ）诱发基因突变与启动外显子混 编
（ 3 ）调节基因表达
转座因子的应用
转座子标记目的基因 作为基因工程的载体
11.1 转座因子的发现及分类 11.2 原核生物中的转座因子 11.3 真核生物中的转座因子 11.4 转座作用的分子机制 11.5 转座的遗传学效应及其应用
酵母菌基因组中的转座子
• Ty1 转座子： Ty1 因子转座是通过一种 RNA 中间产物进行的， 是一种反转录转座子； 两端含有两个称为 δ 的正向长末端重复序列 （ LTR ）； Ty1 插入后酵母染色体后， δ 为正向重复序列， 所以也有可能发生类似于细菌中复制重组过程， 形成小环，丢失一个 δ ，而留在酵母中的 δ 称为 Soloδ
11.1 转座因子的发现及分类 11.2 原核生物中的转座因子 11.3 真核生物中的转座因子 11.4 转座作用的分子机制 11.5 转座的遗传学效应及其应用
DNA 转座机制（ 1 ）：复制型转 座
基因 组在 转座 子插 入位 置出 现正 向重 复的 机制
Tn3 复制型转座模型
反 转 录 转 座 子
4 种 反 转 录 转 座 因 子
11.1 转座因子的发现及分类 11.2 原核生物中的转座因子 11.3 真核生物中的转座因子 11.4 转座作用的分子机制 11.5 转座的遗传学效应及其应用
（ 1 ）插入序列（ IS ）
它们是一类最小的转座因子； IS 本身没有任何表型效应，只携带和它转 座作用有关的基因，即转座酶基因； 可以从染色体的一个位置转移到另一位置 ，或从质粒转移到染色体上，这种改变位 置的行为称为转座（ transposition ） 。
（ 1 ）引起染色体结构变异
（ 2 ）诱发基因突变与启动外显子混 编
（ 3 ）调节基因表达
转座因子的应用
转座子标记目的基因 作为基因工程的载体
11.1 转座因子的发现及分类 11.2 原核生物中的转座因子 11.3 真核生物中的转座因子 11.4 转座作用的分子机制 11.5 转座的遗传学效应及其应用
酵母菌基因组中的转座子
• Ty1 转座子： Ty1 因子转座是通过一种 RNA 中间产物进行的， 是一种反转录转座子； 两端含有两个称为 δ 的正向长末端重复序列 （ LTR ）； Ty1 插入后酵母染色体后， δ 为正向重复序列， 所以也有可能发生类似于细菌中复制重组过程， 形成小环，丢失一个 δ ，而留在酵母中的 δ 称为 Soloδ
11.1 转座因子的发现及分类 11.2 原核生物中的转座因子 11.3 真核生物中的转座因子 11.4 转座作用的分子机制 11.5 转座的遗传学效应及其应用
DNA 转座机制（ 1 ）：复制型转 座
基因 组在 转座 子插 入位 置出 现正 向重 复的 机制
Tn3 复制型转座模型
10 转座因子的遗传分析 南开大学遗传学课件
细菌转座子的发现和转座因子被公认
1951年McClintock提出生物基因组中存在转座因子学说，但未被当时持基因在 染色体上具有固定位置的主流观点同行接受 20世纪60年代继P. A. Jacob 和L. Monod之后J. Shapiro ①发现由转导噬菌体λdgal＿引起的基因突变可恢复，但不能被核酸置换所回复， 因此不是一般的点突变和缺失造成的 ②运用密度梯度离心比较λdgal＿和λdgal＋， λdgal＿比λdgal＋密度大，并将两种 DNA变性和复性处理后进行电镜观察，发现双链分子中出现多余DNA环 由此证明λdgal＿突变是因一段称为转座因子的插入序列（insertion sequence） 造成的
ATGGGATCTTT TACCCTAGAAA
IR
AAAGATCCCAT TTTCTAGGGTA
IR
转座子两侧DR形成机制（Tn3）
转座子及其特点
①自主转座 ②除转座相关的基因外还含有抗性及其他基因 ③分子较大，2～25 kb,一般两端有相同的IR
某些Tn的IR便是已知的IS，带有IS的Tn称为复合转 座子（composite transposon），如Tn5、Tn10和 Tn903 不含IS称为简单转座子，如Tn3 有些没有IS的体积庞大转座子称为TnＡ家族
例如TnA转座子家族，其结构中两端有38 bp的 反向重复序列(IS)，中间有三个基因：编码β－内 酰胺酶的氨苄青霉素(ampicillin)抗性基因(ampr)、 转座酶基因(tnpA)和编码一种阻遏蛋白调节基因 (tnpR)，tnpR的产物抑制tnpA和其自身基因的 表达
res为内部解离位点(resolvation site)
有转座和复制相关的A、Ｂ基因，gin编 码转化酶（invertase），催化IR DNA链 的反向弯曲
转座因子遗传课件
能带有它们自身DNA转录所必需的启动子. 能带有它们自身DNA转录所必需的启动子. DNA转录所必需的启动子 转位作用类型: 转位作用类型: 保留型转位:转位因子从原来位点上删除下来, (1)保留型转位:转位因子从原来位点上删除下来, 再转移到另一位点中去. 再转移到另一位点中去. 复制行转位:转位因子插入到靶子位点, (2)复制行转位:转位因子插入到靶子位点,而另 一个拷贝仍保留在原来的位点上. 一个拷贝仍保留在原来的位点上.
