转座子的发现过程

1. 转座子的发现过程

1926年建立的摩尔根基因学说认为，基因是稳定的，突变是随机的；基因在染色体上的位置固定不变，基因只能通过交换重组改变自己的相对位置,通过突变改变自己的相对性质.修正该学说的是美国女科学家芭芭拉·麦克林托克及其转座基因理论.玉米中Ac-Ds控制系统的发现在20世纪初，以埃默森为首的玉米遗传研究小组与以摩尔根为首的果蝇研究小组，成为当时蓬勃兴起的遗传学研究的两支重要力量.在1930年前后，麦克林托克在康乃尔大学从事玉米遗传学的研究，成为玉米遗传研究小组的骨干力量.她在玉米染色体遗传变异研究方面建树甚丰，比如易位、倒位、缺失、环状染色体、双着丝粒染色体、断裂—融合—桥周期和核仁组织区功能等，都包含着她的重要贡献.但是，真正使她名垂史册的却是她在玉米中对TEs的研究和长达40年对这一研究结果的坚持.在玉米遗传学中，埃默森首次发现，玉米籽粒上有时会出现斑斑点点的现象，他的猜测是：基因的不稳定性造成了这一结果.麦克林托克则从研究染色体尤其是断裂端的行为，开始步入这一领域.从1932年开始，麦克林托克在印度彩色玉米中观察到了籽粒和叶片色斑不稳定遗传现象：在某些籽粒中色斑显示出一些稀奇古怪的样式，而且色斑的大小和出现的早晚似乎与某些因素有关.玉米在经典遗传学研究中是一个理想的供试对象，因为它的籽粒和叶片有颜色变化，且与果蝇相比，玉米的10条染色体的形态特征都比较明显.这种色斑变化是由遗传结构的改变引起的，但具体机制人们并不清楚，因为当时人们还不知道什么是DNA.1941年6月，麦克林托克进入美国纽约长岛的冷泉港实验室，正式开始了她的著名研究.这期间，她年复一年地在田间观察和记录玉米籽粒和叶片的颜色发生的变化，并将采下的材料带回实验室，观察玉米染色体的断裂和重组情况.麦克林托克发现，玉米籽粒和叶片颜色的有无与一些位于9号染色体上的基因有关，比如基因C就是用来控制色素形成的.一般情况下，当基因C存在时，籽粒或叶片有色，否则就表现无色.但问题又并不那么简单，位于基因C附近有一个解离因子（Ds,Dissociation），它能够控制基因C的表达.当Ds存在时，基因C不能合成色素，所以籽粒或叶片仍然表现无色.Ds如果离开基因C（从原来位置上断裂或脱落），基因C又重新得以表达，籽粒或叶片表现有色.更有意思的是，Ds是否离开基因C，又受到第三者———激活因子（Ac,Activator）的控制.当Ac存在时，Ds从染色体上解离，从而解除了对基因C的抑制，基因C得以表达.Ac不存在时，Ds不解离，则基因C受到抑制而得不到表达.这就是麦克林托克花了6年时间（1944—1950）才发现的玉米“Ds-Ac调控系统”.在这一调控系统中，Ds与基因C位于同一染色体上的相邻位置，Ac与Ds却相距很远，甚至不在同一染色体上，但是它却对Ds起激活作用.Ds解离之后，可以移动位置，它可以离开基因C到达别的地方，也可以重新整合在基因C附近，也就是说它可以“跳动”.麦克林托克认为，由于Ds解离的时间有早晚、长短的不同，表现在籽粒上的色斑就有大有小.所以，玉米籽粒或叶片色斑的出现，以及色斑的大小，既取决于色素基因C的表达，也取决于另外一个或多个因子的调节和控制.

