1、第十三章 转座子 Chapter 13 Transposon,主 要 内 容,1. 转座子的定义 2. 转座子的转座特点 3. 转座子的分类 4. 转座机制 5. 转座类型 6. 转座引起的遗传学效应 7. 玉米中的控制元件 8. 果蝇中的 P 元件 9. 反转录病毒和反转录转座子,1 转座子的定义,能将自身插入基因组新位置的DNA序列。,（1） 基因组内移动； （2） 不依赖于供体与受体间的序列关系； （3） 一般仅移动转座子序列本身。,2 转座子的转座特点,3.1 简单转座子（插入序列）Simple transposon （ insertion sequence）结构特征 和 转座特点3.
2、2 复合转座子 (Composite transposon)结构特征 和 转座特点,3. 转座子的分类,插入序列的结构特征,（1）含短的末端反向重复序列; （2）含编码转座酶的基因; （3）靶位点存在 5-9 bp 的短正向重复序列。,In this example, the target is a 5 bp sequence. The ends of the transposon consist of inverted repeats of 9 bp.,插入序列的转座特点,作为一个整体进行转座。,复合转座子的结构特征,(1)中间区域含编码转座酶以外的标记基因； (2)两端具有插入序列； (3
3、)两末端是反向重复序列； (4)靶位点存在短正向重复序列。,The arms may be in either the same or (more commonly) inverted orientation.,the arms are inverted repeats,the arms that are direct repeats,A composite transposon has a central region carrying markers flanked by IS modules.,可以作为一个整体进行转座； 含有的一个或两个IS元件也可进行单独转座。,复合转座子的转座特点,
4、4 转座机制,所有转座子的共同机制：在靶DNA上造成交错切口，转座子与突出的末端相连，填补缺口。,据转座子的移动机制，可分为：复制型转座（replicative transposition） 非复制型转座（nonreplicative transposition） 保守型转座（conservative transposition）,5 转座类型,Replicative transposition,Nonreplicative transposition,Conservative transposition,6 转座引起的遗传学效应,（1）引起插入突变 （2）产生新的基因 （3）引起生物进化 （
5、4）引起染色体畸变,注：转座引起DNA重排（Rearrangement),转座子多个拷贝之间的同源重组引起宿主DNA的重排； 转座子重复序列间的同源重组导致精确或不精确切除。,A major cause of sequence change within a genome is the movement of a transposon to a new site. This may have direct consequences on gene expression. Unequal crossing-over between related sequences causes rearran
6、gements. Copies of transposons can provide targets for such events.,Reciprocal recombination between direct repeats excises the material between them; each product of recombination has one copy of the direct repeat.,Reciprocal recombination between inverted repeats inverts the region between them.,7
7、 玉米中的控制元件,7.1 玉米控制元件概述 7.2 转座产生的遗传学效应,7.1 玉米控制元件概述,玉米基因组中含有几个控制元件家族。每个家族的成员可分为两类： （1）自主控制元件Autonomous controlling element 特点：具外切和转座的能力(2) 非自主控制元件Nonautonomous controlling element特点：稳定；可被自主控制元件激活,G,DNA: 4.6 kb; RNA: 3.5 kb; ORF: 807 aa,194 bp,2.6 kb bp,11bp / 8bp,7.2 转座产生的遗传学效应, 转座与染色体断裂：断裂产生有着丝粒及无着丝
8、粒的两种染色体片段； 转座与斑驳（variegation)效应：染色体断端间融合产生双着丝粒染色体，它会进入进一步的断裂和融合循环，造成斑驳效应。,cl,cl,cl,Ds provides a site to initiate the chromatid fusion-bridge-breakage cycle. The products can be followed by clonal analysis.,8 果蝇中的 P 因子, 黑腹果蝇的两个杂种败育（hybrid dysgenesis)系统: I / R ( inducer / reactive) 型和 P / M ( paterna
9、l contributing / maternal contributing )型 ； P 因子（P element）是黑腹果蝇P品系而不是M品系所携带的转座子； P 因子的在黑腹果蝇中呈现组织特异性表达； 组织特异性表达与杂种败育的关系。,P element splicing is tissue-specific,内含子3的剪接是转座所必需的。 体细胞中有一种与外显子3序列结合的蛋白质，它可阻止最后一个内含子的剪接。 生殖细胞中这种蛋白质的缺失使剪接产生了编码转座酶的mRNA。,31bp / 8bp,注 意,在P品系中，即使P因子存在，一定也有足够的蛋白质阻止转座发生。M品系则缺乏P因子，所
10、以没有P因子转座阻抑物。 在任何涉及P雌蝇的杂交中，卵细胞中阻抑物的存在抑制了转座酶的合成或活性。 但如果雌蝇是M型，则卵细胞中没有阻抑物，那么引入雄蝇的P因子会使生殖细胞中出现转座酶活性。这种杂交产生的后代表现“败育性状”，产生一系缺陷，如突变、染色体畸变、减数分裂不正常以及不育。,P elements are controlled by a repressor,9 反转录病毒和反转录转座子,9.1 引 言 9.2 反转录病毒生命周期 9.3 反转录病毒基因的编码产物 9.4 反转录病毒中DNA的产生 9.5 病毒DNA整合到染色体 9.6 反转录病毒转导细胞基因组序列 9.7 反转录转座子
11、分为三种类型,9.1 引言,必需中间体RNA参与的转座(Transposition)是真核 生物所独有。 反转录转座子（Retrosposon, retrotransposon): 以RNA形式移动的转座子，DNA元件转录成RNA，再反转录为DNA, 然后插入基因组中某一新位点。 RNA依赖型转座子范围非常广泛如：能自由地感染宿主细胞的反转录病毒自身；以RNA为中间体进行转座的DNA序列；以及本身不具有转座能力的元件。,9.2 反转录病毒生命周期,反转录毒（retrovirus）含有单链RNA基因组的两份拷贝； 整合的原病毒是双链DNA序列； 反转录病毒通过将其基因组反转录而产生原病毒； 负责
12、将RNA转变为DNA的酶是反转录酶 (reverse transcriptase), 整合酶 (integrase) 负责将DNA整合到宿主基因组中，这两种酶均由病毒基因组编码; 反转录病毒生命周期包括转座样事件。,艾滋病病毒 (HIV),反转录病毒颗粒示意图 (P295),Retrovirus replication (The retrovirus life cycle p312),逆转录病毒的繁殖周期, 吸附于细胞表面的受体； 核侵入宿主细胞； 病毒RNA转录为DNA； 以DNA为模板复制DNA； 部分整合于宿主细胞DNA形成前病毒； 前病毒利用宿主RNA聚合酶合成病毒RNA； RNA再翻
