生工09微生物遗传-5-转座因子
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在医药工业方面已用于有益菌株的鉴别, 在植物病理学方面已用于鉴别特定的病原 体.
生态环境污染的生物修复
由于基因的可变性及转座子的遗传调控, 许多微生物能够利用人工合成的化学物质, 与微生物分解代谢相关的基因往往与插入 元件相连。
当环境污染时,转座子转移频率提高, 增加 了微生物种群的生物降解潜力。
Hale Waihona Puke Baidu
IS结构
IS元件具有一个 典型的结构，它
的末端为反向重
复序列，而与其 相连的宿主DNA的 末端为短的正向 重复序列。
在插入部位，IS DNA总是和很短的正向重 复序列（direct repeats）相连。但在插 入之前靶部位只有这两个重复序列中的一 个。转座后在转座子的两侧各存在一个此 序列的拷贝。
• 不是细菌基因组的成分，易于识别 • 可诱导产生，易于制备
7.3细菌转座子的遗传效应和应用
遗传效应
• 插入突变（抗药性、营养缺陷型） • 基因重排（缺失、扩增和倒位）
• 极性效应：不仅能破坏被插入的基因，还可大 大降低位于远离启动子一端的基因的表达
应用
• 随机诱变：通过质粒载体 • 转座子基因打靶技术 • 标签技术
一端的反向重复序列之前或之内，它编码转座酶。
6.2.2 细菌转座子(Tn)
将带有抗性基因并能在不同DNA分子间移动的遗传
单位叫做细菌转座子（bacterial transposon,
Tn） 一般带有抗性基因，容易被鉴定，所以研究得较 为深入 Tn还带有其它基因，如乳糖发酵基因、胞外肠毒 素基因等
第一个转座因子是美国遗传学家McClintock于20世纪50年 代通过对玉米的遗传研究中发现的，现在认为转座子存在 于地球上所有的生物。转座子学说使McClintock荣获1983 年诺贝尔生理医学奖。
6.1.2 转座子的特点
① 是基因组内相对独立的、可移动序列。它们不必借用噬菌体 或质粒的形式就可以从基因组的一个部位直接转移到另一个 部位。 ② 转座子每次移动时携带着转座必需的基因一起在基因组内跃 迁，所以转座子又称跳跃基因（jumping gene）。 ③ 转座子是基因组的正常组成成分，不以独立的形式存在（如 噬菌体或质粒DNA）。 ④ 转座的发生不依赖于转座子和靶位点之间任何的序列同源性。
转座引起的DNA缺失
转座引起的DNA倒位
确定微生物基因组功能
应用转座子及其相关技术, 全面确定了微 生物基因组功能特征, 特别是分支菌属基 因组功能. 例如, 结核分支杆菌模式菌株的必需基因 组及其相关功能均用此类方法得到确认
鉴别菌株及群体多样性
转座子通常限制性地分布于特定的真菌菌 株或群体中, 可以作为特定菌株的诊断工 具. 已用于丝状真菌群体多样性分析.
6.2.5 三种不同类型的转座
① 复制型转座（replicative transposition）：作为自
身移动的一个部分，转座子被复制，一个拷贝仍然保留 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。
② 剪-贴型转座（非复制）
转座元件作为一个物理实体直接由一个部位转
移到另一个部位。
③ 保守型转座（非复制）
保守型转座是另一种非复制型的转座过程，该
过程中转座元件从供体部位被切除并通过一系
列的过程插入到靶部位，在该过程中每个核苷
键皆被保留。 该转座过程与λ的整合机制类似，并且转座酶 与λ整合酶家族有关。
保守型转座
6.2.6 反转座子和反转录病毒
转座元件或转座子是基因组中可移动的独 立的DNA序列 从DNA到DNA的转移过程称为转座 从DNA到RNA再到DNA的过程称为反转座。 反转座是经RNA介导的转座过程，是真核 生物所特有的。
转座的结果是靶部位序列形成了两个正向 重复序列。
当在一段DNA序列中见到这种结构类型时，可被用 来鉴别转座子。
反向重复序列标明了转座子的末端。所有类型转
座子的转座皆需转座酶（transposase）对末端的 识别。 所有的IS元件皆含有一个单一的长编码区，其起 始于一端的反向重复序列之内，而刚好终止于另
⑤ 转座以很低的频率发生（睡美人），而且转座子的插入是随 机的.