2. 转座子的简介

Transposona segment of DNA that can become integrated at many different sites along a chromosome (especially a segment of bacterial DNA that can be translocated as a whole)转座子是一类在细菌的染色体，质粒或噬菌体之间自行移动的遗传成分，是基因组中一段特异的具有转位特性的独立的DNA序列.转座子是存在于染色体DNA上可自主复制和位移的基本单位。最简单的转座子不含有任何基因而常被称为插入序列（IS），它们是细菌染色体或质粒DNA的正常组成部分转座(因)子是基因组中一段可移动的DNA序列，可以通过切割、重新整合等一系列过程从基因组的一个位置“跳跃”到另一个位置。复合型的转座因子称为转座子（trans—poson，Tn）。这种转座因子带有同转座无关的一些基因，如抗药性基因，它的两端就是IS，构成了“左臂”和“右臂”。两个“臂”可以是正向重复，也可以是反向重复。这些两端的重复序列可以作为Tn的一部分随同Tn转座，也可以单独作为IS而转座。Tn两端的IS有的是完全相同的，有的则有差别。当两端的IS完全相同时，每一个IS都可使转座子转座；当两端是不同的IS时，则转座子的转座取决于其中的一个IS。Tn有抗生素的抗性基因，Tn很容易从细菌染色体转座到噬菌体基因组或是接合型的质粒。因此，Tn可以很快地传播到其他细菌细胞，这是自然界中细菌产生抗药性的重要来源。两个相邻的IS可以使处于它们中间的DNA移动，同时也可制造出新的转座子。Tn10的两端是两个取向相反的IS1O，中间有抗四环素的抗性基因（TetR），当Tnl0整合在一个环状DNA分子中间时，就可以产生新的转座子。当转座子转座插人宿主DNA时，在插入处产生正向重复序列，其过程是这样的：先是在靶DNA插入处产生交错的切口，使靶DNA产生两个突出的单链末端，然后转座子同单链连接，留下的缺口补平，最后就在转座子插入处生成了宿主DNA的正向重复。

