Tc1/Mariner转座子超家族的研究进展

随着高通量测序技术的迅猛发展,越来越多的生物基因组注释结果表明:转座子几乎存在于所有生物的基因组中,是大多数生物基因组的重要组分。其中,Tc1/Mariner转座子是自然界中分布最广泛的一类DNA转座子超家族,在自然界已经发现14个有活性的Tc1/Mariner转座子(如Minos,Mos1等),另外通过分子重构也获得高活性的人工转座子,如睡美人转座子(Sleeping Beauty,SB)。SB和Mos1等转座子作为基因转移载体已被广泛应用于转基因、基因捕获和基因治疗等领域的研究中,并取得了很好的应用效果。本文将重点综述Tc1/Mariner转座子的结构、分类、分布、转座机制、活性转座子的挖掘,及其在转基因、基因捕获和基因治疗等研究领域的应用。

Tc1/Mariner转座子超家族在褶皱臂尾轮虫中的进化和表达分析

为了探究Tc1/Mariner转座子超家族对褶皱臂尾轮虫(Brachionus plicatilis)基因组结构和基因表达调控的影响,本研究基于褶皱臂尾轮虫的基因组和转录组数据,对褶皱臂尾轮虫的重复序列进行了注释,并对褶皱臂尾轮虫的转座子的表达和其临近基因的表达进行了统计和富集,在基因上下游及内部区域富集到了10个转座子家族(其中3个家族属于Tc1/Mariner超家族)。在针对褶皱臂尾轮虫的Tc1/Mariner超家族分析中,共发现其7个亚家族:Tc1(DD34E)、Tc2(DD35D)、Mariner(DD34D)、Pogo(DDxD)、Sagan(DD30D)、Tigger(DD32/36D)和Fot1(DD30D),并主要分布在基因间区,对转座酶催化区域的结构和系统发育分析显示拥有完整转座酶的3个亚家族(Tc1、Tc2和Pogo)保守性强且聚类情况良好。基于转录组数据发现各个家族的表达模式较为相似,在雄性阶段表达较高。Tc1/Mariner超家族临近基因的功能大量涉及到环境信息处理和生物发育调节,反映了褶皱臂尾轮虫基因组对环境的适应。本研究通过对褶皱臂尾轮虫Tc1/Mariner转座子超家族在基因组中的进化和表达进行系统分析,为从功能角度认知Tc1/Mariner转座子并理解Tc1/Mariner对基因组进化的作用提供了新的线索。

刀鲚类Tc1转座子的分子特征及拷贝数变化的意义

为了探讨刀鲚2种不同生活史种群的遗传结构差异以及成因,本研究利用分子克隆及转座子展示技术,从刀鲚基因组中分离、鉴定出一类新的、命名为Cn-Tc1的转座子。该转座子全长1896 bp,为鳀科鱼类第一类被挖掘的Tc1转座子。Cn-Tc1自身包含另一个长度为1040 bp的类Tc1,表明Cn-Tc1在基因组内的转座经历过多次迸发。Cn-Tc1的5’和3’末端反向重复序列长度分别为64和83 bp,转座插入位点具有"TATA"基序。预测的Cn-Tc1转座酶具有与DNA结合的保守结构,提示其仍具有转座潜能。Cn-Tc1插入位点侧翼序列的GC含量呈不均匀分布,均值低于AT含量。运用荧光定量PCR方法,估算了靖江、象山、洞庭湖、鄱阳湖、太湖以及崇明等水域刀鲚种群基因组中Cn-Tc1拷贝数,分别为3.140×103、2.992×103、6.876×103、5.205×103、5.531×103和3.046×103个。单因素方差分析发现,象山、崇明、靖江种群间的拷贝数差异性不显著,而与其他种群的差异性均显著;鄱阳湖、太湖和洞庭湖种群之间差异性亦不显著,但与其他种群均呈显著性差异。研究结果表明,Cn-Tc1促进了遗传结构的改变,为刀鲚种群的适应性进化提供了自然选择的基础。

鲤基因组中1个新Tc1类转座子的发现与鉴定

在鲤(Cyprinus carpio)基因组中鉴别出一个新的具有潜在转座活性的Tc1类转座子,并命名为CCTN转座子(Cyprinus carpio Transposon,CCTN)。CCTN转座子全长1 611 bp,由两端约214 bp的反向重复序列(Inverted Repeat,IR)和中间不间断的996 bp的转座酶开放阅读框(Open Reading Frame,ORF)组成。CCTN转座子推测的转座酶序列中存在完整的DD(34)E结构域,此结构域是Tc1类转座酶作用的必需位点之一。采用实时荧光定量PCR评估CCTN转座子在鲤基因组中的拷贝数约为2.28×103,占全基因组的0.21%。分子系统学研究表明,CCTN转座子是一个新的鱼类Tc1类转座子,其与斑马鱼(Danio rerio)Tzf-28、大西洋鲑(Salmo salar)SALT1和鲽(Pleuronectes platessa)PPTN2等Tc1类转座子亲缘关系较近。