6.1.3 转座子的分类
两个基本类型： ① DNA转座子：一种是以编码蛋白质的DNA序列的形
式存在，其编码的蛋白能直接操作DNA，从而使转
座子能够在基因组内繁殖其自身。 ② RNA作为中介：与反转录病毒有关，并且它们可移 动的特性来自于它们能由RNA转录物产生DNA拷贝， 这种DNA拷贝然后被整合到基因组的新位点。
6.2.3 细菌转座子的分类
① 复合转座子
有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
两个IS在Tn中做反向或正向排列，IS可单独转座，也可带动整 个Tn转座。
② 复杂转座子（TnA转座子）
长度约5000bp，两端是长度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。 总是作为一个整体单位进行转座。
埃氏巨型球菌（Megasphaera elsdenii）是奶牛 瘤胃内一种常见的革兰氏阴性乳酸发酵菌，它能 发酵很多种不同的可溶性碳水化合物，利用丙烯 酸途径将乳酸分解为丙酸，或者经乙酰辅酶A途径 在乙酸激酶（AK）和磷酸转乙酰酶（PTA）的作用 下生成乙酸[1]。 奶牛在妊娠后期和泌乳初期及疾病状态下，瘤胃 内发酵菌的数量和比例发生改变，使丙酸生成减 少，而乙酸生成增加[2]。 恢复和重建瘤胃微生物区系，不仅可增强围产期 奶牛的消化功能，增加采食量，还可提高生糖先 质丙酸的生成量，纠正或缓解围产期奶牛能量负 平衡。
IR
IR
IS：插入序列 TnA：复杂转座 子 Tn:复合转座子
IS
IS
6.2.4 细菌转座因子的插入机制
转座子插入到一个新的部位的通常步骤是： 在靶DNA上制造一个交错的切口，然后转座 子与突出的单链末端相连接，并填充切口。
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。链的切口之间 的交错决定了正向重复的长度。
6、微生物中的转座因子
主要内容
6.1 转座子概述
6.2 细菌转座子的类型和结构
6.3 细菌转座子的遗传效应和应用
6.1 转座子概述
6.1.1 概念
转座因子（transposable element, TE）是细胞中能改变 自身座位的一段DNA序列，它可以从复制子的一个座位跳 跃到另一个座位，已从同一个细胞的一个复制子跳跃到另 一个复制子，DNA片断的这种运动称为转座。 这段会跳跃 的DNA片断称为转座子 。
采用含卡那霉素和氟乙酸纳的选择性培养基筛选接 合子，共筛选出稳定的对卡那霉素和氟乙酸具有抗 性的转座工程菌9株。 对埃氏巨型球菌的突变株进行 16S rRNA和Tn5的 PCR鉴定，及乙酸激酶（AK）和磷酸转乙酰酶（PTA） 酶比活力分析，确定突变株属于pta基因缺失型氟 乙酸抗性菌株。
基因治疗新方法：使用转座子进行转基因
《Gene》杂志中报道了一种使用转座子实现真核DNA的目的基 因替代的新方法。这样一个系统可以提供一种基因治疗方法， 避免了目前在基因替代中常用的病毒载体面临的一些问题。 研究者使用一个移动的细菌系统将一个基因转到人DNA的一个 特定位置。一个大肠杆菌转座子将一个抗生素抗性基因转入人 DNA。 这项技术有很多优点。“可以避免使用引起免疫反应的病毒， 将基因放入正确的已知位置，而不是随机插入细胞DNA中，并 且只插入一个拷贝，” 美国和其它国家使用病毒或非病毒载体进行基因治疗已经到了 临床试验阶段。他希望能使用他们的非病毒方法在血友病，镰 刀型细胞贫血症，肌营养失调症和苯丙酮酸尿症患者体内导入 正常功能基因，并通过导入治疗性基因进行癌症的治疗。
6.2 细菌转座子
细菌中可转座的遗传因子可分为四类
插入序列 转座子 接合型转座子
某些温和性噬菌体
6.2.1 插入序列