5' 3'来自A B C D E A' B' C' D' E'
A B C D E A' B' C' D' E'
3' 5'
同向重复序列
5' 3' A B C D E A' B' C' D' E' E' D' C' B' A' E D C B A 3' 5'
反向重复序列
5' 3' 5' 3' A B C D E A' B' C' D' E' A B C D E A' B' C' D' E' A' B' C' D' E' A B C D E
IS或Tn插入到靶子位点后,两侧出现少数核苷酸重复 IS或Tn插入到靶子位点后, 插入到靶子位点后
大肠杆菌乳糖操纵子
细菌相关功能的结构基因常连在一起,形成一个基因 细菌相关功能的结构基因常连在一起,
簇.它们编码同一个代谢途径中的不同的酶.一个基 它们编码同一个代谢途径中的不同的酶. 因簇被共同控制,一开俱开,一闭俱闭. 因簇被共同控制,一开俱开,一闭俱闭. 乳糖分解代谢相关的三个基因lacZ,Y,A就组成典 乳糖分解代谢相关的三个基因lacZ, 型的基因簇.它们的产物可催化乳糖的分解, 乳糖的分解 型的基因簇.它们的产物可催化乳糖的分解,产生葡 萄糖和半乳糖. 萄糖和半乳糖. lacZ编码β-半乳糖苷酶.可以切断乳糖的半乳糖苷键, lacZ编码 半乳糖苷酶.可以切断乳糖的半乳糖苷键, 编码β 产生半乳糖和葡萄糖. 产生半乳糖和葡萄糖. lacY编码β-半乳糖苷透性酶.协助乳糖分子穿膜进入 lacY编码 半乳糖苷透性酶. 编码β 细菌内. 细菌内. lacA编码巯基半乳糖苷转乙酰酶.可以将一个乙酰基 lacA编码巯基半乳糖苷转乙酰酶 编码巯基半乳糖苷转乙酰酶. 从乙酰辅酶A转移到β 半乳糖苷上. 从乙酰辅酶A转移到β-半乳糖苷上.
遗传学：转座因子的遗传分析
（2）有4个编码区（0、1、2、3）和3个内含子（1、 2、3）
P因子基因在体细胞和生殖细胞mRNA加工剪切存在差异，产生 不同的蛋白（转座阻遏蛋白和转座酶）
M雌× P雄杂交F1出现杂交劣育的机制：
M品系雌性细胞质内缺失转座阻遏蛋白，P品系雄性细胞核存
在P因子，F1代生殖细胞P因子自由转座，F1劣育
是细菌染色体或质粒DNA的正常组成部分，不含宿主基 因，但都含有编码转座酶的基因。
一个细菌常有多个IS,都可以自主转座，因为自身带有转 座酶
已 知 IS 有 10 余
种 ， 长 7685700 之 间 ， 两 端有反向重复 序列
图11-7
2.2 转座子（transposon Tn) 较大，一般2000-25000bp 除含转座有关基因外，还带抗药基因和其它基因 复合转座子：两端带有IS 简单转座子：两端没有IS而有简单重复序列IR
被切离而缺失，DR只留下一个 如重组发生在IR之间，结果IR之间的DNA发生倒
位
图11-31
5.2 诱发基因突变与启动外显子混编
转座子插入某个基因往往导致基因失活：
转座子插入所在基因转录方向相同，转录终止在转座子的 多聚A信号位点，形成半截mRNA 有时也能正常表达—渗漏突变 转座子插入与所在基因的方向相反，前体RNA中的转座子 序列在转录后加工切除，编码正常
有的后代完全是有颜色
麦克林托克的伟大发现
1940-1950，McClintock研究玉米胚乳紫色、白色 以及白色背景上带紫色的遗传
1951， McClintock提出了生物基因组中存在转座 因子学说（就是Ac-Ds系统 ）（下图）
这些转座因子可沿染色体移动，也可以不同染色 体跳跃
这是遗传学发展史中划时代的重大发现
P因子基因在体细胞和生殖细胞mRNA加工剪切存在差异，产生 不同的蛋白（转座阻遏蛋白和转座酶）
M雌× P雄杂交F1出现杂交劣育的机制：
M品系雌性细胞质内缺失转座阻遏蛋白，P品系雄性细胞核存
在P因子，F1代生殖细胞P因子自由转座，F1劣育
是细菌染色体或质粒DNA的正常组成部分，不含宿主基 因，但都含有编码转座酶的基因。
一个细菌常有多个IS,都可以自主转座，因为自身带有转 座酶
已 知 IS 有 10 余
种 ， 长 7685700 之 间 ， 两 端有反向重复 序列
图11-7
2.2 转座子（transposon Tn) 较大，一般2000-25000bp 除含转座有关基因外，还带抗药基因和其它基因 复合转座子：两端带有IS 简单转座子：两端没有IS而有简单重复序列IR
被切离而缺失，DR只留下一个 如重组发生在IR之间，结果IR之间的DNA发生倒
位
图11-31
5.2 诱发基因突变与启动外显子混编
转座子插入某个基因往往导致基因失活：
转座子插入所在基因转录方向相同，转录终止在转座子的 多聚A信号位点，形成半截mRNA 有时也能正常表达—渗漏突变 转座子插入与所在基因的方向相反，前体RNA中的转座子 序列在转录后加工切除，编码正常
