1、第10章 转座子在基因工程中的应用,1.美国遗传学家BMcClintock的转座学说 2. 转座子类型 3. 转座机制 4. 转座子在基因工程中的应用,1.美国遗传学家BMcClintock的转座学说,1951年，提出其六年的研究成果跳跃基因学说。此学说指出：玉米的染色体中含有跳跃基因，可于染色体上依状况进行移动，而此基因可控制或影响某些构造基因的表达。 1956年再次阐述跳跃基因学说与相关的机制 1970年代末期，分子生物学有进一步的发展后，她的理论才渐渐受到重视与认同，于1983年，获得诺贝尔生理医学奖,Ac(Activator) :自主性转座子，自己能编码转位酶，能自由地在基因组中转座.
2、 Ds(Dissociation):非自主性转座子，本身不能编码转位酶，必须依靠Ac转座子产生的转位酶才能产生转座.（玉米色素基因C附近有Ds),SAc: Stable Ac ,去掉Ac中转座酶识别序列,Ac-Ds转座系统,转座子是染色体DNA上可复制和移动的DNA序列。一段DNA顺序可以从原位上单独复制或断裂下来，环化后插入另一位点，并对其后的基因起调控作用，此过程称转座。这段序列称跳跃基因或转座子，可分插入序列（ insertion sequence， IS）、转座子（ transposon，Tn）、Mu 噬菌体（ Mu phage）。按转座方式分复制性和非复制性转座子。,2. 转座子类型
3、,2.1 原核生物中的转座因子,IS是最简单的转座因子，不含任何宿主基因的可转位的DNA序列称为插入序列。它们是细菌染色体或质粒DNA 的正常组成部分。,(1) 插入序列IS,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，称为转座酶基因。,除IS1以外，所有已知IS序列都只有一个开放阅读框（ open reading frame，ORF） ，翻译起始位点紧接第一个反向重复区，终止点位于第二个反向重复区或重复区附近。IS1含有两个分开的读码框，只有移码通读才能产生功能型转座酶。一般情况下，每个IS转座频率是10 4 10 3世代，恢复频率则低得多，为10 7 10 6世代。,(2) 转
4、座子Tn,Tn是一类较大的转座子，除了含有与转座作用有关基因外，还带有抗药基因以及其他基因，如乳糖发酵基因,因此Tn的转座能使宿主菌获得有关基因的特性。Tn分子大小一般在2 25kb，两端有相同序列，如IR。 某些Tn的IR便是已知的IS，带有IS的Tn也称为复合转座子（ composite transposon） 。Tn5、Tn10和Tn903都属于复合转座子. 不含IS的Tn称为简单转座子（ simple transposon） ，如Tn3等,无论是IS或Tn的两端都有反向重复序列，两端反向重复序列的存在与它们的转座功能密切相关。如Tn3的两个IR中任一个顺式作用元件缺失都会阻止转座。,T
5、nA转座子家族,（3）转座噬菌体,1963年发现了一种特殊的噬菌体，称为Mu（ mutator phage），它是大肠杆菌的一种温和噬菌体，M u几乎可插入宿主染色体任何一个位置上。它 的两端没有黏性末端，插入某基因中就引起该基因突变。其整合方式不同于 噬菌体，而类似于转座因子的作用。,Mu是DNA噬菌体，含有38kb线状DNA，两端各带一小段大肠杆菌的DNA，这与该噬菌体插入大肠杆菌染色体上有关。,M u的转座频率比一般的转座子要高。Mu的复制能力和它的转座能力是密切相关的，M u的生存依靠转座，复制转座是其正常生活史中的一种方式。在转座过程中，它摆脱两端原有的细菌DNA 而转座到新的某个位
6、点上。,它是以两种方式转座。在感染宿主细胞时，Mu 不经复制便整合进宿主基因组；在溶菌周期中，拷贝数通过复制转座而扩增。两种方式的转座在转座子和靶位点间有相同反应机制，但反应结果不同,2.2 真核生物中的转座因子,（1）酵母菌基因组中的转座子,目前在酵母中研究得较清楚的转座子是Ty（ transposon yeast，Ty）系列,它们的一般长度约为5 900 bp，两端含有两个称为的同向长末端重复序列（ LTR） ，长度约340 bp。 因子大约由70%的AT组成，每一个 因子都含有一个启动子和一段被转座酶识别的序列,Ty1因子只编码一条长5.7kb的mRNA，转录的启动子位于Ty1因子左端的
7、LTR之中。mRNA编码两种蛋白质。在某些酵母品系中，Ty1因子可多达35个拷贝，但拷贝数因品系不同而有差别。Ty1因子转座是通过一种RNA 中间产物进行的，其过程类似反转录病毒的复制与整合，所以Ty1因子也称作反转录转座子。一般认为Ty1因子转座时，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新的Ty1因子，最后这条新的Ty1转座子再插入到新的位点上,酿酒酵母中有控制a与 两种接合型的两个基因a与 。这两个基因都能转座。 当a 基因从它的位置HMR转座到MAT位置后便能表达，细胞就成为a接合型； 当 基因从它的位置HM L转座到MAT后，原来在M AT上的a基因消失，
