遗传学第章转座因子的遗传分析
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遗传学 第九章 转座因子的遗传分析
SINE: 短散在重复序列。如Alu元件。
四、转座作用的分子机制
（一）DNA转座机制 1、复制型转座 P266 2、非复制型转座 P267
9、反转录转座子的转座机制
反转录病毒：
◇ 真核生物中一类RNA病毒，基因组为ssRNA， 含有三个基因：gag、pol和env, gag和env 的产物与RNA的包装和病毒粒子（virion） 的产生有关，pol产物的主要成分是反转录 酶，与核酸合成有关.
2、copia, FB 等
（三）玉米基因组中的转座子
1、McClintock,Ac-Ds系统
Ac：为可自主移动的调节因子，全长4.5Kb, 含有5个外显子，编码转座酶，两端具有11bp的反 向重复序列（IR）。 Ds：来源于Ac，由Ac转座酶基因缺失形成。 Ds不能自主转座。只有在Ac存在时，Ds才能转座。 Ds全长0.4-4Kb,两端同样具有11bp的反向重复序 列（IR）。
第九章 转座因子的遗传分析 一、转座因子的发现与分类
（一）发现
1、玉米的花斑遗传： McClintock,Ac-Ds系统。 转座因子又叫跳跃基因 2、J. Shapiro, IS1被发现。 3、发现转座子（Tn）
（二）分类
1、DNA DNA的转座 （1）复制型转座
（2）非复制型转座
（三）保守型转座
2、反转座子
RNA介导的转座，通过反转录酶将转座子RNA 拷贝为cDNA后，再整合到宿主基因组中。包括 反转录转座子，反转录病毒，LINE, SINE。 （1）反转录转座子 （2）反转录病毒 （3） LINE （4） SINE
二、原核生物中的转座因子
（一）插入序列（IS）
（二）转座子（Tn） 1、复合转座子 如Tn5, Tn10,Tn903。 2、简单转座子 如Tn3等。
四、转座作用的分子机制
（一）DNA转座机制 1、复制型转座 P266 2、非复制型转座 P267
9、反转录转座子的转座机制
反转录病毒：
◇ 真核生物中一类RNA病毒，基因组为ssRNA， 含有三个基因：gag、pol和env, gag和env 的产物与RNA的包装和病毒粒子（virion） 的产生有关，pol产物的主要成分是反转录 酶，与核酸合成有关.
2、copia, FB 等
（三）玉米基因组中的转座子
1、McClintock,Ac-Ds系统
Ac：为可自主移动的调节因子，全长4.5Kb, 含有5个外显子，编码转座酶，两端具有11bp的反 向重复序列（IR）。 Ds：来源于Ac，由Ac转座酶基因缺失形成。 Ds不能自主转座。只有在Ac存在时，Ds才能转座。 Ds全长0.4-4Kb,两端同样具有11bp的反向重复序 列（IR）。
第九章 转座因子的遗传分析 一、转座因子的发现与分类
（一）发现
1、玉米的花斑遗传： McClintock,Ac-Ds系统。 转座因子又叫跳跃基因 2、J. Shapiro, IS1被发现。 3、发现转座子（Tn）
（二）分类
1、DNA DNA的转座 （1）复制型转座
（2）非复制型转座
（三）保守型转座
2、反转座子
RNA介导的转座，通过反转录酶将转座子RNA 拷贝为cDNA后，再整合到宿主基因组中。包括 反转录转座子，反转录病毒，LINE, SINE。 （1）反转录转座子 （2）反转录病毒 （3） LINE （4） SINE
二、原核生物中的转座因子
（一）插入序列（IS）
（二）转座子（Tn） 1、复合转座子 如Tn5, Tn10,Tn903。 2、简单转座子 如Tn3等。
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
转座因子的遗传分析
第一次发现了细菌中的可转移的插入序列
哈工大-遗传学 第八章 遗传重组
DNA转座现象的一般遗传特点：
a) 不依赖 供体位点(Donor site)与 靶位点(Target site)间序 列的同源性(非同源重组过程 ，不依赖 recA 酶) ； b) 转座插入的靶位点并非完全随机； Hotspots (热点) Regional preference ( 在3kb区域内的随机插入)
小段大肠杆菌的片断；
含有IS序列，可随机插入到宿主染色体的任何位置上； 无粘性末端； 转座频率高； IS IS E.Coli DNA
E.Coli DNA
2. Mu插入寄主细胞方式的特点；
是一种温和型的噬菌体，但对寄主的插入位点是非专一性的
3. Mu phage 的基因表达: sv’ u’
●
P
sv u
第一种模式
第二种模式
两种类型的转座机制对比
复制型转座
哈工大-遗传学 第八章 遗传重组
非复制型转座
染色体缺失
染色体倒位
四、转座的遗传学效应 1、转座引起插入突变; 2、转座产生新的基因; 3、转座产生的染色体畸变; 4、调节基因活动的开关； 5、增加同源重组的机率；
哈工大-遗传学
第八章 遗传重组
(3) 保守型转座（conservative tranposition）
哈工大-遗传学
第八章 遗传重组
(一)、复制型转座机制
哈工大-遗传学
第八章 遗传重组
供体
Tn
靶位点