有的后代完全是有颜色
麦克林托克的伟大发现
1940-1950，McClintock研究玉米胚乳紫色、白色 以及白色背景上带紫色的遗传
1951， McClintock提出了生物基因组中存在转座 因子学说（就是Ac-Ds系统 ）（下图）
这些转座因子可沿染色体移动，也可以不同染色 体跳跃
这是遗传学发展史中划时代的重大发现
11第十一章 转座因子的遗传分析iverson
(一)插入序列IS;
一、原核生物转座子
(二)转座子;
(三)转座噬菌体
(一)酵母菌转座子;
二、真核生物转座子
(二)果蝇中的P因子; (三)玉米转座子
三、转座机制及遗传学效应 (一)转座机制;
(二)转座遗传学效应
一、原核生物中的转座子
• 类型 按分子结构及遗传性质分类：
•
插入序列(inserted sequence, IS)：序列较小，含有转座酶等相关
如下图：
转座机制
(二)转座的遗传学效应
1、引起插入突变(引起基因失活)或切离引起回复突变等。从而对基因表达进行调节。 2、给靶位点带来新的基因，如转座子上的抗药性基因等 3、引起序列重复：如转座子复制重复，靶位点同向重复序列。 4、引起染色体结构变异：如处在不同位点(甚至不同染色体上)的同源转座子间可相
的反向重复序列类似)。
每个单倍体酵母基因组有30-35个 TY，及至少100个单一的δ因子 酵母Ty1转座子的结构（ a） 与Solo δ的形成（ b）
(solo δ elements)。
Ty1因子转座
Ty1因子转座是通过一种RNA
中间产物进行的。
首先以其DNA 为模板合成一 个拷贝的RNA；
然后再通过反转录合成一条
被Ac因子激活。尤其是两端重复序列与Ac同源。
• Ac也是一个转座子，由4563 bp组 成(其中间区编码转座酶)，两端有 11 bp的反向重复序列，可转座到 基因组的任何位臵，其靶位点有两 个8 bp的同向重复序列。其中间编 码区不同程度缺失，形成不同的 Ds。 • 当Ac开始转座活动时，Ds被激活 也进行转座，移动到新位点，使靶 位点附近基因失活或改变表达活性。
在体细胞中，内含子1、2被剪 接掉，所形成的mRNA翻译成一个转 座阻遏蛋白，抑制P因子转座。 在生殖细胞中，内含子1、2、3 都被剪接掉，所形成的mRNA翻译成 转座酶，导致P因子转座，插入W位点 引起配子劣育。
第11章转座子的遗传分析
总长度 768bp
5bp
41bp
1327bp
11~13bp 18bp
1428bp
4bp
16bp
1195bp
9bp
22bp
1329bp
9bp
9bp
1531bp
插入位点 随机 热点 AAAN20TTT 热点 NGCTNAGCN 热点
含有IS序列的质粒经变性复性后形成茎环结构。
2. 转座子（transposon, Tn）
pol LTR, 340bp
2. 果蝇的P因子
• 1977年，Kidwell报道黑腹果蝇的特定品系间 杂交后会导致杂种劣育（hybrid dysgenesis）
P雌×M雄
M雌×P雄
F1正常
F1不育
• 研究表明，P品系果蝇细胞中含有导致杂种劣 育的转座子，称为P因子。
3.0 kb
内含子3的剪接是转座
A1a1 Dtdt
A1- Dt- 9/16 a1a1 Dt- 3/16
A1- dtdt 3/16 a1a1 dtdt 1/16
转座子的发现： 遗传学史上的又一里程碑
"for her discovery of mobile genetic elements"
1983
玉米籽粒的颜色
• A：花色素基因，突变后籽粒没有颜色； • C：颜色基因，决定红色和紫色的发生； • R：控制红色性状，但要求A、C基因的表达； • Pr：控制紫色性状，要求A、C、R均显性； • I：抑制基因，可抑制C基因的表达，即Ds基因，
• DNA转座子 • 反转录转座子（retrotransposon）
按照物种进行划分：
• 原核生物转座子： – 插入序列（insertion sequence） – 转座因子（transposon） – 转座噬菌体（mutator phage）
转座因子的遗传分析
U5右端丢失2bp
4-6bp正向重复序列 4-6bp正向重复序列
a. 整合酶在LTR 的3'端切除2bp
反 转 录 病 毒 DNA 的 整 合
正向重 复序列
b. 整合酶在靶DNA 上产生交错切口
? 1963年，Taylor 发现，它是大肠杆菌的温和噬菌体， 38000bp的线状DNA 。
? Mu的特点：几乎可以插入宿主染色体任何一个位 置上。而且游离 Mu和已经插入的 Mu基因次序是相 同的。另外它的两端没有粘性末端，插入某基因中 就引起该基因突变。
第三节 真核生物中的转座子
? 酵母菌的转座子 ? 果蝇的转座子 ? 玉米的转座子 ? 人类基因组中的转座子
