第二讲基因的现代概念
吴乃虎
中国科学院遗传与发育生物学研究所
2005年8月
目录
一、移动基因
1．概述
2．插入序列
(1)插入序列的发现
(2)原核生物转位因子的类型
(3)插入序列
3．转位子
(1)转位子概念
(2)转位子类别
4．转位作用机理
(1)转位作用概念
(2)转位作用类型
(3)转位作用分子机理
*1.复制型转位
*2.非复制型转位
*3.保存型转位
二、断裂基因
1．断裂基因概念
(1)定义
(2)表达程序
(3)若干概念
2．间隔子位置的测定
(1)实验步骤
(2)异源双链体分子定义
3．mRNA初级转录本的剪辑
(1)两步机理
(2)mRNA差异剪辑
三、重叠基因
1．重叠基因定义
2．重叠基因的发现
3．原核生物重叠基因类型
(1)第一种类型
(2)第二种类型
(3)第三种类型
4．真核生物重叠基因的类型
(1)间隔子式重叠基因
(2)嵌套基因
5．重叠基因的分布
6．重叠基因的意义
四、假基因
1．假基因的定义
2．假基因的拷贝数
3．假基因的类型
(1)重复的假基因
(2)加工的假基因
(3)加工的假基因的起源问题
五、重复序列与重复基因
1．基因家族与基因簇的概念(差异)
(1)基因家族
(2)基因簇
2．重复序列(基因)
3．重复基因的特点
4．基因拷贝数与其表达量之间的关系
基因的现代概念
一、移动基因
1．概述
*1.移动基因(movable genes)，又叫做转位因子(transposable element)。它可以在染色体基因组上移动，甚至在不同染色体分子之间跃迁，所以有时也称之为跳跃基因(jumping genes)。
*2.移动基因最早是由美国冷春港(Cold Spring Habor Laboratory)的女科学家——诺贝尔奖金获得者——B. McClintock于上一世纪40年代，其母校康奈尔大学遗传学系在研究玉米时发现的，当时叫做“控制因子”(controlling elements)，或称为激活-解离因子(Activator- Dissociation element, 简称Ac/Ds因子。
*3.玉米中移动基因功能：
a.这些控制因子可以插入到玉米染色体的靶子位点上，
并抑制与之邻近的其它染色体基因的表达活性；
b.控制因子在染色体上没有固定的位置，似乎可以沿着
染色体分子移动；
c.控制因子在插入染色体之后的适当时间内又可以重新
被删除焉，此时原先潜伏基因(dormant gene)的功能也
往往得到恢复；
d.由于控制因子本身不稳定，因此与之相关的基因也呈
现出不稳定状态与高突变率的特性；
*4.McClintock工作初期遭遇，与1983年荣获Nobel生物医学奖，获奖后的心态等简介。获Nobel奖后她在给冷春港定量生物学
室实验室主任的信中说：请不要打扰我，仍然给我做我想做的
工作。
2．插入序列
(1)插入序列的发现
在60年代末期，J. A. Shapiro在研究大肠杆菌高效突变——即
可影响一系列功能的突变——时发现，这是由于一种大片段
DNA的插入作用造成的，并称这种DNA片段为插入序列
(insertion sequences, IS)。
随后的研究发现，除了E.coli之外，在其它的格兰氏阴性和格
兰氏阳性细菌中也都广泛地存在着转位因子。
(2)原核生物转位因子的类型：
a.插入序列(insertion sequence, IS)
原核生物的转位因子，其分子量小于2000bp的一般叫做插入
序列。
b.转位子(transposon, Tn)
有时又叫做转座子(中文译名的差别)，系指分子量大于2000bp的转位子。
c.噬菌体型转位子
例如Mu和D108等噬菌体，均属于第三种类型的转位子。
移动基因Movable genes
转位因子Transposible elements
跳跃基因Jumping genes
控制因子Controlling elements
激活-解离因子Activator-Dissociation elements
插入序列(IS) Insertion sequence
转位子(Tn) Transposon
(3)插入序列
插入序列又叫IS因子，它是在细菌中首先发现的最简单的一类转位因子。其共同特征是：
图2-1 转位子的形体图
(a)简单的转位子，也叫做插入序列，它具有一个控制转位作用的转位
