轉座子中關于轉座機制及相關技術的探究

尹洋

（信陽師范學院 生命科學學院，河南 信陽 464000）

轉座子中關于轉座機制及相關技術的探究

尹洋

（信陽師范學院 生命科學學院，河南 信陽 464000）

轉座子是基因組上可自主復制和移動的DNA片段，廣泛存在于生物界.轉座子及相關技術在后基因組時代是研究基因組功能的重要手段和強大武器.概述轉座子的基本性質、類型、調控機制及相關技術手段.

轉座子；調控機制；相關技術

轉座子即跳躍基因，它是存在于染色體DNA上可自主復制和位移的基本單位，是基因組中可移動的一段DNA序列，可以從基因組的一個位置“跳躍”到另一個位置.轉座子在實質就是基因組上一段不必借助于同原序列就可直接從基因組內的一個點跳躍到另一個點的可移動的DNA片段，也被稱作可移動元件.目前，轉座子標簽技術、轉座子激活標簽技術等已被人們廣泛關注與應用，相關研究也取得了一定成就.

1 轉座子特征及類型

轉座子具有末端反向重復序列，當轉座發生插入作用時，受體分子中也會有一段靶序列自我復制，使插入的轉座子至于其中；在轉座子重新整合的位點會有一段正向DNA重復序列，其長度也會因轉座子系統種類的不同而有所差異.轉座子插入發生時，會使受體基因失活，或者引起DNA缺失、倒位等變化.相反的，轉座子的插入作用也具有很強的作用.轉座子系統本身也會因為其轉座作用、平行移動、繁殖等活動進行擴散，也會因自然選擇的壓力或者自我選擇性刪除作用而使轉座子丟失.

根據不同的轉座機制，可以將轉座子分為兩種類型：一類是DNA轉座子，也被稱作ClassII元件.DNA轉座子是通過“剪切-粘貼”機制進行轉座.獲得可移動片段有兩種方式：DNA復制或直接切出，得到移動序列之后進行轉座子的插入作用，引起基因的突變或重排.DNA轉座子有可以分為自主轉座子和非自主轉座子.前者本身可以編碼轉座酶進行轉座，后者則要在自主轉座子存在是才能實現轉座.二類是逆轉座子，也被稱為Class I元件.逆轉座子通過“復制-粘貼”機制進行轉座，其途徑為轉錄DNA-RNA-反轉錄DNA.逆轉座子的不斷復制積累使宿主的基因組擴大.由于有啟動子、增強子等元件的存在，影響被插入基因組的表達，在生物進化過程中具有不可忽略的影響.

2 轉座子分布特征

伴隨多種生物基因組測序序列的公布，基因組學和生物信息學等學科的快速發展，在對這些測序的基因組的研究發現轉座子在這些生物的基因組中分布有一定的特征：（1）物種間的分布變化大；（2）轉座子的插入是非隨機模式；（3）轉座子的分布與重組率存在負相關；（4）具有靶點特異性.

己有研究表明轉座子占果繩基因組中的10-15%，在鼠基因組中轉座子的比例為40%，而人類基因組有44%為轉座子.在有些植物中轉座子所占比例更高,如在小麥中轉座子達到其基因組的80%,玉米中則達到基因組的84.2%.某些類型的轉座子可能傾向于分布在基因間區,有的則傾向于基因內部,在近著絲粒區域也有轉座子集中分布,而有的轉座子可插入到同類型轉座子內部等，如蔣寧等的研究表明4個MITE家族序列傾向于插入到自身內部，在對Copia和Gypsy轉座子的免疫炎光定位研究中表明這些轉座子傾向于分布在基因組的近著絲粒區一域.不同轉座子類型具有不同的生物學功能，轉座子分布的不隨機性也與其所具有的不同功能有關.

3 轉座子的調控機制

3.1 轉座子系統本身介導的調控

主要有母本遺傳以及過量抑制兩種機制.就以DNA轉座子型中的piggyBac轉座子為例，來自棉鈴蟲HnPLE和來自銀紋夜蛾AaPLE的轉座酶,構建了Helper輔助質粒構建二元轉化系統，用不同轉座子的亞末端類型對不同宿主進行轉座，在轉座子酶AaPLE沒有活性的情況下，但HaPLE可以識別自身與赤擬谷盜亞末端反向重復序列組合的重組供體，表明HaPLE具有轉座活性并可以正常進行轉座活動.當轉座子缺失自身亞末端反向重復序列時,在宿主細胞中幾乎不會表現出精確剪切.

3.2 宿主介導的調控

主要有轉座子結合因子、DNA甲基化等因素影響.轉座子結構以反向重復序列、轉座酶基因、調控基因、阻遏物基因構成，另外，在復合型轉座子中還會有較多類型的附加基因.在其構成中，轉座子結合不同的因子，會影響基因組的調控和表達.例如玉米Mu轉座子中，由于Mu1因子發生不同程度的切離轉座，兩種不同活性的Mu突變體中Mu1因子的多態性水平明顯地比對照植株要高，再通過限制性酶切和重亞硫酸鹽測序兩種方法相結合，對玉米MuDR調控因子的TIRA和TIRB末端區域的DNA甲基化位點進行檢測，結果表明，在突變體MuDR調控因子的TIRA和TIRB末端，發生了不同程度的去甲基化變異，這些位點的去甲基化變異直接影響著MuDR調控因子的活性變化，從而影響玉米Mu轉座子的功能表達.