80～ 100bp 约2000bp
R U5 gag
约2900bp
pol
170～ 10～ 约1800bp 1260bp 80bp
env U3 R
重复 序列
编码病毒的 编码反转录 编码病毒的 核心蛋白 酶和整合酶 包装膜蛋白
重复 序列
RNA病毒的线性基因组
正向重 复序列
反转录
长末端重 复序列
整合
U3左端丢失2bp
反
转
录
病 毒
整合宿主 靶DNA
RNA
第二节 原核生物中的转座因子
? 插入序列 ? 转座子 ? 转座噬菌体
1、插入序列（inserted sequence ，IS)
? 20世纪60年代末Starlinger 在大肠杆菌中发现半乳糖 基因的突变体，称为 gal-。
? 实验证明这种突变体是由于 DNA片段插入而产生的， 这一插入序列是最先发现的最小的一种转座因子， 称为IS1。
Ac Ds结构示意图
转座因子
异常重组：机制不清楚。
定
义
研究简史 命名方法
前 言
研究简史
生物基因组的不固定性（基因的大小、 数目、位置、方向等） 1951年Barbaro McClintock首次在玉米中发 现可转移的控制成分 1967年在大肠杆菌中发现可转移的插入序列 此后，在细菌、酵母、果蝇、动物甚至人体 等基因组内发现了各种各样的转座因子 1983年Barbaro McClintock获诺贝尔奖
果蝇转座成分
P因子
P因子是真核生物中了解最清楚，应用最广泛，长3kb，31bp 的ITR，8bp的靶位点GGCCAGAC。2/3的P因子有缺陷，无功能。
真 核 转 座 子
返座子：转座机制与反转录病毒相似，遗传信息的流向从 DNA到RNA再到DNA。转移过程称返座（retroposition） （1）病毒大家族 逆转录病毒(全部) 反转录转座子（ 如酵母的Ty、果蝇 的Copia、玉米的BSI等）
转座机理 转座的遗传学效应
转座意义及其在遗传学 中的应用
引起基因的插入突变(包括极性突变); 产生靶序列DNA的同向重复; 介导复制子的融合; 成为调节基因活动的开关(内外源启动子); 引起基因的重排\缺失或倒位; 产生切离:精确切离与不精确切离 造成同源序列的整合, 如F因子整合到染色体形 成Hfr菌; 8. 果蝇的杂交不育(P因子)； 9. 鼠伤寒沙门氏菌鞭毛的相变。 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
Tra
res
TnpR
Amp
原 核 转 座 子
IS
Tra
Tra
ORF ORF
Tra
Tn
Tra Tra
TnA
ORF
Tra
原 核 转 座 子
定
义
研究简史 命名方法
前 言
研究简史
生物基因组的不固定性（基因的大小、 数目、位置、方向等） 1951年Barbaro McClintock首次在玉米中发 现可转移的控制成分 1967年在大肠杆菌中发现可转移的插入序列 此后，在细菌、酵母、果蝇、动物甚至人体 等基因组内发现了各种各样的转座因子 1983年Barbaro McClintock获诺贝尔奖
果蝇转座成分
P因子
P因子是真核生物中了解最清楚，应用最广泛，长3kb，31bp 的ITR，8bp的靶位点GGCCAGAC。2/3的P因子有缺陷，无功能。
真 核 转 座 子
返座子：转座机制与反转录病毒相似，遗传信息的流向从 DNA到RNA再到DNA。转移过程称返座（retroposition） （1）病毒大家族 逆转录病毒(全部) 反转录转座子（ 如酵母的Ty、果蝇 的Copia、玉米的BSI等）
转座机理 转座的遗传学效应
转座意义及其在遗传学 中的应用
引起基因的插入突变(包括极性突变); 产生靶序列DNA的同向重复; 介导复制子的融合; 成为调节基因活动的开关(内外源启动子); 引起基因的重排\缺失或倒位; 产生切离:精确切离与不精确切离 造成同源序列的整合, 如F因子整合到染色体形 成Hfr菌; 8. 果蝇的杂交不育(P因子)； 9. 鼠伤寒沙门氏菌鞭毛的相变。 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
Tra
res
TnpR
Amp
原 核 转 座 子
IS
Tra
Tra
ORF ORF
Tra
Tn
Tra Tra
TnA
ORF
Tra
原 核 转 座 子
遗传学第11章 转座因子的遗传分析PPT课件
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2
一 转座因子的发现
Emerson于1914年发现玉米果皮花斑产生在于突变基因的不稳定性。 1938年Rhoades研究玉米糊粉层时也发现了基因的不稳定性：
最转初座 Nhomakorabea认
因
为
子
是
引
双
起
突
花
变
斑
导
致
3