最简单的转座子，被称为插入序列IS （insertion sequences, IS）。IS元件是 细菌染色体和质粒的正常组成部分，表示 法一般按照发现的顺序或发现人的意愿， 用阿拉伯数字表示，如IS1, IS2等。 IS元件是独立的结构单位，每个元件只编 码为自身转座所需要的蛋白质。
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。 反转录病毒首先被观察到的是以传染性病 毒颗粒的形式存在，并能在细胞间传播； 而反转座子是被当作基因组中的一部分而 被发现的，它们可以在基因组内进行转座， 但不能在细胞间迁移。
7.2.7 Mu噬菌体的转座
转座噬菌体是具有转座功能的一类可引起突 变的溶源性噬菌体，无论是溶源状态还是裂 解状态，总是整合到寄主染色体上。 研究较多的是Mu噬菌体，同一般噬菌体不同， 它可以整合到染色体的任一位点上。 特点
从细菌的代谢途径分析, AK－PTA途径是菌 体产生乙酸的主要途径[3]。
运用转座子标签法，通过切断细胞代谢网 络上产生乙酸的途径，来调整代谢过程中 碳源的流向，达到增加丙酸产量或比例的 目的。
利用转座子标签法构建埃氏巨型球菌乙酸生成关键 酶基因缺失工程菌
应用转座子标签法，通过转座子供体菌E.coli S17-1/pZJ25∷Tn5对受体菌埃氏巨型球菌进行转座 子诱变
生态环境污染的生物修复
由于基因的可变性及转座子的遗传调控, 许多微生物能够利用人工合成的化学物质, 与微生物分解代谢相关的基因往往与插入 元件相连。
当环境污染时,转座子转移频率提高, 增加 了微生物种群的生物降解潜力。
Hale Waihona Puke Baidu
IS结构
IS元件具有一个 典型的结构，它
的末端为反向重
复序列，而与其 相连的宿主DNA的 末端为短的正向 重复序列。
在插入部位，IS DNA总是和很短的正向重 复序列（direct repeats）相连。但在插 入之前靶部位只有这两个重复序列中的一 个。转座后在转座子的两侧各存在一个此 序列的拷贝。
• 不是细菌基因组的成分，易于识别 • 可诱导产生，易于制备
7.3细菌转座子的遗传效应和应用
遗传效应
• 插入突变（抗药性、营养缺陷型） • 基因重排（缺失、扩增和倒位）
• 极性效应：不仅能破坏被插入的基因，还可大 大降低位于远离启动子一端的基因的表达
应用
• 随机诱变：通过质粒载体 • 转座子基因打靶技术 • 标签技术
一端的反向重复序列之前或之内，它编码转座酶。
6.2.2 细菌转座子(Tn)
将带有抗性基因并能在不同DNA分子间移动的遗传
单位叫做细菌转座子（bacterial transposon,
Tn） 一般带有抗性基因，容易被鉴定，所以研究得较 为深入 Tn还带有其它基因，如乳糖发酵基因、胞外肠毒 素基因等
第一个转座因子是美国遗传学家McClintock于20世纪50年 代通过对玉米的遗传研究中发现的，现在认为转座子存在 于地球上所有的生物。转座子学说使McClintock荣获1983 年诺贝尔生理医学奖。
6.1.2 转座子的特点
① 是基因组内相对独立的、可移动序列。它们不必借用噬菌体 或质粒的形式就可以从基因组的一个部位直接转移到另一个 部位。 ② 转座子每次移动时携带着转座必需的基因一起在基因组内跃 迁，所以转座子又称跳跃基因（jumping gene）。 ③ 转座子是基因组的正常组成成分，不以独立的形式存在（如 噬菌体或质粒DNA）。 ④ 转座的发生不依赖于转座子和靶位点之间任何的序列同源性。
转座引起的DNA缺失
转座引起的DNA倒位
确定微生物基因组功能
应用转座子及其相关技术, 全面确定了微 生物基因组功能特征, 特别是分支菌属基 因组功能. 例如, 结核分支杆菌模式菌株的必需基因 组及其相关功能均用此类方法得到确认
鉴别菌株及群体多样性
转座子通常限制性地分布于特定的真菌菌 株或群体中, 可以作为特定菌株的诊断工 具. 已用于丝状真菌群体多样性分析.
