植物MITEs轉座子及其應用

朱克明　楊艷華

摘要：轉座子是存在于染色體DNA上可自主復制和位移的基本單位。簡單介紹了轉座子的種類、結構和特性， 綜述了MITEs轉座子的研究進展及其應用。

關鍵詞：植物；MITEs轉座子；種類；結構；特性

中圖分類號：Q784 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）22-5497-04

Abstract： The transposon， existing in the chromosome DNA， is the basic unit of self-duplication and displacement. In this review， the category， the structure， and the characteristic of the transposon were introduced， and the research progress and application of plant MITEs transposon were summarized.

Key words：plant； MITEs（miniature inverted-repeat transposable elements）； category； structure； characteristic

1951年美國的McClintock在玉米中首先發(fā)現了DNA轉座子（DNA-transposon），以后陸續(xù)在矮牽牛、金魚草、甜豌豆等其他高等植物和動物中也證實了轉座子的存在。另外，在一些多細胞綠藻中也發(fā)現了轉座子的存在。研究證實，在高等真核生物中轉座子構成了其基因組的重要組成部分，例如人類基因組的45%，玉米基因組的60%都是由轉座子構成的[1，2]。雖然轉座子在水稻和擬南芥的基因組中所占的比例較低，但仍然大量存在，例如水稻基因組的29%是由轉座子構成的[3]。盡管轉座子的研究已經有50多年的歷史，但是轉座子在基因組進化中的作用尚不清楚。隨著分子生物學和分子遺傳學的不斷發(fā)展，人們能夠從分子水平上研究轉座子的結構與功能，對轉座子本質的認識不斷深化，也使轉座子的應用前景更加廣闊。近年來，轉座子的應用研究日益受到人們的重視，許多研究表明，轉座子在許多植物的基因和基因組進化中起著重要作用[4-12]。

1 轉座子的種類和特性

轉座子根據其轉座方式的不同可以分為兩類：類型Ⅰ轉座子（Class I），又稱作反轉錄轉座子（Retrotransposon），其轉座過程以RNA為中間媒介，將原有的元件復制并粘貼到新的位點，這類轉座子在基因組中一般呈多拷貝分布；類型Ⅱ轉座子（Class II），也稱作DNA轉座子（DNAtransposon），是以DNA為媒介，將元件從初始位置剪切出來，單鏈的或雙鏈的，然后粘貼到新的位點，其拷貝數一般較少[13]。

1.1 反轉錄轉座子

反轉錄轉座子其轉座過程是轉座因子DNA先被轉錄成RNA，再借助反轉錄酶（RNaseH）反轉錄成DNA，之后插入到新的染色體位點，從而引起基因的突變或重排。因為反轉錄轉座子是通過復制的方式實現轉座，每轉座一次，其拷貝數就增加一份，因而極大地增加了植物基因組的大小，是構成植物基因組的主要成分。Sanmiguel等[14]依據對玉米核基因組基因間填充成分研究的結果推斷，高等植物基因組大小的差別主要是由基因間填充的反轉錄轉座子拷貝數的多少造成的。反轉錄轉座子主要包括長末端重復（Long terminal repeat， LTR）反轉錄轉座子和非長末端重復（Non-long terminal repeat，Non-LTR）反轉錄轉座子。LTR根據其編碼序列的結構可以進一步分為Copia和Gypsy，Non-LTR包括LINEs（Long interspersed elements）和SINEs（Short interspersed elements）兩類[8，9]。

1.2 DNA轉座子

DNA轉座子是以DNA-DNA方式轉座的轉座子，可通過DNA復制或直接切除兩種方式獲得可移動片段，重新插入基因組DNA中，導致基因的突變或重排，但一般不改變基因組的大小。DNA轉座子根據轉座的自主性又分為自主轉座子和非自主轉座子，前者本身能夠編碼轉座酶而進行轉座，后者則要在自主轉座子存在時才能夠實現轉座。玉米的Ac/Ds體系就是典型的一例。Ac（Activator）屬于自主轉座子，Ds（Dissociation）屬于非自主轉座子，只有在Ac存在時，Ds才能轉座。從結構上看，MITEs （Miniature inverted-repeat transposable elements）屬于典型的非自主性DNA轉座子。

