基本介紹
- 中文名：轉座因子
- 外文名：transposable element
定義,發現歷史,原核生物,植物轉座因子,重要意義,
定義
轉座因子（transposable element）
細胞中能改變自身位置的一段脫氧核糖核酸（ DNA）序列。轉座因子改變位置（例如從染色體上的一個位置轉移到另一個位置，或者從質粒轉移到染色體上）的行為稱為轉座（transposition）。
由於轉座因子既能給基因組帶來新的遺傳物質，在某些情況中又能像一個開關那樣啟動或關閉某些基因，並常使基因組發生缺失、重複或倒位等DNA重排，所以它與生物演化有密切的關係，並可能與個體發育、細胞分化有關。
此外，帶有不同抗藥性基因的轉座因子在細菌質粒間的轉座會導致多價抗藥性質粒的形成，這將使多種藥物藥效降低，對人類的健康是一個威脅，因此需要研究解決的辦法。另一方面具有獨特功能的轉座因子已經成為遺傳學研究中一種有用的工具
發現歷史
在50 年代以前, 人們對於基因的認識一般是每一個基因組的DNA的量是固定的, 它包括數目固定, 位置固定、功能固定的一系列基因, 以保持生物性狀能穩定地遺傳下去。但同時, 基因也會發生突變. 一般自發突變的頻率是很低的, 當然也存在著高突變頻率的現象, 這說明在基因組中存在高度不穩定的基因，很長時間人們忽視了這種現象。第一個注意到不穩定基因的人是De.Vires, 他在十九世紀末就研究了金魚草花的顏色的不穩定突變, 但沒能作出理論解釋。本世紀的前幾十年內,R.A.Emesor研究了能幹擾種皮中桔紅色素合成的玉米突變品系,他提出籽粒發育過程中發生回復突變, 形成有色細胞和無色細胞交替的條紋是由不穩定的隱性基因造成的, 但他不知道是什麼原因使隱性城因不穩定。雖然McClintock早在1951年就在玉米中發現了轉座因子，但由於人們受到基因在染色體上有序排列的傳統觀念的桎梏而難以接受“跳躍基因”這一新的概念，所以直到1967年Shapiro才在E.coli中發現了轉座因子（transposable element）。他在半乳糖操縱子中發現了一種極性突變。gal操縱子有三個基因：gal K,T,E，它們編碼三種酶催化Gal的分解代謝。其中間產物Gal-1-p是有毒的，因此galT-在含半糖培養基上因使Gal-1-p積累而難以成活。那么在此培養基上能生長的各種突變型，應是galt-的回覆突變及galK -galT-（因它不能產生Gal-1-p），但意外發的發現galE-galT-也能生存，按理說這種突變型可使Gal-1-p積累是不可能存活的，但卻居然生長良好，其原因何在呢？經進一步研究發現galE-是極性突變，由於它的突變使遠離操縱位點的galK活性大大下降，因而細胞中不會積累Gal-1-p之故，從中首次分離了轉座因子. 分析轉座因子的物理特性, 更證實了轉座因子理論的正確. 到目前為止, 已從好幾種原核和真核生物中分離到轉座因子, 並在進行DN A 水平的研究。
原核生物
自從1928年, F.Criiffith所作的用肺突球菌對小家鼠的感染實驗, 弄清了導致由R菌株轉化成S菌株的轉化因子就是DNA後, 直到1943年才確定細菌突變的自發性的本質。以後大量的實驗證明, 在細菌中轉移的傳導現象的產生是由於菌體內有一種活動因子— 轉座因子的存在。下面就其原核生物的轉座因子的類別和遺傳學效應的研究結果作一概述。
原核生物轉座因子的類別
轉座因子大致分為三類：（1）插入序列 , 這是一類除了和它的轉座作用有關的基因以外不帶有任何其他荃因的轉座因子。它們是較小的轉座因子,可以在染色體、質粒上發現它們。F因子和大腸桿菌的染色體上有一些相同的擂入序列（IS），現已搞清至少有五種DNA插入序列, 它既可獨立地, 也可以作為其池轉座因子的一個部分存在於某些細菌的染色體和質粒上。（2）轉座子, 以Tn 表示，首先在質體中發現了這種轉座子。轉座子的分子兩端有相同的序列, 如果它們的方向相反, 則稱為反向重複順序IR, 某些轉座子的IR 便是已知的侶因子, 這些IR 既可以作為Tn 的一個部分而轉座, 也可以單獨轉座。轉座子除含有與轉座有關的基因和核昔酸序列外, 還含有一些其它的基因。（3）轉座噬菌體、溫和噬菌體既能以自主的自我複製顆粒而存在, 也可以插入延續的細菌染色體而與其一起複製,宛如附加的細菌基因群. 