受体
交错切割
共联体
同源重组
共联体
共联体拆分 供体 受体
Tn
哈工大-遗传学 第八章 遗传重组
转座因子1
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。
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。
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）
Байду номын сангаас
转座因子和转座
逆转录病毒颗粒结构
逆转录酶 RNA
资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
gp41 gp120
包膜
基质蛋白
衣壳蛋白
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6.1.1 Genome Structure of Retrovirus
长末端 重复序列
正常的病毒基因
LTR gag
pol
env LTR
调节和 启动转录
资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
Enzymes involved
RNA polymerase
资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
Two fates of RNA:
▪ Translation:作为mRNA 翻译成病毒的蛋白质
▪ Packaging：作为病毒 RNA基因组被装配成新的 病毒颗粒
资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
座
逆转录病毒和反座子的循环 资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
6.1逆转录病毒（Retroviruses）
• 具有包膜，圆球状，直径为 80~120nm
• 基因组是单正链RNA，3.5~9.0kb • 病毒颗粒中有逆转录酶 • 能整合于宿主细胞的染色体
资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
Reverse transcription
• From RNA to DNA
资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
David Baltimore
• 1970 • Reverse
transcription and Reverse transcriptase
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正链病毒 (Plus strand virus)
逆转录酶 RNA
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gp41 gp120
包膜
基质蛋白
衣壳蛋白
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6.1.1 Genome Structure of Retrovirus
长末端 重复序列
正常的病毒基因
LTR gag
pol
env LTR
调节和 启动转录
资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
Enzymes involved
RNA polymerase
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Two fates of RNA:
▪ Translation:作为mRNA 翻译成病毒的蛋白质
▪ Packaging：作为病毒 RNA基因组被装配成新的 病毒颗粒
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座
逆转录病毒和反座子的循环 资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
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6.1逆转录病毒（Retroviruses）
• 具有包膜，圆球状，直径为 80~120nm
• 基因组是单正链RNA，3.5~9.0kb • 病毒颗粒中有逆转录酶 • 能整合于宿主细胞的染色体
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Reverse transcription
• From RNA to DNA
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David Baltimore
• 1970 • Reverse
transcription and Reverse transcriptase
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正链病毒 (Plus strand virus)