3. 转座子的作用

Transposon 
  a segment of DNA that can become integrated at many different sites along a chromosome (especially a segment of bacterial DNA that can be translocated as a whole)
  转座因子或转座子是一类在很多后生动物中（包括线虫、昆虫和人）发现的可移动的遗传因子。
  一段DNA顺序可以从原位上单独复制或断裂下来，环化后插入另一位点，并对其后的基因起调控作用，此过程称转座。这段序列称跳跃基因或转座子，可分插入序列（Is因子），转座（Tn），转座phage。
  转座子是一类在细菌的染色体,质粒或噬菌体之间自行移动的遗传成分,是基因组中一段特异的具有转位特性的独立的DNA序列.
  转座子是存在于染色体DNA上可自主复制和位移的基本单位。最简单的转座子不含有任何宿主基因而常被称为插入序列（IS），它们是细菌染色体或质粒DNA的正常组成部分
  转座(因)子是基因组中一段可移动的DNA序列，可以通过切割、重新整合等一系列过程从基因组的一个位置“跳跃”到另一个位置。 
  复合型的转座因子称为转座子(trans—poson，Tn)。这种转座因子带有同转座无关的一些基因，它的两端就是IS，构成了“左臂”和“右臂”。两个“臂”可以是正向重复，也可以是反向重复。这些两端的重复序列可以作为Tn的一部分随同Tn转座，也可以单独作为IS而转座。 
  转座子是细菌细胞里发现的一种复合型转座因子，这种转座因子带有同转座无关的一些基因，如抗药性基因；它的两端就是IS，构成了“左臂”和“右臂”。两个“臂”可以是正向重复，也可以是反向重复。这种复合型的转座因子称为转座子(trans—poson，Tn)。这些两端的重复序列可以作为Tn的一部分随同Tn转座，也可以单独作为IS而转座。Tn两端的IS有的是完全相同的，有的则有差别。当两端的IS完全相同时，每一个IS都可使转座子转座；当两端是不同的IS时，则转座子的转座取决于其中的一个IS。Tn有抗生素的抗性基因，Tn很容易从细菌染色体转座到噬菌体基因组或是接合型的质粒。因此，Tn可以很快地传播到其他细菌细胞，这是自然界中细菌产生抗药性的重要来源。 
  两个相邻的IS可以使处于它们中间的DNA移动，同时也可制造出新的转座子。Tn10的两端是两个取向相反的IS1O，中间有抗四环素的抗性基因(TetR)，当TnlO整合在一个环状DNA分子中间时，就可以产生新的转座子。当转座子转座插人宿主DNA时，在插入处产生正向重复序列，其过程是这样的：先是在靶DNA插入处产生交错的切口，使靶DNA产生两个突出的单链末端，然后转座子同单链连接，留下的缺口补平，最后就在转座子插入处生成了宿主DNA的正向重复。已知的转座因子的转座途径有两种：复制转座和非复制转座。 
  1．复制转座(replicative transposition) 转座因子在转座期间先复制一份拷贝，而后拷贝转座到新的位置，在原先的位置上仍然保留原来的转座因子。复制转座有转座酶(transposase)和解离酶(resolvase)的参与。转座酶作用于原来的转座因子的末端，解离酶则作用于复制的拷贝。TnA是复制转座的例子。 
  2．非复制转座(non-replicative transposition) 转座因子直接从原来位置上转座插入新的位置，并留在插入位置上，这种转座只需转座酶的作用。非复制转座的结果是在原来的位置上丢失了转座因子，而在插入位置上增加了转座因子。这可造成表型的变化。 
  保留转座(conservative transposition)也是非复制转座的一种类型。其特点是转座因子的切离和插人类似于入噬菌体的整合作用，所用的转座酶也是属于入整合酶(integrase)家族。出现这种转座的转座因子都比较大，而且转座的往往不只是转座因子自身，而是连同宿主的一部分DNA一起转座。 非复制转座可以是直接从供体分子的转座子两端产生双链断裂，使整个转座子释放出来，然后在受体分子上产生的交错接口处插入，这是“切割与黏接”(“cut and paste")的方式。另一种方式是在转座子分子同受体分子之间形成一种交换结构(crossover structure)，受体分子上产生交错的单链缺口，与酶切后产生的转座子单链游离末端连接，并在插入位点上产生正向重复序列；最 后，由此生成的交换结构经产生缺口(nick)而使转座子转座在受体分子。供体DNA分子上留下双链断裂，结果 或是供体分子被降解，或是被DNA修复系统识别而得到修复。 
  在复制转座过程中，转座和切离是两个独立事件。先是由转座酶分别切割转座子的供体和受体DNA分子。转座子的末端与受体DNA分子连接，并将转座子复制一份拷贝，由此生成的中间体即共整合体(cointegrat，)有转座子的两份拷贝。然后在转座子的两份拷贝间发生类似同源重组的反应，在解离酶的作用下，供体分子同受体分子分开，并且各带一份转座子拷贝。同时受体分子的靶位点序列也重复了一份拷贝。 