2 MITEs轉座子的研究概況

2.1 MITEs轉座子的發(fā)現

在分析玉米wx-B2突變的插入時，發(fā)現一個短的轉座子（128bp）在基因組中大量存在[15]。這些轉座子有14 bp的TIRs以及兩側有3 bp的TSDs。然而，這些轉座子的序列與已知任何的TE，甚至在TIR區(qū)域都沒有相似性。引人注目的是，不同于任何其他含有TIRs的TEs，這些轉座子在玉米基因組中具有較高的拷貝數[15]。這個轉座子家族被命名為Tourist。兩年后，通過計算分析草本基因組時，發(fā)現命名為Stowaway的另一類型轉座子的幾個家族[16]。Stowaway轉座子的TSDs是一個不可變并含有二核苷酸“TA”，與單子葉植物及雙子葉植物的基因相關聯(lián)。隨后在真菌、人類、蚊子、甲蟲、硬骨魚等多種生物中也陸續(xù)證實了MITEs的存在。截至2001年，已確定的MITEs可進一步被分為七類：Tourist、Stowaway、Gaijin、Castaway、Ditto、Wanderer和Explorer。最近， 在蘋果中發(fā)現了一類新的MITEs轉座子Spring[17]。

2.2 MITEs轉座子的特征

從結構上看，MITEs屬于典型的非自主性DNA轉座子。它們一般較短（100～700 bp），含有類似于DNA轉座子的末端倒轉重復（Terminal inverted repeats，TIRs，10-30 bp）和插入位點復制區(qū)（Target site duplications，TSDs，2-3bp）。其中大部分MITEs長度在400 bp左右，同時其側翼具有相似的反向重復，例如：

5′GGCCAGTCACAATGG..～400 nt..CCATTGTGACTGGCC 3′

3′CCGGTCAGTGTTACC..～400 nt..GGTAACACTGACCGG 5′

2.3 MITEs轉座子的鑒定

20世紀90年代中期，隨著大量基因組序列的公布，MITE家族的數量也迅速增長[18]。需要有專門的軟件，以便在一個較大的基因組中來確定轉座子MITEs的結構特征。FINDMITE軟件使用的是平均大小為829 bp的序列，并成功地在蚊子基因組中找到了MITE家族[19-21]。該軟件要求用戶預先定義TSD序列或長度、TIR的長度以及TIRs之間的最小距離。不符合預先設定的參數、TIRs序列有大量變異或失去TSDs的轉座子很可能會漏掉[22]。MUST軟件（MITE Uncovering SysTem）是基于字符串匹配，在500 bp長度的片段中搜素TIR結構[23]。然后，驗證是否該區(qū)域兩側有成對的TSD。當檢索完所有候選轉座子，MUST根據TIRs之間的序列相似性將轉座子分為不同家族。FINDMITE軟件，由于基因組中TE結構比較復雜，它可能會產生大量的假陽性和假陰性[24]。MITE-Hunter軟件利用多重序列比對來篩選序列，另外符合MITE特定標準，但有相似的側翼序列。MITE-Hunter軟件將候選序列歸為不同家族，并建立共識序列。在水稻基因組中，MITE-Hunter軟件的假陽性率為4.4%～8.3%，FINDMITE軟件的假陽性為85%，MUST軟件的假陽性率為86%[24]。為了減少MITEs高拷貝數而引起的計算冗余，開發(fā)了MITE Digger軟件，該軟件可以全基因組鑒定MITE家族。運用該軟件處理水稻基因組的時間減少到15 h左右，而且假陽性率（1.8%）和假陰性率（0.9%）比較低[25]。