3.3 重復誘導的基因沉默

在轉座子轉座中，DNA序列的復制、插入等作用影響宿主基因組，為基因組的結構和功能進化提供了重要的機制，影響著基因的表達和調控.在其中主要因素有基因誘導的點突變，以及RNA的干擾.RNA干擾是指進化過程中與靶基因序列同源的雙鏈RNA誘導的轉錄后特異性降解引發基因沉默現象，也是一種抑制轉座子生理活動、影響基因表達調控的監查控治機制.

3.4 環境影響

通過實驗研究發現，植物在逆境脅迫條件下表觀遺傳變化是引起轉座子活性變異的重要機制.通過對一些模式植物如擬南芥和水稻的研究，人們已經對植物在逆境脅迫條件下控制轉座子活性的表觀遺傳現象已經有了初步的認識.反轉錄轉座子中長末端重復（LTR)是類似于反轉錄病毒的元件，其活性受到自身甲基化和環境因素的影響，反轉錄轉座子的轉座因DNA甲基化抑制，而外界環境的刺激卻能夠刺激并激活轉座子，從而影響轉座子插入位點周邊基因的表達.通過對LTR反轉錄轉座子中Gypsy超家族和Copia超家族編碼部分同義非同義突變的分析表明，它們仍然受到較強的選擇壓力,而且似乎Gypsy超家族受到比Copia超家族更強的選擇壓力.

4 轉座子相關技術

隨著DNA測序及分子生物學的發展，關于轉座子也出現許多新技術的應用.運用Southern雜交、原位雜交等方法捕獲轉座子，然后對其進行進一步研究.

4.1 轉座子標簽技術

由轉座子的插入可能引起生物體的突變，以引起突變的轉座子序列作為探針，再從突變體DNA文庫中篩選以得到突變基因，再根據此片段從野生型基因文庫中便可獲得完整的基因，這段插入序列像是在宿主基因上的一張標簽，因此被稱作轉座子標簽.轉座子標簽技術就是運用轉座子標簽從野生型個體中分離并克隆出野生型基因，最終得到完整的基因的技術方法.轉座子標簽技術是在功能基因的研究中占有重要地位.轉座子標簽技術的科學依據是轉座子的隨機插入會引起突變，從而發展起來的用于研究基因功能的方法,在初期僅用于克隆植物基因,近年來成功地應用于酵母基因組功能研究之后,該技術才得以逐漸發展完善.設計轉座子標簽的時一般只保留完成轉座過程的必需的轉座子的片段,同時加入篩選標記與報道基因以便于后續基因的表達和篩選.轉座標簽中插入ORF,在其啟動子控制下使不含有啟動子的報道基因得以表達,以便于用于檢測直接插入基因內部的標簽.

利用轉座子標簽法分離基因時，通過含轉座子質粒載體的構建，將之導入目的生物細胞中，然后對突變體進行分離和鑒定、檢測轉座子在宿主體內的活動性能，就可以分離克隆得到我們所需的目的基因.轉座子進行轉座時會因T-DNA整合到染色體中引起插入突變,并進而分離基因，提高了分離基因的效率.目前應用較為廣泛的轉座標簽基礎是細菌中的Tn3轉座子、Mu噬菌體和酵母里的Ty結構.轉座子標簽技術可以精準、高效的的找到與表型相關的基因，切操作簡便，在細菌、酵母以及植物、動物中對基因組功能的研究起到重要作用.

4.2 基因增補技術

“睡美人”轉座子系統是一種易變的基因序列,在所有生物基因組中普遍存在并在其基因組中占據很大比例,對基因的表達調控產生很大影響,由于突變轉位能力不足使轉座子處于抑制狀態，引起基因沉默，影響基因組功能的表達.基因增補技術，也就是非病毒轉座子“睡美人蘇醒”技術.在“睡美人”轉座子系統中具有兩套重復序列.當轉座發生時，會插入到兩重復序列之間，致使攜帶有基因的質粒載體在重復序列的末端形成轉座酶的作用位點，接著定位在兩重復序列外的轉座酶活化，進而發生催化作用，使導入的基因可以很好的與宿主的基因組整合在一起，轉座子系統會在兩個重復序列末端分別加上特征性的標志，整個系統從沉默中蘇醒進行基因的表達或遺傳.

在植物中，具有轉座子標簽激活技術.激活標簽技術是指將增強子或強啟動子隨機插入植物基因組，使增強子或強啟動子插入位點側翼原先不表達或弱表達的基因得到過量表達，從而產生顯性的功能獲得型突變.激活標簽誘變法在1992年被提出，并構建啟動子增強子序列載體，將其轉入植物中，獲得基因表達增強的突變體.激活標簽技術的發明促進了對植物等基因功能的研究.

4.3 轉座子定點雜交技術

運用DNA基因芯片繪圖技術將一個突變體系中所有插入轉座子的靶序列處理，可以確定全基因組樣本在不同情況下的差別，用來判斷基因的功能的技術.轉座子定點雜交中宿主基因斷裂比較均勻，利于雜交而且雜交完全，又快速又準確.

5 結語

轉座子普遍存在于幾乎每種生物中，在基因組功能的研究過程中，轉座子是高效的研究手段.轉座子在尋找新基因，確定生物體基因組功能，培養轉基因物種，具有的修復與治療，轉座子插入微生物種群使之具有更高的生物降解能力改善并修復生態環境，另外還可以進行群體多樣性的鑒別及系統發育分析等方面均有較多的應用.

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1673-260X（2015）09-0190-02