  酵母接合型的相互转换也是复制转座所产生。酿酒酵母(Saccharomvcescerf—visiae)的生命周期中有双倍体细胞和单倍体细胞两种类型。单倍体细胞则有a型和α型两种接合型(mating type)。单倍体酵母是a型还是α型，由单个基因座MAT所决定。MAT有一对等位基因MAT。和MATα，在同宗接合(homothallic)的酵母菌株中，酵母菌十分频繁地转换其接合型，即从a转换成α，然后在下一代又转换为a。这种转换和回复的频率已远远高于通常的自发突变，表明这不是通常的突变机制。现在已经知道，在MAT基因座两侧有两个基因带有MATα和ATα的拷贝，这就是HMLα和HMRα基因。这两个基因贮存了两种接合型等位基因，当转座给MAT基因座时就发生了接合型的转换。因此，MAT基因座是通过转座而转换其接合型的。MAT基因座的序列转换成另一个基因的序列，这种机制称为基因转换(gene convertion)。 
  1951年Barbara Mclintock首先在玉米中发现了控制元件，后来命名为转座元件或转座子(transposon)。转座子是基因组中一段可移动的DNA序列，可以通过切割、重新整合等一系列过程从基因组的一个位置“跳跃”到另一个位置。这一元件不仅可用于分析生物遗传进化上分子作用引起的一些现象，还为基因工程和分子生物学研究提供了强有力的工具，可以在不了解基因产物的生化性质和表达模式的情况下，分离克隆植物基因，即转座子标签(transposon tagging)，又称为转座子示踪法。其原理是利用转座子的插入造成基因突变，以转座子序列为基础，从突变株的基因文库中筛选出带有此转座子的克隆，它必定含有与转座子序列相邻的突变基因的部分序列，再利用这部分序列从野生型基因文库中获得完整的基因〔1〕。1984年，用转座子标签法首先在玉米中分离了bronze基因，该基因编码了玉米花色素合成途径的关键酶——UDP-葡萄糖类黄3-O-葡萄糖基转移酶〔2〕。此后还利用转座子标签技术分离了许多植物基因。 
  1 转座子概述 
  转座子可以分为两大类：以DNA-DNA方式转座的转座子和反转录转座子(retrotransposon)。第一类转座子可以通过DNA复制或直接切除两种方式获得可移片段，重新插入基因组DNA中。根据转座的自主性，这类元件又可以分为自主转座元件和非自主转座元件，前者本身能够编码转座酶而进行转座，后者则需在自主元件存在时方可转座，以玉米的Ac/Ds体系为例，Ac(Activator)属于自主元件，Ds(Dissociation)则是非自主元件，必需在Ac元件存在下才能转座〔1〕。第二类转座子又称为返座元(retroposon)〔3〕，是近年新发现的由RNA介导转座的转座元件，在结构和复制上与反转录病毒(retrovirus)类似，只是没有病毒感染必须的env基因，它通过转录合成mRNA,再逆转录合成新的元件整合到基因组中完成转座，每转座1次拷贝数就会增加1份，因此它是目前所知高等植物中数量最大的一类可活动遗传成分。目前共发现了3种类型反转录转座子：Tyl-copia类，Ty3-gypsy类和LINE(long interspersed nuclear Clements)类转座子，前两类是具有长末端重复的转座子，LINE类转座子没有长末端重复。高等植物中的反转录转座子主要属于Tyl-copia类，分布十分广泛，几乎覆盖了所有高等植物种类〔4〕。 
  克隆转座子主要有两条途径：其一，利用抗体识别或cDNA探针从野生型植株中获得表达量降低或不稳定基因座的序列，再从突变体中分离得到相应的转座子：其二是根据序列同源性，在基因组的不同位置分离同一家族的转座子成员。目前已经克隆的植物转座子约156种(来自Genbank的报告)，表1列出了常用于转座子标签的一些植物转座子。 
  表1 常用植物转座子标签的转座子 
  名 称 来 源 类 型 
  Ac(Activator) 玉米 Ⅰ类自主型转座子 
  Ds(Dissociation) 玉米 Ⅰ类非自主型转座子 
  Mu(Mutator) 玉米 Ⅰ类自主型转座子 
  Spm/En 玉米 Ⅰ类自主型转座子 
  Tam 金鱼草 Ⅰ类自主型转座子 
  dTphl 拟南芥 Ⅰ类自主型转座子 
  Tos17 水稻 反转录转座子 
  2 转座子标签的转座元件体系 
  1984年首次用转座子标签法克隆了玉米bronze基因之后，在其它高等植物中一直没有发现象Ac/Ds、Spm/En类转座活性很高的转座子，因此在很长一段时间内都是利用玉米和金鱼草中转座性质较清楚的内源自主性转座子。B.Baker等人首先证明了玉米的Ac/Ds转座元件在转基因烟草中有作用，此后又发现Ac/Ds在其他许多物种中如拟南芥、蕃茄、矮牵牛、亚麻、马铃薯、黄豆和水稻中都有活性〔5〕。1993年用Ac元件从矮牵牛中成功地克隆了一个花色素苷合成基因，开创了用外源转座子在异源宿主中分离克隆基因的先河〔6〕。 
