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转座子的研究进展

发布时间:2019-07-23 23:08 来源:未知 编辑:admin

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  直到1980年之前的很长一段时间,科学界一直认为,玉米TEs的发现既无实用性,又无普遍性。但事实上,现在分子遗传学家们不仅从很多种的原核生物和真核生物中分离出了Es,而且在DNA水平和应用方面进行了卓有成效的研究。 20世纪60、70年代,研究人员已经在病毒、细菌、真菌及某些高等生物中发现TEs的存在。随着分子生物学和分子遗传学的进一步发展,研究者们又在其他多种动植物,特别是玉米之外的其他高等植物中陆续发现TEs普遍存在,目前已经发现的TEs有上千种之多。

  有研究表明,在昆虫中编码反转录酶的TEs有两大类:含长末端重复的(LTRs)和不含长末端重复的。LTRs反转录转座子是具有两侧长正向重复末端序列的片段,中间部分序列包含了一个或几个ORFs(开放性阅读框架,能编码TEs复制、转座所必需的蛋白质),它包括有Gypsy Ty3家族、Copia Ty1家族和Pao因子等。不含长末端重复的TEs有时称为反转座子,能编码反转录酶但缺乏整合酶,包括有I、F、G、Jockey和Doc等因子。果蝇在昆虫中是最常用的研究材料,研究证实,果蝇基因组的10%~12%是由TEs组成。在宿主中,TEs可能改变基因表达模型,可能改变ORFs编码序列,也可能对细胞功能产生影响。

  研究还发现,哺乳动物基因组中整合了大量反转录转座子。根据它们的结构特点和起源,研究者们已经对哺乳动物基因组中反转录转座子进行了分类、扩增途径和扩增酶学等方面的细致研究。同时,研究还发现,人类基因组中有35%以上的序列为转座子序列,反转录转座子是引起人类疾病的潜在病因。

  另一些研究发现,高等植物基因组含有大量各式各样的串联重复序列和出现频率很高的散布重复序列,如转座子、反转座子、短散布核元件和一些新发现的小型转座子等,它们当中的大多数是具有移动能力的可转座基因。高等植物中的反转录转座子分病毒家族和非病毒家族两类,病毒家族包括反转录病毒和类似于反转录病毒的非病毒转座子,病毒家族中的反转录转座子可再细分为Ty3 gypsy类和Ty1 copia类;非病毒家族可细分为LINE类和SINE类。目前除了玉米外,水稻和小麦是被研究得比较多的高等植物。

  综上所述,这些研究表明一个基本事实,那就是TEs在生物界具有普遍性。目前已经发现的转座因子包括插入序列(IS)、转座子(Tn)、转座质粒和转座噬菌体(Mu)等不同类型。 与此同时,大量的研究已经发现,TEs参与许多重要的生理活动、表现出许多的遗传学效应,比如TEs能够引起插入突变、使插入位置上出现新基因、引发回复突变或染色体畸变、造成同源序列整合、促进基因组进化等等。同时,作为一种工具或技术,TEs在基因工程、分子生物学、发育生物学、疾病预防等方面得到广泛的应用。限于篇幅,这里仅从以下几个方面略加说明:

  TEs对生物进化有明显影响,比如在基因突变、基因组进化和物种形成方面起重要作用。最明显的效应是TEs能够启动重组,最后导致基因组转座重排。有研究还发现,基因可能以TEs为载体实现横向转移(如微生物与高等动植物之间),证据之一就是人类蛋白质有61%与果蝇同源、43%与线%与酵母同源。生物可以通过基因的转座重组来适应随时改变的环境以求生存。当然,重组的结果可能因缺失若干功能基因而出现有害效应。

  近年有报道指出,TEs有增强宿主基因组自身进化,对环境变化作出反应的潜在能力,很可能是遗传多样性的主要源泉。果蝇TEs对基因组进化有重要影响,果蝇的逆转录转座因子从X染色体“逃逸”的发现正好说明了新基因进化的一种普遍机制。Batzer领导的研究组还发现,人类基因组中存在大量的转座因子Alu,它在人类进化中起到关键作用。该研究组认为,低活性的Alu因子在很长的一段时间内维持着低的拷贝数,并偶尔产生短寿命的高活性后裔,而这种后裔则促进了人类基因组中Alu因子的形成和扩增。

  高等植物的TEs在漫长的进化过程中对基因和基因组多样性的形成所起的作用,成为近年来分子生物学领域中的重要研究内容。反转录转座子在植物界中普遍存在,并在植物基因和基因组进化中扮演了一个极其重要的角色。

  转座子已经被广泛用于植物基因的分离和克隆。转座子标签法是近年来发展起来的一种非常有效的分子生物技术,是一种利用TEs插入高等植物基因组中造成基因突变,然后通过分离TEs插入的旁邻顺序,进而克隆出突变基因的策略。这种策略在高等植物功能基因组学的研究中十分有用。近些年,玉米的Ac/Ds已经被导入多种异源植物如烟草、番茄、拟南芥、矮牵牛和水稻等,并证明在这些异源植物中仍保持转座活性,同时还得到一些突变植株。随着不同植物基因组研究进程加快,需要通过反向遗传学来研究已知序列基因的功能,大规模的转座子突变已成为功能基因组学研究的一种很重要手段。

  刘庆坡等人利用635个包含完整TEs插入的粳稻CDS序列,对TEs如何影响基因编码区的碱基组成及基因的表达水平,进而对基因同义密码子的使用偏性产生影响进行了详细分析。研究发现,TEs插入极显著地影响到基因编码区的同义密码子使用;TEs对不同基因的表达水平具有多重影响,有的基因表达被抑制,有的反而增强,但总的来说它减少了基因表达水平对同义密码子使用的影响程度。

  在低等生物中,TEs已成为一种常规的用于制造转基因动物和插入突变等遗传操作的工具。果蝇P因子(转座因子)作为基因载体是很有希望的真核生物基因工程的载体,可用于确认基因、克隆基因、安置基因回到基因组。

  现在已能把带有某种限制酶切点的P因子克隆到质粒pBR322中,然后在P因子酶切点上插入外源DNA。经过扩增后,将这种重组DNA用微量注射仪直接注入果蝇的受精卵中。结果所克隆的基因能随P因子插入受体细胞的基因里,并且得到表达。由于携带目的基因的P因子可从质粒转座到任意染色体上,故适合作为载体来构建转基因生物。

  复旦大学的丁升、李刚等人将一种源于飞蛾的PB转座因子用于小鼠和人类细胞的基因功能研究,于2005年7月在世界上首次创立了一个高效实用的哺乳动物TEs系统,为大规模研究哺乳动物基因功能提供了新方法。他们发现PB因子在人和小鼠的细胞中表现出高效的转座活性。更可喜的是,该技术事半功倍,不用培养干细胞,直接修改小鼠的受精卵。两位研究者花了3个月的时间,就初步确定了70多个陌生的小鼠基因的功能。这种方法用于人类基因组计划的研究,将大大加速基因功能的研究进程。国际权威学术杂志《细胞》的评论认为,这“是里程碑式的发现,将可能在世界范围内改变小鼠遗传学研究,并有用于人类基因治疗的前景。”

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