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）
转座因子概述
1.插入序列（IS）：简单、只含转座基因，可编码特殊 的酶和调节蛋白，而并不赋予细菌任何表型特征。但 其插入可干扰基因的正常读码序列，导致基因失活或 引起突变，两端有反向重复序列。
反向重复序列 转座酶 反向重复序列
IR
Transposae IR
图1 IS的典型结构
（二）转座因子
2.转座子（Tn）：比IS分子大，除转座基因外， 还有抗药性基因。三类：
2、DNA重排 (缺失、扩增和倒位)
引起插入部位邻近片段的不稳定而产生缺失。以相反方向 转座到邻近位置上，然后发生重组，引起染色体DNA倒位 转座子之间的同源重组，可使两个不同的DNA片段连接在一 起，从而引起DNA的扩增（重复）。 3、极性效应
当转座因子插入到一个操纵子的前端基因时，不仅能破坏 被插入的基因，而且能大大降低远离启动子一端的基因的表达。
（二）转座因子
• 转座:DNA序列通过非同源重组的方式，从染色体某一部位 转移到同一染色体上另一部位或其他染色体上某一部位，或 在质粒与染色体之间转移的现象。
• 原核生物转座因子பைடு நூலகம்要有三类：（根据分子结构和遗传性质， 转座因子可分为3类： ）
1.插入序列（IS，insertion sequence） 2.转座子（Tn，transposon，又称转位子，易位子） 3.Mu噬菌体（即mutator phage，诱变噬菌体）
转座子 扩增（重复）
Transposon mutagenesis 转座子诱变
插入
基因2被破坏，基因3和4的表达受影响
极性效应
3. 诱变噬菌体（转座噬菌体）：具有转座功能的一类可
引起突变的温和性噬菌体。 Mu噬菌体与其它温和性噬菌 体的差别： Mu的基因组无论进入裂解周期或处于溶源状 态均可整合到宿主染色体上，而且整合的部位是随机的， 即它同时具有温和噬菌体和转座因子的双重功效。
转座因子新版
在交叉构造中，其交错末端都具有单链区，此单链区是为 DNA合成提供模板旳假复制叉(pseudoreplication forks)，假如复 制从二个假复制叉继续进行，那么将经过转座子并在其末端终 止，从而形成二个拷贝旳转座子。
供体和受体形成旳这种构造称为共整合体(cointegrate)。
所谓共整合体，就是两个或两个以上旳复制子经过共价键连 接在一起。共整合体在原来两个分子之间结合处具有两个转 座子旳拷贝，方向为正向反复。
IS21 2132 10/11 4
2
R68-45(铜绿假单孢菌
IS50 1534 8/9
9
3
Tn5(肠杆菌)
IS51 1311 26/26
3
2 萨氏假单胞菌
(Pseudomonase savastanoi)
IS91 1800 8/9
0
1 pSU233(肠杆菌)
IS150 1443 19/24 3
(4) 交错末端旳产生和填充解释了在插入部位产生靶DNA正 向反复旳原因。
转座因子旳插入引起靶序列反复 靶序列反复旳产生过程
图10-5 转座因子旳插入机制
2. 细菌转座因子旳转座模型
(1) 剪-贴型转座(cut-and-paste transposition)
此类转座又叫简朴插入，是一种非复制型转座过程。
5 Shigella flexneri
Tn501 8200 Hgr 38
5 Pseudomonase aeruginosa
Tn1000 (Υδ) 5800 无 37
5 E. coli
起源于G＋ 细菌
Tn551 5300 Ery(erythromycin) 35 5 Staphylococcus aureus
供体和受体形成旳这种构造称为共整合体(cointegrate)。
所谓共整合体，就是两个或两个以上旳复制子经过共价键连 接在一起。共整合体在原来两个分子之间结合处具有两个转 座子旳拷贝，方向为正向反复。
IS21 2132 10/11 4
2
R68-45(铜绿假单孢菌
IS50 1534 8/9
9
3
Tn5(肠杆菌)
IS51 1311 26/26
3
2 萨氏假单胞菌
(Pseudomonase savastanoi)
IS91 1800 8/9
0
1 pSU233(肠杆菌)
IS150 1443 19/24 3
(4) 交错末端旳产生和填充解释了在插入部位产生靶DNA正 向反复旳原因。
转座因子旳插入引起靶序列反复 靶序列反复旳产生过程
图10-5 转座因子旳插入机制
2. 细菌转座因子旳转座模型
(1) 剪-贴型转座(cut-and-paste transposition)
此类转座又叫简朴插入，是一种非复制型转座过程。
5 Shigella flexneri
Tn501 8200 Hgr 38
5 Pseudomonase aeruginosa
Tn1000 (Υδ) 5800 无 37
5 E. coli
起源于G＋ 细菌
Tn551 5300 Ery(erythromycin) 35 5 Staphylococcus aureus
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.