  目前植物基因工程常用的转座元件体系分为天然和人工改造两大类，前者包括自主元件单因子体系和反转录转座元件体系，后者主要是人工改造的双元因子体系。 
  2.1 自主转座元件单因子体系：自主转座元件单因子体系利用了转座活性较高的自主转座子如玉米的Mu转座子、Ac转座子和矮牵牛的dTpH1转座子，已经克隆了拟南芥白化病基因(albino)、雄性育性基因、蕃茄的抗病基因Cf-9等基因〔7〕。这一转座体系具有两大优点：一是在植物中插入拷贝数高，如Mu元件每个基因组平均拷贝数可达100以上，因此可以在大田自然培养条件下获得大量突变个体；二是只需筛选相对较少量的植株就能标记所有基因。然而，这一体系也存在一些问题：自主转座元件高频率的转座有可能切除转座酶而留下一些序列导致永久突变；自主转座在体细胞内可能造成基因功能自动恢复；自主元件切除留下一些片段使转座元件不能与突变表型共分离，这些都增加了筛选克隆的困难，阻碍了转座子标签的推广〔8〕。 
  2.2 反转录转座元件体系：虽然反转录转座子作为一个整体，在整个植物基因组中拷贝数很多甚至是最多的一类成分，但它包括了许多亚群，有的亚群仅由一个或几个拷贝组成，这些以单拷贝或低拷贝方式存在的成分比较容易识别，同时实验证明反转录转座子的转座活动在组织培养中能被激活，因此它们是一类很有潜力的转座子标签体系。1996年Hirchick等人就利用水稻反转录转座子Tos17建立了水稻基因敲除体系(gene knock-out system)，Tos17可以在组织培养过程中被激活，插入水稻基因组中，使基因失效〔3〕。1999年Sato等利用这一体系分离了6个水稻kn1—型同源异型框基因，发现了引起水稻植株矮化的突变基因OSH15〔9〕。 
  最近Lucas等将烟草中的有活性的Ty1-copia类反转录转座子导入拟南芥〔8〕，发现它在后者中进行了转座，新的拷贝插入到其它基因的可读框中。之后又相继将它导入蕃茄和水稻中，在新的宿主中进行了表达，而且宿主的内源反转录转座子不影响新导入转座子的转座，说明反转录转座子并不受植物种类差异的影响。双子叶植物中的反转录转座子不仅可在异源双子叶植物中转座，也可以在单子叶植物中表达，这为反转录转座子用于转座子标签提供了更广阔的前景。 
  2.3 双元转座子体系：双元转座子体系由一个非自主转座元件和一个改造过后自身不能转座的自主转座元件组成，后者仍编码转座酶引起前者的转座，分别构建含两个元件的植物表达载体，转化植物培育了分别含有非自主性转座子和转座酶的株系，再通过转基因植株杂交，在F2代就能获得大量由转座子引起的突变体。Shimamoto等培育了含Ds转座元件和含Ac转座元件转座酶(AcTPase)基因的两种水稻株系(图1)，通过杂交筛选得到了大量矮化、花期改变的突变体〔10〕。 
  图1 含有Ds元件和Ac转座酶的 
  双元转座体系的构建 
  A:缺失Ac元件的部分片段获得非自主性转座子Ds元件，加上35S启动子和潮霉素抗性基因。 
  B:构建编码转座酶的转座因子，Ac元件的转座酶片段与35S启动子相连。 
  为了减少筛选子代突变体的工作量，可以在构建的转座元件上插入用于筛选转化和切除的标记基因如抗生素抗性基因、除草剂抗性基因等。Knapp等构建了带潮霉素磷酸转移酶基因的Ds元件DsHPT，并将该元件插入除草剂抗性基因(ABR)中(图2)，潮霉素抗性基因用于筛选含Ds元件的转基因植株，BAR基因用于筛选Ds从T-DNA位点切除的转基因植株〔7〕。 
  图2 Ds元件的改造 
  注：BL T-DNA左边界区； BR T-DNA左边界区； 
  Pnos胭脂碱合成酶启动子；HPT潮霉素磷酸转移酶基因； 
  BAR抗除草剂基因；P35S烟草花叶病毒35S启动子； 
  NPTII新霉素磷酸转移酶II。 
  3 标签的策略 
  根据利用转座子标签的目的不同，可以采取两种方式的标签策略：定向标签和随机标签。 
  3.1 定向标签(directed tagging)：定向标签是用一个稳定遗传的稳性纯合体与一个带有活跃转座元件的显性纯合体杂交，杂交后代可能产生3种表型：跟显性亲本表型一致，新的表型与隐性亲本表型一致，后两种子代是由于转座子插入了显性等位基因座。这一策略可以在F1代直接“标签”感兴趣的目的基因〔11〕。 
  3.2 随机标签(random tagging)：随机标签是将带有功能性转位因子的显性纯合系植株与不带转位因子的同种植株杂交，产生的F1子代再自交，在F2代中就可筛选到转座子随机插入引起突变表型的突变株，这一策略的目的是为了发现、鉴定带有多种不同特征的新突变〔11〕。 
  4 标签基因的分离和克隆 
  4.1 Southern-based分离法：这是转座子标签分离克隆“标签”基因的常用方法，它是通过杂交得到纯合突变株，构建该类突变株的核基因文库，以转座子片作作为探针从该基因文库中筛选中同源的转座子，因为转座子已插入目的基因中，于是就筛选得到含突变基因的片段，再将这一片段亚克隆标记作为探针，去筛选另一个正常植株的核基因文库，获得完整的正常目的基因。为了增加转座子插入特定基因的机率，需要采用高效转座子体系，如玉米的Mu元件，但它的标签群在一个基因组内可达100个拷贝，这又给Southern-based分离法分析突变现象，鉴定特定插入序列的工作带来了相当大的工作量，只能通过多代与含低拷贝数元件的株系杂交来减少每一植株中插入序列的数量〔12〕。 