40年代初，McClintock 研究玉米花斑糊粉层和植株 色素产生的遗传基础发现色素变化与染色体重组有关。 染色体的断裂或解离（dissociation）有一个特定位点(Ds)。 Ds不能自行断裂，受一个激活因子（activator） Ac所控制。
24
Mu位点特异性的倒置
25
细菌转座子的转座机制研究最为清楚。 转座过程是一个非同源重组过程，通过这一重组 过程，转座子出现在一个新的位置上，可是原来位置 上的转座子并不消失。 转座过程分子机制还有待进一步研究。
26
第三节 真核生物的转座因子
一 酵母菌基因组中的转座子
酵母Ty1转座子结构
Solo 的形成
❖ 反转座是经RNA介导的转座过程。
14
❖ 必须经过RNA中间体的转座过程是真核生物所特有； ❖ 一些真核细胞的转座子和反转录病毒的原病毒的一般
组成结构相关，并且通过RNA中间体进行转座，这一 类结构单位称为反转座子（retroposons）。
15
16
❖ 反转座子共有的可鉴定的特性为：插入位 点会产生短的靶序列的正向重复。
36
二 诱发基因突变与启动外显子混编
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概述二
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概述三
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2
一 转座因子的发现
Emerson于1914年发现玉米果皮花斑产生在于突变基因的不稳定性。 1938年Rhoades研究玉米糊粉层时也发现了基因的不稳定性：
最转初座 Nhomakorabea认
因
为
子
是
引
双
起
突
花
变
斑
导
致
3
40年代初，McClintock 研究玉米花斑糊粉层和植株 色素产生的遗传基础发现色素变化与染色体重组有关。 染色体的断裂或解离（dissociation）有一个特定位点(Ds)。 Ds不能自行断裂，受一个激活因子（activator） Ac所控制。
24
Mu位点特异性的倒置
25
细菌转座子的转座机制研究最为清楚。 转座过程是一个非同源重组过程，通过这一重组 过程，转座子出现在一个新的位置上，可是原来位置 上的转座子并不消失。 转座过程分子机制还有待进一步研究。
26
第三节 真核生物的转座因子
一 酵母菌基因组中的转座子
酵母Ty1转座子结构
Solo 的形成
❖ 反转座是经RNA介导的转座过程。
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❖ 必须经过RNA中间体的转座过程是真核生物所特有； ❖ 一些真核细胞的转座子和反转录病毒的原病毒的一般
组成结构相关，并且通过RNA中间体进行转座，这一 类结构单位称为反转座子（retroposons）。
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16
❖ 反转座子共有的可鉴定的特性为：插入位 点会产生短的靶序列的正向重复。
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二 诱发基因突变与启动外显子混编
武汉大学遗传学第11章转座因子的遗传分析
大步。但这项划时代的成果并未受到当时同行们重视。
直到20世纪60年代Jacob和Monod的乳糖操纵子模型和基因调控理论 发表后，特别是Shapiro在细菌中也发现了可转座的遗传因子后，这一成 果才被接受。
（1）转 座 重 组
转座：在转座酶的作用下，转座因子或是直接从原来位置上切 了下来，然后插入染色体的新的位置；或是染色体上的DNA序 列转录成RNA,RNA反转录产生的cDNA插入染色体上新的位 置，这样，在原来位置上仍然保留转座因子，而其拷贝则插入 新的位置。 转座重组：由于在转座酶的作用下转座因子插入染色体或切离 染色体而产生的遗传重组。
1938年 Rhoades 研究玉米籽粒糊粉层色素遗传，发现修饰的孟德尔
分离比：有色：斑点:白色＝ 12: 3:1，而这两个基因是不连锁的。他认为 基因A1（控制色素） a1 表现为无色；
另一基因Dt （斑点）表型为有色斑点。 这样原品系的基因型为A1 A1 dtdt，突变后产生了A1 a1 Dtdt的植株， 这种双突变植株自交就产生了上述比例（图11－1）
图11— 1
玉米花斑表型的遗传学解释
（ a） 由于转座因子而引起的玉米籽粒花斑的表型 （ b） 最初认为玉米籽粒花斑形成是双突变的结果
但是什么因素导致或产生花斑呢？ 一种可能是在体细胞中产生了回 复突变a1 → A1，但大量的斑点需要很高频率的回复突变。
Rhoades用a1 a1 Dt_（花斑）特殊无性生殖植物与a1 a1 的植株测交,
