第十一章 转座因子的遗传分析

第三节、 真核生物中的转座子
（一）、玉米中的控制因子 （二）、果蝇中的P因子 （三）、反转录病毒和反转录子
三、 真核生物的转座因子
（一）、玉米中的控制因子

1938年Marcus Rhoades首次发现不稳定突变等位基因 （unstable mutant allele），即一种回复突变率很高的 等 位基因。不稳定是取决于不连锁的Dt基因的存在。 McClintock。1940～1950描述了大量的控制因子
A1 A1 dt dt
双突变
A1 a1 Dt dt
自交
9/16 3/16 A1-D1- A1- dt dt
A1: 控制色素形成 Dt: 控制产生斑点
3/16 a1a1Dt-
1/16 a1a1d1d1
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： （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。
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。
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
IR 38
Fra Baidu bibliotek
tnpA
GUA -58
Ⅰ 0
Ⅱ
Ⅲ
AUG +105
tnpR
mRNA
mRNA 图 23-34 TnA 的结构和转录
转座噬菌体（Transposable phage）
具有转座功能的溶源性噬菌体，包括Mu 和D108等。 Mu噬菌体是大肠杆菌的一种温和噬菌体，几乎可以插入到
宿主基因组的任何位置，以转座复制的形式实现噬菌体增殖， 转座频率高，引起被插入的基因突变，故称为Mu噬菌体 （mutator phage）。（详见教材p.260）
表 23-4 IS 的结构和功能 DR(bp) IR(bp) 中心区 域(bp) IS 1 IS2 IS4 IS5 IS10R IS50R IS903 9 5 11～13 4 9 9 9 23 41 18 16 22 9 18 768 1327 1428 1195 1329 1531 1057 随机 热点 AAN20TTT 热点 NGCTNAGCN 热点 随机 5～8 5 (在 F 因子上为 1) 1或2 ？ 靶的选择 拷贝数
关的基因（编码转座酶）及抗生素抗性基因。总是作为一个 单位进行转座，其末端不能单独转座。 接合型Tn：
2．复合转座子（transposon，Tn）
转座子（Tn）的结构特征： (1)、是一类较大的转座因子，分子大小20000～
25000np。 (2)除了含有与转座有关的基因外，还带有抗药基因以 及其它基因。 (3)两端为IS序列。（因为带IS序列故称为复合转座子）
KanR
CamR TetR
IS 1 IS 10R IS 10L
正向
推测相同
预计有功能 有功能
反向
有 2.5%的差异
无功能 有功能
Tn5
5700
KanR
IS 50R IS 50L 反向 1 bp 的改变
无功能
3、TnA家族
TnA家族的结构特征：
(a)、是一类较大的转座因子，分子大小2000～
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）。 (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 。
25000np。 (b)除了含有与转座有关的基因外，还带有抗药基因 以及其它基因。如Tn3含有3个基因：编码β-内酰胺 酶的氨苄青霉素抗性基因（ampk），转座酶基因 （tnpA）和编一种阻遏物的调节基因（tnpk）。 (c)两端为IR。
转录单位
IR 38 tnpA 3066
res
19 tnpR 558 amp R 861
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）： 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：
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。
IS 组件相同，方向相反 >>>>> ISL IS 组件 中的 IR camR >>>>> ISR IS 组件 中的 IR
图 23-31 复合转座子结构的(Tn9)
表 23-5 复合转座子的结构和功能 转 座 因子 Tn90 3 Tn9 Tn10 2500 9300 长 度 (bp) 3100 遗 传 标记 末 端 组 件 IS903 反向 相同 二者皆有功能 方向 二组件的关系 组件的功能
果蝇的P因子与杂种不育（hybrid dysgenesis）
P型（父本贡献的，paternal contributing） M型（母本贡献的，maternal contributing） P（♀）× M（♂）
↓
后代可育 M（♀）× P（♂）
↓
后代不育
而 P （♂）×P（♀）和 M （♂）×M（♀） 后代均可育
短 RNA 长 RNA 保留内含子 3 体细胞 mRNA 阅读框
66KD 阻遏物 生殖细胞 mRNA 阅读框
87KD 转座酶 图 23-56 P 因子有 4 个外显子。在体细胞中前 3 个拼接在一 起表达；在生殖细胞中 4 个外显子拼接在一起表达。 (仿 B.Lewin:《GENES》 Ⅵ,1997, Fig.18.26)
荣获诺贝尔奖。
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）
（二）、果蝇的转座子
果蝇中的至少可以分为三类：P因子、FB因子和
Copia因子 P因子
果蝇的P因子有两种类型： 1、全长P因子：长2907bp，两端有33bp反向重复序列，有4个
外显子，编码转座酶。 2、缺失型转座子：它不能编码转座酶，转座需要全长P因子。
P 因子
内含子 1 内含子 2 内含子 3 ORF0 ORF1 ORF2 ORF3 转录
不稳定遗传现象，于1951年，第一次提出转座因子的概念。因 为玉米中发现的转座因子除了具有转座的特性外，还具有调节其 他基因的作用。又称之为控制因子（Controlling elements）。 其中一个称之为解离因子（DS，dissociation），DS插入 色素基因C的近旁或中间时，玉米籽粒不能形成色素，当DS离 开C基因后，抑制作用被解除。Ds的解离又受另一控制因子—激 活因子（Ac，activator）的影响。Ac可位于基因组中任何其他 地方。Ac丢失，Ds趋向稳定。 Ac的作用是自主的，而Ds行为却依赖于Ac，这是因为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。只是Ds基因不同程度的缺失中间序列，如丢失产生 转座所需要有关酶—转位酶。
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 细胞型 66KD 阻遏物
66K
阻遏物 抑制所 有P因 子 转 座 P 因 子 合成转 座 酶
雄性染色体 P 因子
ORF0 ORF1 ORF2 ORF3
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： （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 （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。
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。
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。
A1 A1 dt dt
双突变
A1 a1 Dt dt
自交
9/16 3/16 A1-D1- A1- dt dt
A1: 控制色素形成 Dt: 控制产生斑点
3/16 a1a1Dt-
1/16 a1a1d1d1
玉米花斑表型的遗传学解释。
（一）、玉米的控制系统
1932年，美国玉米遗传学家B．McClintock发现玉米籽粒色斑
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。
转座子中的转位酶常称为转座酶，其功能是介导转 座子插入到DNA的其它部位。
复合型Tn：由一个基因序列及两侧臂组成。两侧臂为IS序列。 TnA族T n:两端是正向或反向重复序列，中间有与Tn功能相
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。
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：