  4.2 PCR-based分离法 
  4.2.1 反向PCR分离法：Souer等1995年设计了将反向PCR(Inverse polymerase chain reaction, IPCR)和差别筛选结合的方法，从矮牵牛W138中分离了高效转座子标签dTph1标记的基因(图3)〔13〕。W138中含有200个拷贝以上的内源dTph1元件，自交后代形成大量不稳定的突变本，包括花色素合成、植物和花发育、育性或叶绿素合成等方面的突变体，用常规方法分离新基因需花大量的时间将突变株与含低拷贝数转座元件的株系多次杂交。Souer等利用反向PCR扩增突变体和野生型的dTph侧翼序列，其中突变体的扩增产物克隆到M13mp18载体上，感染细菌，再以突变体和野生型的扩增片段为探针与噬菌斑复制滤膜杂交，筛选差示克隆，分离dTph1插入的侧翼片段作为探针，再从野生型基因文库中筛选基因。反向PCR和差别筛选结合的方法不仅仅可以用于分离高拷贝转座子元件标签的基因，而且可以用于克隆基它植物轻微变异株中被标签基因，加速低拷贝转座元件标签基因的分离。此外，采用嵌套的反向PCR引物可以提高有效扩增dTph1侧翼序列的产量〔13〕。 
  图3 特异性克隆突变植株转座元件侧翼序列 
  4.2.2 TAIL-PCR分离法：刘耀光等设计热不对称交错PCR方法，(Thermal asymmetric interla 
  ced PCR TAIL-PCR)最初用于YAC和Pl载体克隆基因的分离，后又用于转座子标签基因的分离，取得了成功〔14〕。其基本原理是利用多个嵌套的转座子插入序列特异性引物和一个短的随机简并引物(Arbitrary degenerate primer AD)组合，以突变体基因组DNA为模板，进行多次PCR反应，特异性引物的Tm值一般在57-62℃间，而AD引物的Tm值则在44-46℃范围，采取高温特异性扩增与低温随机扩增相间进行的方法，最后获得转座子插入侧翼区特异性扩增片段，可作为探针，筛选分离基因(图4)。 
  图4 TAIL-PCR特异性扩增插入位点 
  侧翼基因组序列流程图 
  TAIL-PCR分离法可以降低非侧翼区特异产物的背景，同时它可以产生2个以上嵌套的目的片段，与其它方法相比TAIL-PCR方法具有简便、特异、高效、快速和灵敏等特点，已经在拟南芥和水稻中获得了成功。 
  4.2.3 AIMS分离法：Gierl等建立的插入突变位点扩增法(Amplification of insertion Mutagenised sites AIMS)是以PCR为基础的分离转座子标签基因的方法，用它已经成功地从玉米Mu元件标签系统中分离了Bx1基因〔12〕。其原理如图5所示，用2种限制性内切酶消化突变植株的基因组DNA，酶切片段一侧加上接头序列，再采用一组嵌套的插入序列特异引物和一个接头序列互补的引物进行PCR反应扩增插入序列的侧翼序列，为了减少扩增产物的复杂性，在与接头互补引物3’末端加上一个碱基(A/T/C/G)，分离的侧翼序列可作为探针筛选目的基因。 
  利用AIMS进行转座子插入侧翼序列的分离可以减少分析片段的复杂性，同时扩增产物可以不经任何纯化步骤，直接用作探针从cDNA文库或基因组文库中筛选目的基因。但是AIMS也存在一些问题，如难获得500bp以上的片段，可能是由于人工的未切动的DNA片段存在或是TaqDNA聚合酶不能完全扩增，解决这一问题就需要寻找一些更合适的限制性内切酶。 
  5 展望 
  目前转座子元件是植物分子生物学操作和植物基因工程中分离克隆基因和研究基因功能最有力的工具之一，其中的一大类—反转录转座子具有分布广、异源转座高和受组织培养诱导激活等优势，因此它的发现和利用又为转座子标签的应用提供了更广阔的前景。此外通过对现有转座元件的改造以及转座元件作为载体改造的工具，也将大大加速植物基因和功能序列的分离与研究，如利用转座子元件构建启动子捕捉载体，效率比T-DNA标签高〔11〕。 
  但转座子标签推广还存在一些困难，例如筛选鉴定转座元件引起的表型突变体。目前，各种突变体筛选方法都在植物个体水平进行研究，先要得到基因型包含转座子插入突变的植株的种子，再在104～106个后代的群体中筛选突变体，工作量非常大，定向标签还要求有隐性纯合系可进行杂交。最近开始研究利用单倍体进行细胞水平的突变体筛选，因为单倍体可直接表达隐性基因，瞿绍洪等鉴定了玉米转座因子Ac在单倍体烟草中的转座活性，这将有助于在单倍体细胞中进行转座因子研究〔15〕。 
  对转座子标签突变体筛选、标签基因分离等方面的改进将使这一技术更为完整，不仅为植物基因工程发展分离了更多的基因，同时可以大大促进植物基因表达机制等基础理论的研究