13、译成蛋白质； 病毒粒的装配； 病毒的出芽及包膜的形成。,The reproductive cycles of retroviruses and retroposons involve alternation of reverse transcription from RNA to DNA with transcription from DNA to RNA. Only retroviruses can generate infectious particles. Retroposons are confined to an intracellular cycle.,The retrovirus
14、 life cycle involves transposition-like events,reverse transcriptase,integrase,RNADNA RNA,9.3 反转录病毒基因的编码产物, 典型的反转录病毒含有3条基因：gag, pol, env ; 反转录病毒的编码产物是多聚蛋白质； Gag和Pol蛋白由基因组的全长转录物翻译而来； Pol蛋白的翻译需要核糖体移码； Env由剪接过程产生的一种独立的mRNA翻译而来； 三种蛋白质产物的每一种都可由蛋白酶加工产生出多种蛋白;,The genes of the retrovirus are expressed as po
15、lyproteins that are processed into individual products.,5%,反转录病毒颗粒示意图 (P295),gag,gag,gag,env,env,pol,pol,pol,9.4 反转录病毒中DNA的产生, 病毒RNA的每一个末端都有短重复序列(R), 因而5和3端分别称为R-U5和U3-R； tRNA引物结合到5端的100200 bp位点后，反转录酶开始合成负链DNA； 当酶到达末端，RNA的5端就降解，接着露出DNA产物的3端； 暴露出的3端与另一个RNA基因组的3端配对； 合成继续进行，其产物两端都产生重复序列，重复结构为U3-R-U5； 当
16、反转录酶利用DNA产物为模板合成互补链时，发生相似的链转换, 最终形成双链DNA。,Retroviral RNA ends in direct repeats (R), the free linear DNA ends in LTRs, and the provirus ends in LTRs that are shortened by two bases each.,Minus strand DNA is generated by switching templates during reverse transcription.,Synthesis of plus strand DNA r
17、equires a second jump.,Minus strand DNA is generated by switching templates during reverse transcription. Synthesis of plus strand DNA requires a second jump.,9.5 病毒DNA整合到染色体,原病毒两个末端的LTR是相同的，U5的3端由一个与U3的5端相关的短反向重复序列组成，LTR本身两端是以短的反向重复序列结尾。 原病毒DNA在染色体上的组织与转座子相同，在靶位点，原病毒的两侧都有短的同向重复序列； 线性DNA被反转录病毒的整合酶直接
18、插入到宿主染色体上； 整合过程中反转录病毒序列的两端各丢失2个碱基对。,Integrase is the only viral protein required for the integration reaction, in which each LTR loses 2 bp and is inserted between 46 bp repeats of target DNA.,9.6 反转录病毒转导细胞基因组序列,转导病毒(transducing virus) :病毒基因组上带有宿主基因组的部分序列, 这部分序列代替了病毒自身的部分序列。 复制缺陷型病毒（replication-defe
19、ctive virus）：指缺少一条或者多条侵染周期所必需的基因的病毒，它由在转导的病毒中被宿主DNA所代替或突变所引起。 辅助病毒（helper virus） 提供缺陷型病毒缺乏的功能，使后者能在混合感染时，完成侵染循环。,Replication-defective transforming viruses have a cellular sequence substituted for part of the viral sequence. The defective virus may replicate with the assistance of a helper virus tha
20、t carries the wild-type functions.,Replication-defective viruses may be generated through integration and deletion of a viral genome to generate a fused viral-cellular transcript that is packaged with a normal RNA genome. Nonhomologous recombination is necessary to generate the replication-defective
21、 transforming genome.,R-U5,U3-R,A transforming retrovirus carries a copy of a cellular sequence in place of some of its own gene(s).,9.7 反转录转座子分为三种类型,病毒超家族反转录转座子是以不产生感染性颗粒的RNA为中间体进行转座的一类转座子； 某些反转录转座子类似于反转录病毒，因为它们使用LTR，但有些并不具有LTR； 其它元件以RNA为中间体进行转座，但其本身并不编码能催化转座的酶； 转座子和反转录转座子几乎占人类基因组的一半。,Retroposons c
22、an be divided into the viral superfamilies that are retrovirus-like or LINES and the nonviral superfamilies that do not have coding functions.,Mammalian genomes have three types of retroposons,Retroposons that are closely related to retroviruses have a similar organization, but LINES share only the
23、reverse transcriptase activity.,Retrotransposition of non-LTR elements occurs by nicking the target to provide a primer for cDNA synthesis on an RNA template. The arrowheads indicate 3 ends. For example, LINES do not have LTRs and require the retroposon to code for an endonuclease that generates a nick to prime reverse transcription,Priming results from nicking,Four types of transposable elements constitute almost half of the human genome.,