最著名的溫和噬菌體是入, 久也浸染大腸桿菌, 它既可以象烈性噬菌體一樣裂解寄主細胞釋放出幾百個成熟的噬菌體, 也可以成為原噬菌體和寄主染色體之間呈半永久聯合, 當細菌染色體複製時入噬菌體也跟著一起複製。1953年發現, 在大腸桿菌敏感菌體和溶源性菌株間的F 十又F 一雜交中, 入原噬菌體和細菌gal基因一起分離。1955年證明入原噬菌體和gal可被噬菌體lP共同轉導。1956年發現了入對ga l 的限制性轉導。這些研究表明入噬菌體具有轉座子的性質. 另外大腸桿菌的噬菌體M u , 可以引起腸菌的幾乎任何一個基因發生插入突變, 所以它也具有轉座因子的特性。
原核生物的轉座因子的遺傳學效應
雖然各種轉座因子上所帶的基因可以很不相同, 但它們都有一些共同的遺傳學效應:
（1）引起插入突變, 使插入位置上出現新的基因. 除了上面已經提到的由Is1和Mu引起的插入突變以外,Tn同樣能引起插入突變, 那么, 不管插入的轉座因子上帶有何種基因, 它一方面造成一個基因的插入突變, 另一方面使這一位置上出現了個新的基因。
（2）促使染色沐發生畸變。由於Is1的存在, 它的側揮容易發生缺失, 缺失發生的頻率高出自發缺失頻率10-1000倍。
（3）切離。轉座因子可以從原來的位置上消失, 這一過程稱為切離, 準確的切離使插入失活的基因發生回復突變, 不準確的切離並不帶來回復突變, 而是帶來染色體畸變。
（4）轉座因子轉移到新的位置上後, 原有位置上的轉座因子保持不變。
植物轉座因子
1947 年美國冷泉港實驗室的“玉米夫人”McClintock 首先在玉米中發現並描述了轉座因子。轉座因子的發現, 打破了傳統遺傳學上關於基因在染色體上固定排列及同源染色體交換的觀念, 揭示了基因的流動性, 具有重要的意義。
轉座因子的結構特點和分類
到目前報導為止, 至少在32 種植物上有轉座因子存在, 其中研究最多的是玉米、金魚草、擬南芥等。其中玉米的Ac/Ds 轉座因子和金魚草的Tam 轉座因子是研究和利用最多的植物轉座因子。植物轉座因子具有特定的序列特點, 大小一般在1 .4 ～ 17 kb 之間, 根據DNA 片段的序列可初步確定某段DNA 是轉座因子。根據基因結構特點, 轉座因子可分為:簡單轉座因子和複合轉座因子。根據轉座機制, 可分為兩大類:通過DNA 中間體進行轉座DNA 轉座因子和通過RNA 中間體進行轉座的逆轉錄轉座因子。
根據序列特點, 也可進一步將DNA 轉座因子分為以下幾類。(1)Ac/ Ds 類:該類包括最早確定的轉座因子, 即玉米中的激活/解離因子(Ac/Ds)。對這類因子及其整合位點的分子分析表明, 在Ac 和Ds 的兩端都帶有11 bp 末端反向重複序列, 在它們的插入靶位點上都有8 bp 的正向重複(direct repeats ,DRs)。雖然在多種植物種類中Ac/Ds 因子都能作為轉基因而起作用, 但目前只在玉米中發現該類因子。(2)CACTA 類:這一類轉座因子通常較大(可達15 .2 kb)。其TIRs具保守序列CACTA 。可移動的CACTA 因子在大豆、金魚草和玉米等植物中都已發現。(3)MI TE 類:最近確定的最大的一類植物轉座因子為MITE(miniature inverted repeattransposable elements)類。MI TE 在大多數植物的基因組中普遍存在, 其特徵是較大(100 ～ 300 kb), 具有8 ～ 12 bp 的TIRs 和在插入位點的一般2 ～ 3 bp 的DRs ,MITE 優先插入基因的非編碼區。迄今, 已確定的MI TE 可被進一步分為七類:Tourist , Stowaway , Gaijin , Castaway , Ditto , Wanderer 和Explorer。除了DNA 轉座因子外, 在植物基因組中已確定了大量的逆轉錄轉座因子, 即在植物基因組中的大量的分散的重複序列, 它們通過RNA 中間物實現轉位。逆轉錄轉座因子兩側都有長的末端重複序列(long terminalrepeats, LTRs), 能編碼發生轉位作用所需的酶。已發現許多逆轉錄轉座因子包含有與反轉錄病毒的相類似的結構, 如逆轉錄轉座因子都具有逆轉錄酶或類似反轉錄病毒的反轉錄酶的開放閱讀框架(ORF)。許多逆轉錄轉座因子的逆轉錄酶基因含有具內切酶活性的成分, 還具有編碼反轉錄病毒蛋白的基因, 即結構蛋白編碼區(gag)、具有多種酶活性的蛋白編碼區(pol)和蛋白酶編碼區(pro)。在植物中確定的第一個完整的逆轉錄轉座因子是番茄的Tnt1因子, 另外, 在玉米、番茄和水稻中都已發現了逆轉錄轉座因子。