4. 转座子的介绍

转座因子或转座子是一类在很多后生动物中（包括线虫、昆虫和人）发现的可移动的遗传因子。 一段DNA顺序可以从原位上单独复制或断裂下来，环化后插入另一位点，并对其后的基因起调控作用，此过程称转座。这段序列称跳跃基因或转座子，可分插入序列（Is因子），转座（Tn），转座phage。

5. 转座子的研究进展

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有利于基因组的进化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%与线虫同源、46%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。高等植物的转座子标签法基因研究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。影响基因同义密码子的使用刘庆坡等人利用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。果蝇P因子的应用研究在低等生物中，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。用于哺乳动物基因功能的研究复旦大学的丁升、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。”

6. 转座子的起源和存在的意义是什么？

有人这么描述转座子：基因组从出现就一直在经历一场和转座子及逆转录病毒的战争。真核生物的基因组到处是这场战争留下的疤痕，比如人类的基因组有45%的内容都跟转座子有关。起源问题留给更专业的人来回答，要说到存在的意义，我来讲几个植物里的故事吧。1. 转座子和孟德尔的豌豆大家应该都记得孟德尔豌豆的黄圆绿皱吧？其中「皱」这个性状就和转座子有关，这个研究在1990年1月发表于《Cell》杂志「2」。我们当年再学高中生物的时候，一般把这个位点称为R/r, 它代表「皱」（rugosus）, 它是隐形的，所以只有当两个等位基因都是r的时候，表型才会是「皱」。控制这个性状的基因是一个淀粉分支酶 (starch-branching enzyme, SBEI)，这个基因被克隆后，发现在表型为「皱」的rr植物里，这个基因都有一个0.8kb的转座子插入，这个转座子和玉米里的Ac/Ds比较类似。这个插入就会导致淀粉分支酶SBEI失活，从而影响到种子里淀粉，脂类，以及蛋白质的代谢, 最终导致了「皱」的表型。黑色部分就是转座子的插入。2. 转座子与酿酒葡萄：卡本内 (Cabernet),霞多丽（Chardonnay）和奥山红宝石(Ruby Okuyama)葡萄的颜色主要是由花青素 (anthocyanins)决定的，而花青素的合成主要由一些Myb相关基因控制，比如VlmybA1-1, VlmybA1-2, VlmybA2。关于葡萄颜色的研究又是一篇Science我们把紫色的卡本内 (Cabernet)当作野生型来看的话，一个叫做Gret1的LTR反转录转座子插入了这个Vvmby1A基因,这个功能缺失突变就导致了绿葡萄的产生，比如霞多丽 (Chardonnay)。 之后的一次Gret1的重排事件导致了表型的部分恢复，这个事件就导致了另一种红颜色葡萄的出现，比如奥山红宝石 (Ruby Okuyama)。

7. 转座子的基本概念了解

 转座元件，是一种跳跃基因，是指一段DNA序列由基因组的一个位置跳跃到另一个位置，由Barbara McClintock教授在大约五十年前发现。转座子主要包含两种类型：   一类转座子： retrotransposons，通过RNA的媒介作用，通过RNA的反转录获得DNA，从而转移到其他基因组位置。   二类转座子：DNA transposons
                                           如图所示，人类中90%都是一类转座子，主要一类逆转录酶来讲RNA转换为DNA，然后插入到目的基因组的位置。目前有主要有两种类型的一类转座子：1.LTR retrotransposons，long terminal repeats，双末端都是长的重复序列；2.non-LTR TEs，双末端缺乏重复序列。LINE1（L1）和 Alu基因都是 non-LTR；L1元件通常是6 kilobases的长度；相比较而言，Alu元件平均只有几百核苷酸，因此他们是短穿插转座元件（short interspersed transposable element：SINE），Alu特别多产，起源于灵长类，并在较短的时间内扩展到人类每个细胞约一百万个拷贝；L1在人类中也非常普遍，虽然拷贝数量不像Alu那么多，但是由于其长度较长因此在人类基因组中占大约15%-17% ( Kazazian, H. H., & Moran, J. V. The impact of L1 retrotransposons on the human genome. Nature Genetics 19, 19–24 (1998) ; Slotkin, R. K., & Martienssen, R. Transposable elements and the epigenetic regulation of the genome. Nature Reviews Genetics 8, 272–285 (2007) )。这些non-LTR TEs是唯一活跃的转座子类别。 LTR retrotransposons 和DNA转座子只是古老的基因组遗物，不能进行基因组跳跃。
                                           逆转座子 Retrotransposons 根据是否具有编码逆转座所需的ORF分为自主和非自主类。普通的自主类Retrotransposons 分为(i) LTRs or (ii) non-LTRs。图上所示的LTR retrotransposons的例子是人类内源性逆转录病毒（HERV）；L1是 non-LTRs的例子，包含一个5' UTR有一个内部启动子，两个开放阅读框，一个3' UTR，和一个polyA信号加上polyA尾。L1的两侧通常是7-20bp的靶向位点重复（TSDs）。Alu元件是 nonautonomous retrotransposon的一个例子，包含两个相似的单体，左和右，结尾一个polyA尾。图中括号内给出了元件全长的大小。   图中的一些缩写：
   1类和2类TE可以是自治的也可以是非自治的。 自治TE可以自行移动，而非自治元素需要存在其他TE才能移动。这是因为非自治元件缺少转座所需的转座酶或逆转录酶基因，因此它们必须从另一个元件“借来”这些蛋白质才能移动。例如，Ac元件是自主的，因为它们可以自行移动，而Ds元件是非自主的，因为它们需要Ac的存在才能进行转置。
   人类基因组中大约一半由TE组成，其中很大一部分是L1和Alu逆转座子，这一事实提出了一个重要的问题：除了跳跃外，所有这些跳跃基因还做什么？ 转座子的大部分功能取决于它的着陆位置。 如将L1插入VIII因子基因引起血友病时发现，落在基因内部可导致突变（ Kazazian, H. H., et al. Haemophilia A resulting from de novo insertion of L1 sequences represents a novel mechanism for mutation in man. Nature 332, 164–166 (1988)  ）。 同样，几年后，研究人员在同一个人的结肠癌细胞的APC基因中发现了L1，但在健康细胞的APC基因中未发现L1。 这证实了L1在哺乳动物的体细胞中转座，并且该元素可能在疾病发展中起因果作用（ Miki, Y., et al. Disruption of the APC gene by a retrotransposal insertion of L1 sequence in colon cancer. Cancer Research 52, 643–645 (1992) ）。
   与L1相反，大多数TE似乎是沉默的-换句话说，这些元件不会产生表型效应，也不会在基因组中主动移动。至少这是普遍的科学共识。 一些沉默的TE是失活的，因为它们的突变会影响其从一个染色体位置移动到另一个位置的能力。 其他分子则完好无损且能够移动，但通过 表观遗传防御机制 （例如DNA甲基化，染色质重塑和miRNA）保持失活。 例如，在染色质重塑中，对染色质蛋白的化学修饰导致染色质在基因组的某些区域变得狭窄，以致于这些区域中的基因和TE被沉默，因为转录酶根本无法访问它们。因为转座子的运动可能具有破坏性，所以人类基因组中的大多数转座子序列都是沉默的也就不足为奇了，尽管TE盛行，但该基因组仍保持相对稳定。实际上，研究人员认为，在由L1相关序列编码的人类基因组的17％中，仅剩余约100个活性L1元素。此外，研究表明，即使是少数剩余的活性转座子，也可以通过表观遗传沉默以外的多种方式来抑制跳跃。
   并非所有的转座子跳跃都会导致有害作用。实际上，转座子可通过促进基因组序列的易位，外显子的改组和双链断裂的修复来驱动基因组的进化。插入和转座也可以改变基因调控区和表型。转座子增加遗传多样性的能力，以及基因组抑制大多数TE活性的能力，导致平衡，使转座因子成为所有携带这些序列的生物中进化和基因调控的重要组成部分。

