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神奇的轉(zhuǎn)座子

作者:山東維真生物科技有限公司 2021-08-03T08:54 (訪問量:13346)

轉(zhuǎn)座又稱移位,是由可移位因子介導(dǎo)的遺傳物質(zhì)重排現(xiàn)象。

轉(zhuǎn)座子(transposon,Tn)是存在于染色體DNA上可自主復(fù)制和位移的基本單位,研究表明轉(zhuǎn)座子存在于所有的生物體內(nèi),人類基因組中有35%以上的序列為轉(zhuǎn)座子序列,其中大部分與疾病相關(guān)。

轉(zhuǎn)座子分為兩大類∶插入序列(insertional sequence,IS)和復(fù)合型轉(zhuǎn)座子。

插入序列

插入序列是最簡單的轉(zhuǎn)座子,它不含有任何宿主基因。它們是細菌染色體或質(zhì)粒DNA的正常組成部分。IS是可以獨立存在的單元,帶有介導(dǎo)自身移動的蛋白,也可作為其他轉(zhuǎn)座子的組成部分。

常見的IS序列較短(約1000bp),末端具有反向重復(fù)序列,轉(zhuǎn)座時往往復(fù)制宿主靶位點一小段(4~15bp)DNA,形成位于IS兩端的正向重復(fù)序列(圖1)。

圖1.插入序列

復(fù)合型轉(zhuǎn)座子

復(fù)合型轉(zhuǎn)座子是一類帶有某些抗藥性基因(或其他宿主基因)的轉(zhuǎn)座子,其兩側(cè)通常是兩個相同或高度同源的IS(圖2),這說明IS插入到某個功能基因兩端時就可能產(chǎn)生復(fù)合型轉(zhuǎn)座子。一旦形成復(fù)合型轉(zhuǎn)座子,IS的功能即被修飾無法再單獨移動,只能作為復(fù)合體移動。大部分情況下,這些轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)座能力由 IS決定和調(diào)節(jié)。

圖2.復(fù)合型轉(zhuǎn)座子

根據(jù)轉(zhuǎn)座機制的不同,可將轉(zhuǎn)座子分為逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子DNA轉(zhuǎn)座子。逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子以RNA為媒介進行轉(zhuǎn)座,采用“復(fù)制-粘貼”機制,即先將自身DNA轉(zhuǎn)錄形成RNA中間產(chǎn)物, 再逆轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生新的DNA拷貝, 最后插入基因組的其他位置實現(xiàn)轉(zhuǎn)座, 而原位點的轉(zhuǎn)座子保持不變。DNA轉(zhuǎn)座子則以DNA為媒介進行轉(zhuǎn)座,采用“剪切-粘貼”轉(zhuǎn)座機制,在轉(zhuǎn)座酶的作用下, 轉(zhuǎn)座子從原位置切除下來并整合到新的位點。DNA轉(zhuǎn)座子相對逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子而言,轉(zhuǎn)座效率高,易被人為改造,因而應(yīng)用較為廣泛,其具體轉(zhuǎn)座機制如圖3。

圖3.DNA轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)座機制

野生型的DNA轉(zhuǎn)座子中通常含有轉(zhuǎn)座酶編碼序列 , 轉(zhuǎn)座酶通過識別轉(zhuǎn)座子兩端的ITR(反向末端重復(fù)序列), 介導(dǎo)轉(zhuǎn)座子發(fā)生轉(zhuǎn)移。經(jīng)人工改造后,中間的轉(zhuǎn)座酶編碼序列可被其它外源DNA序列所替換, 在細胞中轉(zhuǎn)座酶存在的情況下發(fā)生轉(zhuǎn)座, 從而將外源DNA插入基因組中, 實現(xiàn)轉(zhuǎn)基因操作(圖4)。

圖4. DNA轉(zhuǎn)座子實現(xiàn)轉(zhuǎn)基因操作的機制示意圖A:野生型DNA轉(zhuǎn)座子B:人工修飾的轉(zhuǎn)座子載體C:轉(zhuǎn)座酶表達載體

目前,已在真核生物中發(fā)現(xiàn)數(shù)十種DNA轉(zhuǎn)座子,具體分類和特征如下:

轉(zhuǎn)座子可以在基因組任意位置插入和切除,常用于哺乳動物細胞基因編輯研究中。目前發(fā)現(xiàn)的可用于哺乳動物基因轉(zhuǎn)移的DNA轉(zhuǎn)座子系統(tǒng)主要有以下3類:

1、類hAT轉(zhuǎn)座子——Tol 2,未經(jīng)改造在天然狀態(tài)下即可作用于脊椎動物的轉(zhuǎn)座子,從日本青鳉魚的基因組中分離出來;

2、兩個類Tc1轉(zhuǎn)座子——Sleeping Beauty ( SB) 和 Frog Prince ( FP),分別從鮭魚和青蛙基因組中分離重建;

3、Piggy Bac超家族成員——Piggy Bac(PB),從甘藍蠖度尺蛾基因組中分離出來,目前研究者已將其應(yīng)用領(lǐng)域拓展至魚類、寄生蟲和哺乳動物等轉(zhuǎn)基因研究中。研究表明,PB轉(zhuǎn)座系統(tǒng)在小鼠等胚系細胞具有較強的轉(zhuǎn)座活性。

?轉(zhuǎn)座子的遺傳學(xué)效應(yīng)

① 引起插入突變 各種 IS、Tn 轉(zhuǎn)座子都可以引起插人突變。

② 產(chǎn)生新基因 如果轉(zhuǎn)座子上帶有抗藥性基因,它一方面造成靶DNA 序列上的插入突變,同時也使這個位點產(chǎn)生抗藥性。

③ 產(chǎn)生染色體畸變 當(dāng)復(fù)制型轉(zhuǎn)座發(fā)生在宿主DNA原有位點附近時,往往導(dǎo)致轉(zhuǎn)座子兩個拷貝之間的同源重組,引起DNA缺失或倒位。

④ 引起生物進化 由于轉(zhuǎn)座作用,使原來在染色體上相距甚遠的基因組合到一起,構(gòu)建成一個操縱子或表達單元,可能產(chǎn)生有新的生物學(xué)功能的基因和新的蛋白質(zhì)分子。

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