轉座因子的作用
轉座因子作用的兩種假說。假說一:作物在不良外界環境的壓力下, 如組織培養, 輻射或病原侵染等, 會發生基因重組, 而轉座因子在這種重組中起重要作用。支持這種假說的證據有:(1)番茄的Tnt1 轉座因子的轉位可由廣譜的微生物和真菌的激發子來誘導;(2)在水稻中, 組織培養條件下可激發Tos10 、Tos17 和Tos19 的轉位, 這種轉位的激發可引起水稻基因組中這些因子的拷貝數的增加, 還可引起多個水稻基因的插入突變;(3)轉座因子在調節區和編碼區的插入和切除可改變基因的編碼能力和表達方式;(4)在玉米的研究中, 在Adh1-F 和u22 位點的間隔區確定了10 個逆轉錄轉座因子家族, 它們占核DNA 的50 %。假說二:植物具有一種遺傳機制來產生顯性的抗病專化性以對抗病原物小種的毒性變化, 而抗病基因多樣化的一個可能的機制就是轉座因子誘發的基因改變。支持這一假說的分子生物學證據有:在Hm1 基因中發現了一段315 個bp 的插入序列(命名為dHBr), 它可破壞該基因的抗性作用。在植物的進化中, 轉座因子也在不斷進化, 由於重組、缺失等由活性的轉座子而喪失轉位能力, 成為穩定基因組結構中的一部分。同時產生新的有活性的轉座子。如對水稻抗病基因Xa21 家族7 個成員的17 個轉座因子的序列分析表明, 與更早的進化, 如複製、重組相比, 許多轉座因子好象是最近才具活性。
轉座因子在分子生物學研究中的套用
隨著人們對轉座因子的轉位機制和作用研究的逐步深入, 轉座因子的套用也越來越廣泛, 其中主要有以下三個方面的套用。(1)遺傳育種上的套用。一方面, 轉座子的轉位會在靶位點引起其鄰近基因序列和功能的變化而引起突變。因此, 可根據轉座子轉座的遺傳學效應來篩選突變體, 培育新品種。另一方面, 某些轉座子可能是調節基因活動的開關。如玉米子粒各種花斑類型是Ac 和Ds 等多個基因相互作用的結果。其中Ac 可起調節因子的作用, Ds 則起調節基因的作用。因此轉座子的研究對於培育作物具重要意義。此外, 轉座子可作為基因定位的標記而用於基因的定位、分離和克隆。(2)轉座子標籤技術克隆目的基因。利用轉座子作為標籤分離和克隆外源目的基因的基本原理為:轉座子或T-DNA 形式的轉座子轉座插入到靶位點會引起靶位點基因或鄰近基因的突變, 轉座子插入到目的基因後利用轉座子上的標記基因就可檢測目的基因的位置, 利用轉座子序列設計探針則可克隆目的基因。目前該技術已得到成功的套用, 用該技術已克隆的基因有玉米的Hm1 基因, 番茄的cf-9 基因, 菸草的N 基因和亞麻的L6 基因等。可利用的植物轉座子系統有玉米的Ac/Ds轉座子系統和Enchancer(即S pm)系統及金魚草的Tam3 系統等。(3)轉座子載體系統介導基因轉化。由於轉座子可在植物基因組中自主地發生轉座而插入到新位點, 因此, 把目的基因與轉座子構建成新的質粒就可通過農桿菌介導等方法將目的基因轉化到植物基因組中。轉座子介導基因轉化的優點是:轉座子的流動性的特點可有利於目的基因的插入和整合;同時利用轉座子的某些內切酶的作用可消除轉基因植株中的選擇標記基因,從而確保轉基因產品的安全性。另外, 近年來在真核生物中發現的逆轉錄轉座子, 由於它們在轉位過程中需要以RNA 為中間體經逆轉錄再分散到基因組中, 這些動態的DNA片段將在基因工程中作為理想的目的基因載體系統。
重要意義
毫無疑問, 轉座因子研究已經成為理論生物學與實驗生物學研究共同關注的熱點之一。這其中的原因主要有二: 一是轉座理論的確立歷盡曲折,20 世紀30 年代被發現、40 年代形成理論、80 年代才被科學界接受, 其中包含著豐富的科學思想和人生哲理; 二是轉座因子的研究對生物進化、物種形成、細胞分化、基因克隆、轉基因技術以及分子生物學、分子遺傳學、基因工程學、群體遺傳學等方面的基礎研究與套用研究都具有重要的意義。