酶基因，并往往被反向重复序列，即所谓的IR序列所包围。
(b)复合的转位子Tn 1681，它具有两个插入序列(IS1)和一个热稳定的大
肠杆菌素1编码基因。
①在它们的末端具有一段反向重复序列(但其长度不一定相
等，例如IS10转位因子的左边IR序列是17bp, 右边是
22bp)；
②当IS因子插入到靶位点之后，便会在其两端的外侧产生
一段短的同向重复序列；
③IS因子一般只编码一种参与转位子作用的转位酶
(transposase)，它能够识别反向重复序列，并催化转位因
子发生删除作用，从染色体上游离出来。
图2-2 IS因子转位作用形成同向重复序列的原理
(a)具有IS因子插入靶子位点的一段DNA分子；
(b)在靶子位点形成交错的缺口；
(c)IS因子同缺口位置的单链末端连接；
(d)在靶子位点出现的裂口被补齐并封闭，形成短小
的同向重复序列序列。
④IS因子能够四处活动，几乎可以插入到大肠杆菌染色体的
各个位置上；也可以插入到质粒和某些噬菌体基因组上；
甚至可以插入到同一个基因的不同位点上；
⑤IS因子的插入作用可以正向也可以反向整合到基因组上。
我们特称IS因子的这种移动方式为转位作用(transposition)
表2-1 若干种大肠杆菌IS因子的基本参数
名称分子大小
(bp) 反向重复序列
(bp)
靶子位点的同向
重复序列(bp)
靶子位点选择
IS1 768 23 9 随机
IS2 1327 41 5 热点
IS4 1428 18 11或12 AAAN20TTT
IS5 1195 16 4 热点
IS10R 1329 22 9 NGCTNGCN
IS50R 1531 9 9 热点
IS903 1057 18 9 未知
3．转位子(transposon)
(1)转位子概念
转位子又叫转位因子(transposable element)或转座子，其英文定义：
A segment of DNA that can move from one position in the
genome to another.
Transposon is a DNA sequence able to replicate and
insert one copy at a new location in the genome.
转位子(transposon)是在许多细菌中发现的另一类移动单元，它是由几个基因组成的特定的DNA片段，而且往往带有抗菌素抗性基因。例如氨苄青霉素转位子就是其中一例。
(2)转位子类别
根据结构特征，转位子可以分为复合系和Tn3系两种不同的类别：
a.复合转位子(Complex transposone)
复合转位子是由2个同样的IS因子连接在抗菌素抗性片段
的两侧构成的。
复合转位子很容易携带着抗菌素抗性基因从细菌染色体转
移到质粒或噬菌体基因组上。当发生这种情况时，转位子
就会迅速地传播到其它细菌中去，这类转位作用是自然界
中发生细菌抗药性的主要原因。
b.Tn3转位子
Tn3转位子结构比较复杂，长度约为5000bp，末端有一对
38bp的IR序列，但不含有IS因子序列，每个Tn3均由3
个基因组成：
①Amp R基因编码 -内酰氨酶，提供氨苄青霉素的
抗性。
②Tnp A基因编码1种长度为1015氨基酸的转位
酶：它作用于转位子末端产生双键切割，使转位
子从给体分子上删除下来；并在靶子位点作交错
切割，使转位子插入进去。
③Tnp R基因编码一种185个氨基酸的蛋白质。其
功能有二：抑制Tnp A基因合成活性；促进中间
分解区又称中央解离位点res (resolution site)发
生位点特异的切割；
表2-2 若干种大肠杆菌复合转位子的基本参数
名称分子大小(bp) 遗传记号末端组件组件取向组件关系Tn903 3100 Kan R IS903 反向同样
Tn9 2500 Can R IS1 同向可能同样Tn10 9300 Ter R IS10R
IS10L 反向 2.5%差异Tn5 5700 Kan R IS50R
IS50L 反向1bp差异
4．转位作用机理
(1)转位作用概念
*1.转位作用定义：
The movement of a gene or set of genes from one site in the
genome to another.