8、 基因得以表达，细胞便能转换成 接合型。这两个转座子具有明显的生理功能，它们与其他转座子不同之处是只能转座到M AT这一个位置上，而其他的转座子几乎可以转座到该基因组中任何位置上。 酵母接合型相互转换是属于复制型转座。,果蝇中的转座子除了P因子外还有copia、FB 等。它们的结构虽有所不同，但两端都有反向重复序列。,（2）其他真核生物转座子,玉米中Ac-Ds转座系统，非复制性转座。Spm dSpm系统等,已知重复序列占了人类基因组50%以上，其中转座子占重复序列的45% 。所有的转座子都是多拷贝的,3. 转座机制,（1） 复制型转座 特点： 转座以后原来位置上的转座子保持不变 在新的位置上的
9、转座子的两侧出现正向重复序列 转座过程出现共联体。,以细菌的转座子Tn3为例：,切开：转座酶识别受体质粒上的靶序列，并在该序列两侧各一条单链上造成一个切口，切口之间的距离决定了转座后两侧正向重复序列的长度。同时也可以识别自身两边的反向重复序列，并在3端切开。,连接 ：供体和受体结合成为共联体 ，其过程是使供体切下IS或Tn3反向重复序列末端和受体黏性末端以共价链齐头相连，形成两个“缺口” 。复制：由DNA多聚酶进行修补复制补上缺口，由连接酶连接。于是在IS两端形成了两个正向重复序列（ DR） ，一般为5 9 bp，最长的12 bp。重组：在特定位点（黑色部分）进行重组，结果共联体分离形成两部分
10、，一个是原来含有转座子的序列，另一个是通过转座插入了转座子的序列。,（2）非复制型转座,4. 转座子在基因工程中的应用,（1）作为基因工程的载体,利用P因子作为载体，将外源基因转移到果蝇胚胎种系细胞中，对果蝇进行遗传操作，该技术的优点是只插入一个外源基因的拷贝。也就是说，所有转基因果蝇只携带一个拷贝的外源基因，因而便于对其结构与功能研究,转座子的插入能引起新的突变体形成, 其副作用也许会抵消由转基因提供的任何优势, 以可移动DNA片段作为载体尚存在转移基因结果的不稳定现象和内源跳跃基因的相互影响. 因此, 这方面的应用还处于探索阶段.,（2）转座子标记目的基因,在基因产物未知的情况下一般采用两
11、种方法来分离控制发育的基因，一种是在特定的生理过程或发育时期采用差别筛选（ differential screening）原理来分离目的基因，称之为消减杂交与差别筛选。另一种是转座子标记（ transposon tagging）方法。,该技术的原理：由于转座子序列可以在基因组中转座，如该序列转座正好插入某一基因的外显子区域时，导致该基因失活，使其表型改变而成为突变体，如该突变是由于转座子的DNA克隆，其中必定含有与该突变体有关的基因。也就是说，用转座子给未知的目的基因加以标记，便于对该基因的识别与分离。用该突变型提取DNA构建基因组DNA文库，用标记的转座子序列作为探针，筛选出的克隆中，再对转
12、座子两端序列进行亚克隆，这便是被转座子插入的基因序列。,亲株1,亲株2,诱导启动子 标记基因1,报告基因 标记基因2,F1 (SAc+Ds),F1突变库,强诱导培养,报告基因的表达,签定突变的基因,稳定的突变株(Ds),自交或杂交,签定突变基因与表型关系,杂交,对于微生物，也能利用转座子突变制备随机突变库，从中筛选具有目的性状的菌株，通过反向PCR或杂交技术确定插入失活的基因。从而确定表型与基因型关系。 也可循环操作不断改良细胞,（3)调节基因表达,同许多反转录病毒一样，很多转座子也带有增强子，能使其插入部位附近的基因活性增加。此外，有的转座子还含有启动子，也能促进基因的转录活性。如Ty因子，
13、Tn10等. Tn10右侧的IS10R以某一方向插入到由于缺失了启动子而不能表达的argE基因的5端时，结果使沉默的argE基因重新表达，对该序列分析表明，其末端含有一个外向的启动子。,（4)随机删减基因组,利用转座子的随机插入和位点特异性重组技术可以随机删减基因组序列，缩小基因组规模，使基因组最小化。,Marker1,Marker2,随机插入突变库1,细胞融合,Marker2筛选,随机插入突变库2,Marker1筛选,Marker1、2筛选,同时带有2个转座子的细胞,诱导位点特异性重组酶,高效重组,鉴定缺失片段,（5)基因修复和基因治疗,“睡美人( Sleeping Beauty, SB)
14、”转座系统,与其他转座系统的效率相比, SB在脊椎动物中的转座效率最高, 可以在动物体内介导外源基因的稳定整合和长期表达。通过对转座子的反向重复序列和转座酶的优化, SB的转座效率成倍增加, 而且大片段的转座效率也有所提高。整合的“睡美人”可以通过生殖细胞稳定地传递给后代, 在后代中表达外源基因, 因此“睡美人”将很有可能替代目前应用繁琐的基因敲除和RNA 干扰技术, 在功能基因组学研究及基因治疗等领域发挥重要的作用。大多SB 的整合位点均偏向整合于非编码区的微卫星序列中。根据已发生的转座事件建立档案,最近已可以预测已知的一段基因组序列可能的整合位点, 这对运用SB 转座子进行功能基因组及基因治疗等研究中是非常有用的。,一些反转录病毒载体在整合时都有插入基因的倾向, 而且经常会产生大片段的丢失和染色体重排, 而SB 转座子能够代替病毒, 安全稳定地整合到基因组中, 因此应用前景更好,转座酶以mRNA 或蛋白质的形式给予，避免持续转座。,