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原 核 转 座 子
IS
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原 核 转 座 子
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。
遗传学(第3版)第13章 转座因子的结构与功能
根据大量遗传学和细胞学研究结果, McClintock于 1951年提出了“ 转座因子”学说。 这些转座因子既可以沿染色体移动，也可以在不同染色体之间跳跃 ——又称为跳跃基因（jumping gene） 。 这是遗传学发展史中划时代的重大发现，将基因概念向前推进了一 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（图 13-3），这一 成果才被接受。
即：一个拷贝仍在原位，而另一个同样的拷贝插入新的位点。 在该转座过程中，伴随着转座子的拷贝数的增加。
复制转座由两种酶催化：转座酶 作用于原转座子的末端
解离酶 对已复制的拷贝起作用 TnA等一组相关的转座子的移动仅由复制转座机理而进行。 图-复制转座模型
RR
（2）非复制型转座 非复制转座： 转座因子作为一个物质实体（Physical entity） 直接从一个位点移向另一个位点（site）, 在 供体位点留下一个双链打断的断口。若不被修复 则将对供体基因组是致死的，插入序列和复合转
13.2.2 转座子
（1）复合转座子（composite transposons） 结构：比IS长得多，自身转座基因＋其它基因（抗药性基因） 不同的复合转座子的抗性标记不同 复合转座子两端的组件由IS和类IS组成 “两端”我们称为“Arms”， “Arms”可以是同方向的、也可以是反方向的。 一般，当一个复合型转座子两侧组件不同时，该转座子的转座作用主要依靠其中 一个组件的功能（Tn10中，IS10R） 维持复合型转座子的一个主要动力是对中心区所携带的标志的选择。一个 IS10结 构单位自身可以随意地移动，并且比Tn10的移动频率高一个数量级。 但对Tetr的选择可使Tn10维持在一起，因此在选择的条件下，完整的Tn10的转座 频率可明显增加。 IS元件所编码的转座酶的活性负责识别一个靶部位和识别转座子的末端。只有转 座子的末端可以作为转座的底物。
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转座子未端序列是转座酶识别位点（保守性很强）。
四 人类基因组中的转座子
人类基因组中的几种主要转座子
第五节 转座因子的遗传学效应及应用
一 引起染色体结构变异
由转座子 引起的染 色体DNA 缺失或倒 位
二 诱发基因突变与启动外显子混编
双转座启动不同基因间的外显子混编
三 调节基因表达
转座子调节宿主基因表达
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
认
因
为
子
是
引
双
起
突
花
变
斑
导
致
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。
由几个基因组成特定的DNA片段常带抗菌素抗性 基因，易于鉴定。
转座子可以分为以下两种系统： ①. 复合转座子：IS因子抗菌素抗性片段 IS因子 。 ② 简单转座子：不含IS因子的Tn转座子。
复合转座子与简单转座子结构
三 Mu噬菌体（Mu）：
是E. coli 的温和噬菌体，溶源化后能起转座子作用。 Mu噬菌体也含有与转座有关的基因和反向重复序列。 Mu能够整合进寄主染色体，催化一系列染色体的重新 排列。
三 反转录转座子
❖ 转座元件或转座子是基因组中可移动的独立的 DNA序列，一个转座子可由基因组的一个位置移 到另一个位置。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。
❖ 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）。
四 产生新的变异
转座因子携带新基因，如抗生素抗性基因； 使宿主基因发生重新组合或表达。