3 MITEs在實際研究中的應用

轉座子插入是基因組中頻繁發(fā)生的事件。據估計，水稻兩個亞種在分化后基因組分別增大2%和6%就是由于LTR轉座子插入造成的[26]。在水稻基因組中，轉座子約占26%，Class I和Class II分別為15%和11%[27]。從拷貝數上看，Class II要多于Class I，其主要原因在于水稻基因組中含有約100 000份拷貝的MITEs，占據了水稻轉座子的71.6%及將近20%的核苷酸序列長度，是水稻基因組中含量最多的轉座因子[28，29]。對水稻4號染色體的分析表明，MITEs約占重復DNA總量的50%[30]。由于MITEs較小而不能編碼任何蛋白質，尚不確定它們是如何復制及如何移動到一個新的位置，或許較大的轉座子能夠編碼轉座所必需的酶及識別相似的反向重復。在水稻中某些品系的突變就是MITEs在基因中的插入引起的。對于系統(tǒng)發(fā)育研究而言，MITEs是比較好的分子標記，首先它們一般長度較短（100～700 bp），并且作為一種可移動因子極少受到選擇作用，進化速率更快、信息量更大，適合于低分類等級的研究；其次，MITEs分布極其廣泛，是水稻基因組中最多的轉座因子，便于找到適合研究的片段；此外，從分布區(qū)域上看，MITEs主要分布于染色體臂的常染色質區(qū)，如基因富集區(qū)[5， 30]，便于用EPIC-PCR策略去篩選一些位于內含子中的MITEs用于分析?？傊瑢τ诘緦賰容^低分類等級物種的系統(tǒng)發(fā)育和群體遺傳學研究而言，MITEs是較為理想的一種分子標記。

同時MITEs也是植物基因組的一個重要組成部分，如MITEs中的“Stowaway”家族占水稻基因組的2%[29]。由于MITEs存在極高的拷貝數和插入位點多態(tài)性，因而被認為是水稻中等位基因多態(tài)性的主要來源[31]。MITEs在影響基因表達方面具有重要作用[4，15，32]。由于MITEs多分布于基因富集區(qū)域，如5′-側翼區(qū)、3′-側翼區(qū)和內含子區(qū)段，這種現象在禾本科植物中表現尤為明顯[32-34]。MITEs插入可能會改變基因的起始或終止序列，甚至轉錄起始或編碼序列[4，22，35，36]。如水稻的一個抗病基因家族Xa21包含多個轉座子（例如MITEs和LTR反轉錄轉座子），它們插入到不同的基因中，由此產生高度變異使得該家族的一些成員又進化出新的抗病性[37]。

一系列研究表明，MITEs插入基因組某個特定位置能為系統(tǒng)發(fā)育重建提供重要信息，只要它們具有同源性[38，39]。由于MITEs插入后再發(fā)生切除的頻率相當低[4，40]，只要MITEs不從基因組中切除，則會成為該基因組的一個標記（Marker），因而MITEs的存在與否對推斷物種之間的系統(tǒng)發(fā)育關系非常有用[4，40]，可以用來探討一些物種的進化歷史[41，42]。

近年來，隨著亞洲栽培稻兩個亞種基因組測序工作的完成，部分研究從基因組角度探討了兩個亞種的起源及分化時間[26，43-45]。Ma等[26]以非洲栽培稻Oryza glaberrima的序列為參照，分析了O.sativa ssp. indica和O.sativa ssp. japonica基因組的同源序列，發(fā)現這兩個亞種從它們的祖先種分化出來后，基因組分別增大了2%和6%。他們利用隨機選擇的24個基因的核苷酸序列，估測亞洲栽培稻兩個亞種的分化時間約為0.44 MYA左右，非洲栽培稻和亞洲栽培稻的分化時間約為0.64 MYA。Zhu等[45]測定了4個單拷貝核基因（Adhl及3個未注釋基因）的內含子序列，構建了稻屬A基因組8個物種的系統(tǒng)發(fā)育關系。用分子鐘方法估測亞洲栽培稻和非洲栽培稻，以及亞洲栽培稻的兩個亞種的分化時間分別為0.7 MYA和0.4 MYA左右。

研究表明，轉座子在哺乳動物的基因調節(jié)、產生新的外顯子及新的基因方面具有積極作用[46-48]。也有研究表明，轉座子對基因變異及產生新的功能亦具有積極的作用[7，11，49-54]。另外，大約4%的人類蛋白質編碼基因含有轉座子，這表明轉座子對基因進化具有重要影響。因此，闡明轉座子在生物物種中的生物重要性值得進一步的研究和探討。

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（責任編輯 潘 峰）