1940年至1950年 McClintock 在美国康奈尔大学和冷泉港实验室工作 期间，研究了玉米胚乳的紫色、白色以及白色背景上带有紫色斑点这些表 型之间的相互关系。她发现花斑表型是不稳定的，并根据自己的遗传学和 细胞学研究结果推断“花斑”这种表型并不是一般的基因突变产生的，而是 由于一种控制因子的存在所导致的。
直到20世纪60年代Jacob和Monod的乳糖操纵子模型和基因调控理论 发表后，特别是Shapiro在细菌中也发现了可转座的遗传因子后，这一成 果才被接受。
（1）转 座 重 组
转座：在转座酶的作用下，转座因子或是直接从原来位置上切 了下来，然后插入染色体的新的位置；或是染色体上的DNA序 列转录成RNA,RNA反转录产生的cDNA插入染色体上新的位 置，这样，在原来位置上仍然保留转座因子，而其拷贝则插入 新的位置。 转座重组：由于在转座酶的作用下转座因子插入染色体或切离 染色体而产生的遗传重组。
1938年 Rhoades 研究玉米籽粒糊粉层色素遗传，发现修饰的孟德尔
分离比：有色：斑点:白色＝ 12: 3:1，而这两个基因是不连锁的。他认为 基因A1（控制色素） a1 表现为无色；
另一基因Dt （斑点）表型为有色斑点。 这样原品系的基因型为A1 A1 dtdt，突变后产生了A1 a1 Dtdt的植株， 这种双突变植株自交就产生了上述比例（图11－1）
图11— 1
玉米花斑表型的遗传学解释
（ a） 由于转座因子而引起的玉米籽粒花斑的表型 （ b） 最初认为玉米籽粒花斑形成是双突变的结果
但是什么因素导致或产生花斑呢？ 一种可能是在体细胞中产生了回 复突变a1 → A1，但大量的斑点需要很高频率的回复突变。
Rhoades用a1 a1 Dt_（花斑）特殊无性生殖植物与a1 a1 的植株测交,
1940年至1950年 McClintock 在美国康奈尔大学和冷泉港实验室工作 期间，研究了玉米胚乳的紫色、白色以及白色背景上带有紫色斑点这些表 型之间的相互关系。她发现花斑表型是不稳定的，并根据自己的遗传学和 细胞学研究结果推断“花斑”这种表型并不是一般的基因突变产生的，而是 由于一种控制因子的存在所导致的。
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转座因子类型
DNA转座子 RNA反转录转座子
第一节 转座子的发现与分类 第二节 原核生物中的转座子 第三节 真核生物中的转座子 第四节 转座作用的分子机制 第五节 转座因子的遗传学效应及其应用
第一节 转座因子分析与分类
转座子的发现
1951年B.McClintock提出转座（Transposition）和 跳跃基因(jumping gene)的新概念，70年代在细菌中发 现存在可转移座位的插入序列（insertion sequence）, 随后在许多生物中发现转座子的存在。1983年McClintock 荣获诺贝尔奖。
(5)IS插入“靶”DNA后，在IS两端出现一小段顺向重复的靶 DNA序列 5-11bp 。
第十一章 转座子的遗传分析
转座子（transposable element） 是指细胞基因组中可移动的遗传功能单位，指能
在一个DNA分子（或染色体）的一个座位转移到另一个 座位，或从一个DNA分子转移到另一个DNA分子上的遗 传功能单位。
细胞中能改变自身位置的一段DNA顺序，叫做转 座遗传因子（transposable genetic element），简 称转座因子，TE。
IS903 9
18
1057 随机
拷贝数
5～8 5 (在 F 因子上为 1) 1或2 ？
IS1的特点：
(1)768核苷酸。
(2)本身没有表型效应，只携带转座酶基因。
(3)如F因子和大肠杆菌的染色体上有一些相同的插入序列。
(4)具有某些共同的结构特征：两端的核苷酸顺序完全相同或 相近。但方向相反，称为反向重复序列（inverted repeat sequences(IS）。含有IS的质粒变性，单链复性。出现颈— 环结构（哑铃状结构）。
原核细胞中转座因子的发现
原核生物中的转座因子的发现和检出： 1967年Shapiro才在E.coli中发现了转座因子 （transposable element）。他在半乳糖操纵子
(gal K,T,E ）中发现了一种极性突变。它有以 下的特点： (1) 能回复突变； (2) 用诱变剂对其处理并不能提高回复突变率; 他们想到galE-的突变可能也是部分DNA的 插入（突变）和切离（回复突变）所致。
（1） C突变为c（无色素），是由一个“可移动的遗传因子”插入到 C基因中，导致C基因失活。该可移动的遗传因子称为Ds,即解离 因子（dissociator）;
