植物基因组中微型反向重复转座元件(MITE)研究进展

植物基因组中微型反向重复转座元件(MITE)研究进展1

孙海悦，张志宏*

沈阳农业大学园艺学院，沈阳（110161）

E-mail：zhangz@

摘要：微型反向重复转座元件(miniature inverted repeat transposable element， MITE)是一类特殊的转座元件，其在结构上与有缺失的DNA转座子相似，但具有反转录转座子高拷贝数的特点。MITE时常与基因相伴，对基因调控可能起重要作用，因此，MITE正逐渐成为基因和基因组进化及生物多样性研究的一种重要工具。本文综述了植物基因组中MITE的研究进展，并对其应用前景进行了展望。

关键词：微型反向重复转座元件，基因，进化

转座元件（transposable elements）是指在生物细胞中能从同一条染色体的一个位点转移到另一个位点或者从一条染色体转移到另一条染色体上的DNA序列。转座元件是真核生物基因组的主要成分，根据转座媒介的不同而分为两类，即类型I和类型II (Casacuberta and Santiago， 2003)。类型I转座元件以RNA为媒介进行转座，即作为DNA的转座元件首先被转录为RNA，再借助反转录酶/RNase H反转录为DNA，插入到新的染色体位点，因此，类型I转座元件也被称为反转录转座子(retrotransposon)。类型II转座元件直接以DNA为媒介进行转座，因此，类型II转座元件也被称为DNA转座子（DNA transposon）。反转录转座子的“复制和粘贴”转座机制使其可以快速地增加拷贝数，所以在真核生物基因组中占很高的比例；而DNA转座子的“剪切和粘贴”转座机制不增加拷贝数，所以其在基因组中仅有少量重复(Bennetzen， 2000)。微型反向重复转座元件(miniature inverted repeat transposable element， MITE)是20世纪90年代发现的一类特殊的DNA 转座子(Bureau and Wessler， 1992；Bureau and Wessler， 1994)，其在结构上与非自主DNA转座子相似，但具有反转录转座子的高拷贝数特点 (Feschotte， et al.， 2002a)。MITE在植物基因组中广泛存在，时常与基因相伴(Mao et al.， 2000)，对基因调控可能起重要作用 (Bureau and Wessler，1994; Wessler et al.，1995; Bureau et al.， 1996 )，并可能在基因组进化及生物多样性形成中扮演着重要角色。

1. MITE的结构

MITE最早发现于禾本科植物中（Bureau and Wessler， 1992），后来发现MITE也存在于其它显花植物及动物基因组中(Feschotte et al.， 2002b)。MITE在结构上与DNA转座子的非自主元件相似（图1），但MITE的高拷贝数、特征靶位点和家族内序列的一致性，使其明显不同于已鉴定出的非自主元件(Wessler et al.， 1995)，因此，MITE被认为是一类新的DNA转座子。MITE家族是丰富而多样的，但其仍有许多一般特性，如长度短（<500 bp），有靶位点重复(target site duplication，TSD) 和末端反向重复序列(terminal inverted repeat， TIR)，缺乏编码能力，一般富含A/T。在有些情况下，TIR可以形成稳定的茎环结构(Wessler et al.， 1995)。

1本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金项目（编号：20050157003）资助

*通讯作者：张志宏，教授、博士，研究方向：果树生物技术。

图1 DNA转座子的结构和类型

Fig. 1 Structure and the different types of DNA transposons

2. MITE的分类和起源

因为MITEs不能编码转座酶(transposase)，所以，根据其TIR和TSD的相似性来分类。按这种分类方式，大多数植物的MITE归属于两类：Tourist-like MITE（具有3 bp的TSD，通常为TTA或TAA）和Stowaway-like MITE（具有2 bp的TSD，通常为TA）（Feschotte et al.， 2002a；Jiang et al.， 2004）。计算机辅助查找结果表明Tourist-like MITE广泛存在于植物及动物基因组中，而Stowaway-like MITE广泛存在于植物基因组中(Feschotte et al.， 2002a)。

近年来，科学家在有活性的DNA转座子中发现了两个相似度低的家族与Tourist-like MITE相关。玉米的DNA转座子P Instability Factor (PIF)与Tourist-like超家族的miniature PIF（mPIF）MITE 具有密切关系（Walker et al.， 1997；Kapitonov and Jurka，1999; Zhang et al.， 2001）。PIF和mPIF具有相同的长14 bp的TIR、长约100 bp的近70%同源的近末端序列(subterminal sequences)和9 bp的镜像重复特征靶位点(CWCTTAGWG， W=A/T)。由于mPIF和PIF都被相同的转座酶或相关的转座酶所调节，所以mPIF很可能起源于PIF或者PIF的相关序列。另外，在水稻基因组中发现的被称作mPing的Tourist-like MITE是有编码转座酶能力的DNA转座子Ping的缺失派生物(Jiang et al.，2003; Kikuchi et al.，2003; Nakazaki et al.， 2003)，而Pong是最有可能调动mPing的转座酶来源（Jiang et al.2003）。PIF和Pong都是真核生物DNA转座子PIF/IS5超家族的成员，这个超家族的所有元件都含有两个开放阅读框(open reading frame， ORF)，ORF1可能编码DNA结合蛋白( Jiang et al.，2003; Zhang et al.， 2004)，ORF2可能编码转座酶。此外，它们也都含有相似的TIR 和特异靶位点。植物中的PIF/IS5元件分为PIF-like和Pong-like两类。Zhang等（2004）对水稻基因组的PIF/IS5超家族数据库进行搜寻，发现了200多个转座酶编码序列，分属于27个PIF-like家族(OsPIFs)和26 个Pong-like家族(OsPongs)。通过对TIR和近末端区域的同源比对，发现在水稻Tourist-like超家族中有31个家族，其中28个家族约45 000个元件与OsPIFs或OsPongs相关，而其它区域则缺乏相似序列，这在一定程度上证明DNA转座子PIF和Pong与Tourist-like MITE的起源和扩增有关。

Bureau 和 Wessler (1994)研究表明，Stowaway-like MITE与Tc1/mariner DNA转座子超家族有相似性，它们具有相同的TSD(5′-TA-3′)。最初曾认为Tc1/mariner类DNA转座子在植物中不存在或拷贝数很少，而在动物和真菌基因组中拷贝数达数百个，但后来证明Tc1/mariner类DNA转座子在植物基因组中也广泛存在，并且可能产生了大量的MITE(Feschotte and Mouche， 2000; Feschotte and Wessler， 2002)。在水稻和一些显花植物的基因组中，有数万个Stowaway-like MITE (Bureau and Wessler，1994; Turcotte et al.，2001; Bureau et al.，1996; Jiang and Wessler， 2001)。在拟南芥