8. 你知道转座子的起源是什么吗？

大家应该都记得孟德尔豌豆的黄圆绿皱吧？其中「皱」这个性状就和转座子有关，这个研究在1990年1月发表于《Cell》杂志「2」。我们当年再学高中生物的时候，一般把这个位点称为R/r, 它代表「皱」（rugosus）, 它是隐形的，所以只有当两个等位基因都是r的时候，表型才会是「皱」。控制这个性状的基因是一个淀粉分支酶 (starch-branching enzyme, SBEI)，这个基因被克隆后，发现在表型为「皱」的rr植物里，这个基因都有一个0.8kb的转座子插入，这个转座子和玉米里的Ac/Ds比较类似。这个插入就会导致淀粉分支酶SBEI失活，从而影响到种子里淀粉，脂类，以及蛋白质的代谢, 最终导致了「皱」的表型。血橙又是一个有意思的例子，不知道现在在国内是不是容易买到血橙，有研究表明血橙可以降低心血管疾病的风险，以及在小鼠实验中有避免肥胖症的功效。目前主要的栽培品种主要有三种：塔罗科血橙（Tarocco，原生于意大利）、桑吉耐劳血橙（Sanguinello 原生于西班牙）以及摩洛血橙（Moro），为最新的变种「5」。而Jingxian是一个独立起源于中国的血橙品种。血橙的商业生产一直不太稳定，因为其果肉的颜色会受到温度的影响。这个转座子属于LTR反转录转座子，它插入在Ruby基因的上游，导致Ruby会在低温条件下表达。奈维林娜 (Navalina)是一种脐橙，这种橙子带有未被转座子插入的Ruby基因，在果肉里只会微量的表达，而塔罗科血橙 (Tarocco), 转座子正好插入了Ruby编码序列的上游，这个转座子为Ruby提供了一个新的启动子，使其可以在果肉里表达，从而导致了其果肉更深的颜色。同时，这个启动子还会受到低温调控，所以这个基因表达会受到温度的影响。在摩洛血橙 (Moro)里，一个在LTR间的重组使得Ruby的表达量更大，所以Maro的颜色也就更深了。