（2）解离因子需要另一个可移动因子的激活才能转座，即激活因子 （activator）Ac，Ac可以激活Ds插入到C基因或其他基因中，也可 以使Ds从C基因中转移出来，使突变基因c发生回复突变。 这就是著名的Ac-Ds系统
表 23-4 IS 的结构和功能 DR(bp) IR(bp) 中 心 区 靶的选择
域(bp)
IS 1 9
23
768
随机IS2 541源自1327 热点IS4 11～13 18
1428 AAN20TTT
IS5 4
16
1195 热点
IS10R 9
22
1329 NGCTNAGCN
IS50R 9
9
1531 热点
第二节、原核生物中的转座因子
(一) 插入序列(IS) (二) 类插入序列（IS-like elements） (三) 复合转座子。 (四) TnA家族
1．插入序列（insertion sequences，IS）
IS是一种最简单的转座因子，共同的结构特征： 两端的核苷酸顺序是完全相同或相近反向重复序列， 中间是转座酶基因。
（3）在胚乳发育过程中，发生回复突变（ Ds从C基因中转移）导致斑 点产生；回复突变发生在胚乳发育早期，斑点就大。
玉米籽粒花斑的遗传控制系统
McClintock发现色斑表型不稳定，根据她的遗传学和细胞学研究结 果，提出“花斑”表型不是一般的基因突变产生，而是由于一种控 制因子存在所致：
细胞学证据：
（1）斑点表型（a1a1Dt_）是因为a1发生回复突变成为A1， a1是一种不稳定突变等位基因，是一种回复突变率相 当高的基因；
（2）a1基因的不稳定性取决于Dt基因的存在； （3）一旦回复突变发生， a1 →A1，就稳定了，即使Dt与
A1分离，A1的表型不会改变。
1940年——1950年，遗传学家B．McClintock对对玉米 籽粒色斑遗传开展研究，当是已知控制玉米糊粉层颜色 至少有5对基因（多因一效）：
双突变
A1 a1 Dt dt
自交
9/16 3/16 A1-D1- A1- dt dt
3/16 a1a1Dt-
1/16 a1a1d1d1
A1: 控制色素形成 Dt: 控制产生斑点
玉米花斑表型的遗传学解释。
1938年，Rhoades发现玉米籽粒色斑不稳定遗传现象，
并对这种12:3:1的分离比做出解释：
Ds可导致所在位置的染色体断裂。Ds存在的玉米地9号染色体的 一个染色体臂上，带有结节（knob）,在Ds处容易断裂，可检查。
Ac-Ds系统中二者的关系
Ac的作用是自主的，而Ds行为却依赖于Ac，Ds 和Ac在很大程度上表现出核苷酸序列的同源，特别是 两端的序列是相同的。
Ac 具有转座因子的全序列，即具有自主转座的 功能，Ds存在不同程度的缺失中间序列，丧失了自主 转座的功能。
玉米籽粒花斑的遗传控制系统
1914年，Emerson发现玉米籽粒色斑突变，可以多次突变
1938年，Rhoades发现玉米籽粒色斑不稳定遗传现象， 有色籽粒纯种自花授粉后代中，出现了有色：斑点：白色= 12:3:1的分离比，并对这种12:3:1的分离比做出解释：
玉米籽粒花斑的遗传（玉米自交系）
A1 A1 dt dt
A和a决定花青素（anthocyan）的有无 C和c决定颜色（color）（红色或紫色）的发生 R和r决定糊粉红色（red），基于A和C基因存在 Pr和pr决定糊粉紫色（purple）和红色 I为抑制基因（inhibitor），抑制C基因的作用
玉米籽粒花斑的遗传控制系统
McClintock发现色斑表型不稳定，根据她的遗传学和细胞学研究结 果，提出“花斑”表型不是一般的基因突变产生，而是由于一种控 制因子存在所致：
DNA转座子 RNA反转录转座子
第一节 转座子的发现与分类 第二节 原核生物中的转座子 第三节 真核生物中的转座子 第四节 转座作用的分子机制 第五节 转座因子的遗传学效应及其应用
第一节 转座因子分析与分类
转座子的发现
1951年B.McClintock提出转座（Transposition）和 跳跃基因(jumping gene)的新概念，70年代在细菌中发 现存在可转移座位的插入序列（insertion sequence）, 随后在许多生物中发现转座子的存在。1983年McClintock 荣获诺贝尔奖。
(5)IS插入“靶”DNA后，在IS两端出现一小段顺向重复的靶 DNA序列 5-11bp 。
第十一章 转座子的遗传分析
转座子（transposable element） 是指细胞基因组中可移动的遗传功能单位，指能
在一个DNA分子（或染色体）的一个座位转移到另一个 座位，或从一个DNA分子转移到另一个DNA分子上的遗 传功能单位。
细胞中能改变自身位置的一段DNA顺序，叫做转 座遗传因子（transposable genetic element），简 称转座因子，TE。
IS903 9
18