斑马鱼转座子时空表达特性

转座子是基因组中可移动和扩展的元件,能够插入新的位点,影响基因组和基因的结构和功能,是基因组进化的内在驱动。为探讨转座子的时空表达特性,首先通过生物信息学方法鉴定出斑马鱼9个疑似活性转座子,包括DNA转座子Tc1家族(Tc-a、Tc-b、Tc-c、Tc-d、Tc-e)、反转录转座子ERV家族(ERV-1、ERV-2)和LINE家族(L1-323、L1-21),然后采用实时荧光定量PCR法检测上述转座子在斑马鱼早期胚胎发育7个阶段及成鱼各主要脏器的表达活性。结果表明:Tc1家族在0.75、2.00、3.00 h各阶段无转录活性,在6.00、15.00、24.00、48.00 h各阶段各转座子均有较高转录活性;反转录转座子转录活性最早出现于3 h,最晚出现于15 h,且随着发育时间的延长,转录活性显著增强。9种转座子在成鱼心脏、大脑、肌肉、肝脏、睾丸和卵巢均有表达,且大脑和心脏中的表达水平显著高于其他组织,睾丸表达水平最低。分析表明转座子的表达具有时间和组织的特异性,可能参与斑马鱼胚胎和组织器官发育调控,尤其是大脑和心脏发育。这些结果为进一步研究转座子是否具有基因表达调控功能提供重要参考。

亚东鲑基因组中Tc1-like转座子的序列歧化特征分析

根据鱼类Tc1-like超家族转座子的末端反向重复序列设计单引物,对西藏亚东鲑基因组进行PCR扩增、回收、克隆和测序,鉴定出亚东鲑两条长度为1 607 bp和1 473 bp的Tc1-like超家族转座子序列,命名为Tbt1和Tbt2。序列分析表明,亚东鲑Tbt1转座子左右两端分别存在一个196 nt和225 nt的末端反向重复序列(Inverted terminal repeats,ITR),在左右ITR中分别包含2个12 nt的亚末端反向重复序列(Subterminal inverted repeats,SIR);亚东鲑Tbt2转座子分别存在一个32 nt和31 nt短的ITR,其左右ITR中各仅包含1个12 nt的SIR。亚东鲑Tbt1、Tbt2转座子的转座酶编码区在进化过程中各已积累了4个和9个终止突变,两者均不能表达完整的转座酶。亚东鲑Tbt2与其它鲑科鱼类Tc1-like转座子的相似度低于30%,而与金鱼Tca2转座子的序列相似度高达98%,显示该转座子的获得可能起源于基因水平转移(horizontal gene transfer,HGT)方式。

类Tc1转座子研究进展

转座子广泛存在于各种生物基因组中,能在染色体不同位点间转座,并在基因组中大量扩增.转座子的活动能引起生物基因组或基因的重组和变异,加速生物多样性及其进化速率,被视为生物基因组进化的内在驱动.转座子分2类:反转座子和DNA转座子.类Tc1转座子是DNA转座子超级家族中种类最多、分布最广的一类.本文简要概述了类Tc1转座子的结构特征,及其扩增、转座和迸发的机制,并展望了其应用和研究方向.

一个可区分银鲫F系和A^＋系BAC序列的特征、染色体定位和SCAR标记筛选

为了揭示F系和A^+系的遗传差异以及解析F系的遗传特征,研究基于前期基因组Survey分析发现一个特异于银鲫F系大小为782 bp片段的基础,首先采用混合池筛选方法从银鲫F系BAC文库中筛选出一个包含该特异片段的BAC克隆(F782-BAC)。鸟枪法测序结果表明,F782-BAC序列全长大小为172625 bp,富含转座子序列,包含1个具备完整结构的Tc1-like转座子,以及不具备完整结构的transposase-like、PIF/Harbinger、target-primed reversed transcription(TPRT)和transpon X-element等6个转座子。用地高辛标记F782-BAC质粒得到的DNA探针进行了银鲫F和A^+系有丝分裂中期相的染色体荧光原位杂交,结果表明不论是在F系还是A^+系的有丝分裂中期相中,3个阳性荧光信号皆清晰地定位于3条大小相同的近端着丝粒染色体短臂的近着丝粒位置。进一步开展了银鲫A^+系相应同源的F782-BAC序列的差异鉴定和序列分析,揭示A^+系缺失了大小为3395 bp的一段序列,且特异于银鲫F系大小为782 bp的片段正好位于其中,并由此筛选出可作为区分银鲫F系和A^+系的SCAR标记。研究为银鲫的多倍化起源提供了进一步的染色体定位证据,鉴定的SCAR标记可为银鲫分子标记辅助育种提供新的遗传标记。