6.2.5 三种不同类型的转座
① 复制型转座（replicative transposition）：作为自
身移动的一个部分，转座子被复制，一个拷贝仍然保留 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。
② 剪-贴型转座（非复制）
转座元件作为一个物理实体直接由一个部位转
移到另一个部位。
③ 保守型转座（非复制）
保守型转座是另一种非复制型的转座过程，该
过程中转座元件从供体部位被切除并通过一系
列的过程插入到靶部位，在该过程中每个核苷
键皆被保留。 该转座过程与λ的整合机制类似，并且转座酶 与λ整合酶家族有关。
保守型转座
6.2.6 反转座子和反转录病毒
转座元件或转座子是基因组中可移动的独 立的DNA序列 从DNA到DNA的转移过程称为转座 从DNA到RNA再到DNA的过程称为反转座。 反转座是经RNA介导的转座过程，是真核 生物所特有的。
转座的结果是靶部位序列形成了两个正向 重复序列。
当在一段DNA序列中见到这种结构类型时，可被用 来鉴别转座子。
反向重复序列标明了转座子的末端。所有类型转
座子的转座皆需转座酶（transposase）对末端的 识别。 所有的IS元件皆含有一个单一的长编码区，其起 始于一端的反向重复序列之内，而刚好终止于另
⑤ 转座以很低的频率发生（睡美人），而且转座子的插入是随 机的.
6.1.3 转座子的分类
两个基本类型： ① DNA转座子：一种是以编码蛋白质的DNA序列的形
式存在，其编码的蛋白能直接操作DNA，从而使转
座子能够在基因组内繁殖其自身。 ② RNA作为中介：与反转录病毒有关，并且它们可移 动的特性来自于它们能由RNA转录物产生DNA拷贝， 这种DNA拷贝然后被整合到基因组的新位点。
6.2.3 细菌转座子的分类
① 复合转座子
有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
两个IS在Tn中做反向或正向排列，IS可单独转座，也可带动整 个Tn转座。
② 复杂转座子（TnA转座子）
长度约5000bp，两端是长度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。 总是作为一个整体单位进行转座。
埃氏巨型球菌（Megasphaera elsdenii）是奶牛 瘤胃内一种常见的革兰氏阴性乳酸发酵菌，它能 发酵很多种不同的可溶性碳水化合物，利用丙烯 酸途径将乳酸分解为丙酸，或者经乙酰辅酶A途径 在乙酸激酶（AK）和磷酸转乙酰酶（PTA）的作用 下生成乙酸[1]。 奶牛在妊娠后期和泌乳初期及疾病状态下，瘤胃 内发酵菌的数量和比例发生改变，使丙酸生成减 少，而乙酸生成增加[2]。 恢复和重建瘤胃微生物区系，不仅可增强围产期 奶牛的消化功能，增加采食量，还可提高生糖先 质丙酸的生成量，纠正或缓解围产期奶牛能量负 平衡。
IR
IR
IS：插入序列 TnA：复杂转座 子 Tn:复合转座子
IS
IS
6.2.4 细菌转座因子的插入机制
转座子插入到一个新的部位的通常步骤是： 在靶DNA上制造一个交错的切口，然后转座 子与突出的单链末端相连接，并填充切口。