1057 随机
拷贝数
5～8 5 (在 F 因子上为 1) 1或2 ？
IS1的特点：
(1)768核苷酸。
(2)本身没有表型效应，只携带转座酶基因。
(3)如F因子和大肠杆菌的染色体上有一些相同的插入序列。
(4)具有某些共同的结构特征：两端的核苷酸顺序完全相同或 相近。但方向相反，称为反向重复序列（inverted repeat sequences(IS）。含有IS的质粒变性，单链复性。出现颈— 环结构（哑铃状结构）。
原核细胞中转座因子的发现
原核生物中的转座因子的发现和检出： 1967年Shapiro才在E.coli中发现了转座因子 （transposable element）。他在半乳糖操纵子
(gal K,T,E ）中发现了一种极性突变。它有以 下的特点： (1) 能回复突变； (2) 用诱变剂对其处理并不能提高回复突变率; 他们想到galE-的突变可能也是部分DNA的 插入（突变）和切离（回复突变）所致。
（1） C突变为c（无色素），是由一个“可移动的遗传因子”插入到 C基因中，导致C基因失活。该可移动的遗传因子称为Ds,即解离 因子（dissociator）;
（2）解离因子需要另一个可移动因子的激活才能转座，即激活因子 （activator）Ac，Ac可以激活Ds插入到C基因或其他基因中，也可 以使Ds从C基因中转移出来，使突变基因c发生回复突变。 这就是著名的Ac-Ds系统
表 23-4 IS 的结构和功能 DR(bp) IR(bp) 中 心 区 靶的选择
域(bp)
IS 1 9
23
768
随机IS2 541源自1327 热点IS4 11～13 18
1428 AAN20TTT
IS5 4
16
1195 热点
IS10R 9
22
1329 NGCTNAGCN
IS50R 9
9
1531 热点
第二节、原核生物中的转座因子
(一) 插入序列(IS) (二) 类插入序列（IS-like elements） (三) 复合转座子。 (四) TnA家族
1．插入序列（insertion sequences，IS）
IS是一种最简单的转座因子，共同的结构特征： 两端的核苷酸顺序是完全相同或相近反向重复序列， 中间是转座酶基因。
（3）在胚乳发育过程中，发生回复突变（ Ds从C基因中转移）导致斑 点产生；回复突变发生在胚乳发育早期，斑点就大。
玉米籽粒花斑的遗传控制系统
McClintock发现色斑表型不稳定，根据她的遗传学和细胞学研究结 果，提出“花斑”表型不是一般的基因突变产生，而是由于一种控 制因子存在所致：
细胞学证据：
（1）斑点表型（a1a1Dt_）是因为a1发生回复突变成为A1， a1是一种不稳定突变等位基因，是一种回复突变率相 当高的基因；
（2）a1基因的不稳定性取决于Dt基因的存在； （3）一旦回复突变发生， a1 →A1，就稳定了，即使Dt与
A1分离，A1的表型不会改变。
1940年——1950年，遗传学家B．McClintock对对玉米 籽粒色斑遗传开展研究，当是已知控制玉米糊粉层颜色 至少有5对基因（多因一效）：
双突变
A1 a1 Dt dt
自交
9/16 3/16 A1-D1- A1- dt dt
3/16 a1a1Dt-
1/16 a1a1d1d1
A1: 控制色素形成 Dt: 控制产生斑点
玉米花斑表型的遗传学解释。
1938年，Rhoades发现玉米籽粒色斑不稳定遗传现象，
并对这种12:3:1的分离比做出解释：
Ds可导致所在位置的染色体断裂。Ds存在的玉米地9号染色体的 一个染色体臂上，带有结节（knob）,在Ds处容易断裂，可检查。
Ac-Ds系统中二者的关系
Ac的作用是自主的，而Ds行为却依赖于Ac，Ds 和Ac在很大程度上表现出核苷酸序列的同源，特别是 两端的序列是相同的。
Ac 具有转座因子的全序列，即具有自主转座的 功能，Ds存在不同程度的缺失中间序列，丧失了自主 转座的功能。
玉米籽粒花斑的遗传控制系统
1914年，Emerson发现玉米籽粒色斑突变，可以多次突变
1938年，Rhoades发现玉米籽粒色斑不稳定遗传现象， 有色籽粒纯种自花授粉后代中，出现了有色：斑点：白色= 12:3:1的分离比，并对这种12:3:1的分离比做出解释：
玉米籽粒花斑的遗传（玉米自交系）
A1 A1 dt dt
A和a决定花青素（anthocyan）的有无 C和c决定颜色（color）（红色或紫色）的发生 R和r决定糊粉红色（red），基于A和C基因存在 Pr和pr决定糊粉紫色（purple）和红色 I为抑制基因（inhibitor），抑制C基因的作用
玉米籽粒花斑的遗传控制系统
McClintock发现色斑表型不稳定，根据她的遗传学和细胞学研究结 果，提出“花斑”表型不是一般的基因突变产生，而是由于一种控 制因子存在所致：