移动基因的分子本质是一段能够插入到寄主基因组新位点
的特异的DNA序列结构。
*2.转位作用特点：
a.是一种与recA基因无关的新的重组类型，
其唯一结果是转位因子的转动；
recA gene=重组作用基因
b.转位因子插入位点是一段与之没有同源
关系的核苷酸序列；
c.转位过程涉及到DNA复制；
*3.转位作用步骤：
第一步，在靶DNA上造成交错的断裂；
第二步，转位子连接到靶DNA的突出的(延伸的)单链末
端；
第三步，连接留下的缺口(gap)的补齐与封闭
(2)转位作用类型
科学工作者对转位作用的机理认识经历了由肯定——否定——再肯定的反复过程，由表入深的过程，逐步深化的过程：*早期的研究工作认为转位子可以从一个位点转移或移位到另一个位点，故将此过程称为转位作用。
*随后发现这种命名是错误的，因为在转位过程中，转位因子的一个拷贝仍留在原来的位点上，同时在新的位点出现
第二个拷贝。因此转位与重组不同，转位过程必须进行
DNA复制。进一步说，这种重组的唯一可能的后果是转
位因子的移动。
*最近(B. Lewin, 1994)根据最新研究进展表明，事实上转位作用有如下三种不同的类型：
a.保存型转位(Conservative transposition)
b.复制型转位(Replicative transposition)
c.非复制型转位(Nonreplicative transposition)
有些转位子仅能按照其中的一种机理发生转位，而有些转位子则可按照两种机现进行转位，例如IS1和IS903
就可按复制型和非复制型两种机理转位，而噬菌体Mu
则可按任何一种机理转位。
图2-3 由交错切割形成的正向重复的靶DNA序列包翼在转位
子的两侧，其延伸的末端同转位子连接。(A)在靶子位点发生交
错切割；(B)转位子同单链末端连接；(C)补齐和封闭靶子位点
的裂口。(From. B. Lewin P.1006)
(3)转位作用的分子机理
在复制型转位过程中，转位子发生复制，因此被转移的实体是一份原本的转位子。
其中一份拷贝仍保留在原来的位置，而另一份拷贝则插入到基因组的新位点。因此，这种类型的转位作用是通过增加转位子的拷贝数得以实现的。Tn3转位子的转位作用便属于此种类型。
*1.复制型转位的酶催活性
复制型转位过程中涉及两种酶催活性，下面以Tn3转位子为例予以说明。
图2-4 复制型转位产生的一个转位子拷贝插入到一个受体位
点上。给体位点保持不变。因此，复制转位的结果是给体与受
体各具有一个转位子拷贝。
图2-5 非复制型转位中，转位子以一个物理实体从给体位点转移
并插入到一个受体位点。这样转移的结果使给体位点断裂，若不
被修复，就将基因组造成致死效应。
a.Tn3转位子编码的转位酶(Transposase)——作用于转
位子的末端，产生双链切割，使转位子从给体分子上
删除下去；并在靶子位点作交错切割，使转位子插入
进去。
转位酶由tnpA基因编码
b.Tn3转位子编码的另一种酶是解离酶(Resolvase)——
此种酶具有如下两重功能：
①作为阻抑物，抑制TnpA基因表达。
②解离酶功能，促使共合体结构中两个以同向重
复形式存在的转位子之间发生位点特异的重
组。
解离酶由tnpR基因编码
cointegrate共同体
图2-6 TnA转位子具有一对末端反向重复序列(IR)，一个中央位
置的res位点和3个基因。Res:site of resolution，即解离位点。
tnpA基因编码产物是一种转位酶，它同长度为38bp的末端反向重复序列中的一段约25bp的序列结合。
我们相信转位酶可①识别转位子的末端，而且同
样能够在供转位子插入的②靶DNA位点造成
(形成)交错的具5bp延伸序列的断裂。
tnpR基因编码产物是一种具有双功能的蛋白质。它一方面
可以起到阻抑物的作用，抑制tnpA基因和自身基因(tnpR)的表达活性；另一方面又可起到解离酶的功能作用(resolvase, 解离酶)。
*解离酶的功用是促进中央分解区发生位点特异的切割作用。
DNA-protein复合物的foot printing试验证明，TnpR解离酶是结合在res分解区，如图2-6所示，解离酶在分解区(res)中有3个各长30-40bp 的结合位点，它们是彼此独立地同解离酶发生结合作用。这3个结合位点共有一段二重对称(dyad symmetry)的同源保守序列。
所谓二重对称：系指旋转180°后产生相同结构
的对称体，它是用来描述双螺旋
DNA分子中含有回文对称的区
域。这种区域旋转180°后得到
相同的碱基序列。
tnpR基因的突变导致转位频率上升，其原因是TnpR蛋白质抑制了tnpA和tnpR两个基因的转录活性。因此，TnpR蛋白质的失活作用就会使TnpA蛋白质的合成活性上升，从而最终导致转位频率的增加。这意味着：TnpA转位酶是转位