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。链的切口之间 的交错决定了正向重复的长度。
6、微生物中的转座因子
主要内容
6.1 转座子概述
6.2 细菌转座子的类型和结构
6.3 细菌转座子的遗传效应和应用
6.1 转座子概述
6.1.1 概念
转座因子（transposable element, TE）是细胞中能改变 自身座位的一段DNA序列，它可以从复制子的一个座位跳 跃到另一个座位，已从同一个细胞的一个复制子跳跃到另 一个复制子，DNA片断的这种运动称为转座。 这段会跳跃 的DNA片断称为转座子 。
采用含卡那霉素和氟乙酸纳的选择性培养基筛选接 合子，共筛选出稳定的对卡那霉素和氟乙酸具有抗 性的转座工程菌9株。 对埃氏巨型球菌的突变株进行 16S rRNA和Tn5的 PCR鉴定，及乙酸激酶（AK）和磷酸转乙酰酶（PTA） 酶比活力分析，确定突变株属于pta基因缺失型氟 乙酸抗性菌株。
基因治疗新方法：使用转座子进行转基因
《Gene》杂志中报道了一种使用转座子实现真核DNA的目的基 因替代的新方法。这样一个系统可以提供一种基因治疗方法， 避免了目前在基因替代中常用的病毒载体面临的一些问题。 研究者使用一个移动的细菌系统将一个基因转到人DNA的一个 特定位置。一个大肠杆菌转座子将一个抗生素抗性基因转入人 DNA。 这项技术有很多优点。“可以避免使用引起免疫反应的病毒， 将基因放入正确的已知位置，而不是随机插入细胞DNA中，并 且只插入一个拷贝，” 美国和其它国家使用病毒或非病毒载体进行基因治疗已经到了 临床试验阶段。他希望能使用他们的非病毒方法在血友病，镰 刀型细胞贫血症，肌营养失调症和苯丙酮酸尿症患者体内导入 正常功能基因，并通过导入治疗性基因进行癌症的治疗。
6.2 细菌转座子
细菌中可转座的遗传因子可分为四类
插入序列 转座子 接合型转座子
某些温和性噬菌体
6.2.1 插入序列
最简单的转座子，被称为插入序列IS （insertion sequences, IS）。IS元件是 细菌染色体和质粒的正常组成部分，表示 法一般按照发现的顺序或发现人的意愿， 用阿拉伯数字表示，如IS1, IS2等。 IS元件是独立的结构单位，每个元件只编 码为自身转座所需要的蛋白质。
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。 反转录病毒首先被观察到的是以传染性病 毒颗粒的形式存在，并能在细胞间传播； 而反转座子是被当作基因组中的一部分而 被发现的，它们可以在基因组内进行转座， 但不能在细胞间迁移。
7.2.7 Mu噬菌体的转座
转座噬菌体是具有转座功能的一类可引起突 变的溶源性噬菌体，无论是溶源状态还是裂 解状态，总是整合到寄主染色体上。 研究较多的是Mu噬菌体，同一般噬菌体不同， 它可以整合到染色体的任一位点上。 特点
从细菌的代谢途径分析, AK－PTA途径是菌 体产生乙酸的主要途径[3]。
运用转座子标签法，通过切断细胞代谢网 络上产生乙酸的途径，来调整代谢过程中 碳源的流向，达到增加丙酸产量或比例的 目的。
利用转座子标签法构建埃氏巨型球菌乙酸生成关键 酶基因缺失工程菌
应用转座子标签法，通过转座子供体菌E.coli S17-1/pZJ25∷Tn5对受体菌埃氏巨型球菌进行转座 子诱变