转座因子有时也会失活，失活主要与DNA甲基化有关。 表观遗传学：研究在DNA序列不出现变化的情况下基因表达
出现可遗传变化的科学。
❖ 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。
第二节 原核生物中的转座因子
根据分子结构与遗传特性可以分为三类。
一．插入因子（insertion sequence，IS）
具有转座能力的简单遗传因子，长度一般小于2kb， 最少的插入序列如 IS1 仅768bp。
IS因子本身没有任何表型效应，只含与转座有关的基 因与序列。共同特征是在其末端都具有一段反向重复序列 （IR）。
IS 结 模 式
茎环结构的形成
二 转座子（transposons）
二 果蝇基因组 中的转座子
果蝇的P因子与杂种劣势
果蝇中的3种转座子结构
三 玉米基因组中的转座子
玉米籽粒色斑的产生、果蝇复眼颜色的变异、啤酒酵母 接合的转换等现象都与转座因子在染色体上的转座有关。
玉米除Ac-Ds系统外，Spm控制因子也有自主控制因子 非自主控制因子。
Ac因子由4563个核苷酸组成 一个由11个核苷酸组成 的未端反向重复区两个与转座有关的酶基因（一个大基因 和一个小基因）。
第十一章 转座因子的遗传分析
第一节 转座因子的发现与分类
转座遗传因子又叫可移动因子，是指一段特定DNA 序列。由McClintock在玉米上首先发现遗传学发展史上 的重要里程碑之一。
转座遗传因子可在染色体组内移动，从一个位点切除， 插入到一个新的位点 引起基因的突变或染色体重组。
一 转座因子的发现
（2） 非复制型转座 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 ❖ 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。
Ds因子的大小差别很大。Ds9很象Ac，只是缺失了一些 核苷酸。而一个最小的Ds因子只有Ac长度的1/10，仅仅包括 了Ac因子的未端反向重复区。
来自不同植物种的元件往往有其共同的未端序列 同一家簇各成员的未端倒位重复存在某种程度的序列同源， 其长度（6~13bp）和结构保守。
例如Ac和Ds的未端倒位重复几乎一样。但有一个 不同之处：Ac两端最外边的核苷酸是彼此不互补的T-G、 Ds是互补的T-A。
Ac可以像普通基因一样进行传递，但有时表现很特殊， 可以离开原座位转移到同一个或不同染色体的另一座位。
Ds也能移动，不过只有在Ac存在时才能发生。
McClintock把Ac和Ds称为控制因子或转座因子 “控制因子”假说。
Ds转座导致籽粒斑点表型
插入成分IS序列是在细菌中首次发现的跳跃基因，并在分子水平上得到证实
美国遗传学家巴巴拉．麦克林托克（B．McClintock） 30年代初做出的发现、 40年代提出的理论，到60年代末终于被重新提起，80年代初为科学界普遍接 受。
1983年, 麦克林托克由于发现了可移动的遗传物质，被授予诺贝尔医学奖。
二 DNA转座
3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。
Mu位点特异性的倒置
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。
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
酵母Ty1的转座
四 人类基因组中的转座子
人类基因组中的几种主要转座子
第五节 转座因子的遗传学效应及应用
一 引起染色体结构变异
由转座子 引起的染 色体DNA 缺失或倒 位
二 诱发基因突变与启动外显子混编
双转座启动不同基因间的外显子混编
三 调节基因表达
转座子调节宿主基因表达
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
认
因
为
子
是
引
双
起
突
花
变
斑
导
致
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。
由几个基因组成特定的DNA片段常带抗菌素抗性 基因，易于鉴定。
转座子可以分为以下两种系统： ①. 复合转座子：IS因子抗菌素抗性片段 IS因子 。 ② 简单转座子：不含IS因子的Tn转座子。
复合转座子与简单转座子结构
三 Mu噬菌体（Mu）：
是E. coli 的温和噬菌体，溶源化后能起转座子作用。 Mu噬菌体也含有与转座有关的基因和反向重复序列。 Mu能够整合进寄主染色体，催化一系列染色体的重新 排列。
三 反转录转座子
❖ 转座元件或转座子是基因组中可移动的独立的 DNA序列，一个转座子可由基因组的一个位置移 到另一个位置。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。
❖ 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）。
四 产生新的变异
转座因子携带新基因，如抗生素抗性基因； 使宿主基因发生重新组合或表达。
转座因子有时也会失活，失活主要与DNA甲基化有关。 表观遗传学：研究在DNA序列不出现变化的情况下基因表达
出现可遗传变化的科学。
❖ 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。
第二节 原核生物中的转座因子
根据分子结构与遗传特性可以分为三类。
一．插入因子（insertion sequence，IS）
具有转座能力的简单遗传因子，长度一般小于2kb， 最少的插入序列如 IS1 仅768bp。
IS因子本身没有任何表型效应，只含与转座有关的基 因与序列。共同特征是在其末端都具有一段反向重复序列 （IR）。
IS 结 模 式
茎环结构的形成
二 转座子（transposons）
二 果蝇基因组 中的转座子
果蝇的P因子与杂种劣势
果蝇中的3种转座子结构
三 玉米基因组中的转座子
玉米籽粒色斑的产生、果蝇复眼颜色的变异、啤酒酵母 接合的转换等现象都与转座因子在染色体上的转座有关。
玉米除Ac-Ds系统外，Spm控制因子也有自主控制因子 非自主控制因子。
Ac因子由4563个核苷酸组成 一个由11个核苷酸组成 的未端反向重复区两个与转座有关的酶基因（一个大基因 和一个小基因）。
第十一章 转座因子的遗传分析
第一节 转座因子的发现与分类
转座遗传因子又叫可移动因子，是指一段特定DNA 序列。由McClintock在玉米上首先发现遗传学发展史上 的重要里程碑之一。
转座遗传因子可在染色体组内移动，从一个位点切除， 插入到一个新的位点 引起基因的突变或染色体重组。
一 转座因子的发现
（2） 非复制型转座 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 ❖ 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。
Ds因子的大小差别很大。Ds9很象Ac，只是缺失了一些 核苷酸。而一个最小的Ds因子只有Ac长度的1/10，仅仅包括 了Ac因子的未端反向重复区。
来自不同植物种的元件往往有其共同的未端序列 同一家簇各成员的未端倒位重复存在某种程度的序列同源， 其长度（6~13bp）和结构保守。
例如Ac和Ds的未端倒位重复几乎一样。但有一个 不同之处：Ac两端最外边的核苷酸是彼此不互补的T-G、 Ds是互补的T-A。
Ac可以像普通基因一样进行传递，但有时表现很特殊， 可以离开原座位转移到同一个或不同染色体的另一座位。
Ds也能移动，不过只有在Ac存在时才能发生。
McClintock把Ac和Ds称为控制因子或转座因子 “控制因子”假说。
Ds转座导致籽粒斑点表型
插入成分IS序列是在细菌中首次发现的跳跃基因，并在分子水平上得到证实
美国遗传学家巴巴拉．麦克林托克（B．McClintock） 30年代初做出的发现、 40年代提出的理论，到60年代末终于被重新提起，80年代初为科学界普遍接 受。
1983年, 麦克林托克由于发现了可移动的遗传物质，被授予诺贝尔医学奖。
二 DNA转座
3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。
Mu位点特异性的倒置
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。
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
酵母Ty1的转座