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转座子标签法(transposon tagging)克隆基因的改进

2020.9.08
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王辉

致力于为分析测试行业奉献终身

1 转座子及转座子标签法克隆基因
基因标签法克隆植物组织中的基因是较为常用的一种方法,T-DNA和转座子均可作为基因标签。
转座子最早由美国的细胞遗传学家Mc- clintock在玉米中发现,它是指基因组中一段特定DNA片段,能在转位酶的作用下从基因组的一个位点转移到另一个位点。转座子不仅能在本基因组中转座,也能转入其它植物的基因组中。转座的结果是使被转入的基因失活,从而有效地诱导产生表型突变株。然后构建一个对应于突变株的基因库,用作标签的转座子作为探针从基因库中筛选相对应的克隆,分离得到相对应于变异的基因,这就是转座子标签克隆基因。
玉米的Ac/Ds转座子家族是研究较为深入的植物转座子。
2 Ac、Ds转座子作基因标签时遇到的问题
2.1 Ac属于自主性转座子,自己能编码转位酶,因此可直接用于基因标签。但是由于Ac能自由地在基因组中转座,结果使转座产生的变异不稳定,给确定和分析突变基因带来困难。
2.2 Ds属非自主性转座子,本身不能编码转位酶,必须依靠Ac转座子产生的转位酶才能产生转座,因此Ds只有和Ac联合使用才能做为基因标签。

2.3 Ac和Ds联合使用后遇到的问题是Ac本身的转座成为除Ds之外又一个转座因素,因此产生突变后,要首先经过遗传分析确定突变因子是哪一个转座子,才能用探针进行筛选克隆,这就增加了分离基因的难度和工作量。另外,Ac和Ds同时存在情况下,Ds能在Ac产生的转座酶作用下频繁转位,难以产生稳定的突变,这又产生了与Ac单独使用时存在的问题。
2.4 由以上分析,转座子Ac和Ds联合使用时必须从两方面进行改进:首先,如何使Ac稳定下来,即只有产生转位酶的能力而无转座的能力,从而减少产生突变的转座子种类。此外,如何使Ds转座后,将产生转座酶的Ac分离,从而使Ds稳定下来,不再转座,使产生的变异得到稳定。人们对Ac、Ds进行改进后,发展了一种称为sAc/Ds的双系统法。
3 sAc/Ds双系统法
3.1 对Ac的改进 Ac是一段长约为4.5kb的DNA片段,人为将其末端转位必须的一段DNA序列切除后,它就不能再借助于转位酶进行转位,但仍能正常编码转位酶,这种修饰后的Ac称为稳定的Ac(StableAc,sAc)。sAc产生的转位酶量可由放在转位酶基因之前的启动子控制,从而控制Ds在基因组内的转位频率。如果用Ac本身的启动子,其作用较弱,产生的转位酶少,Ds转座的频率较低,转变产生的突变就比较稳定。如果用强启动子,则转位酶活力高,Ds转位频繁,产生的变异频率较高。同时为了筛选sAc的转化株还需要在Ac上克隆一个标记基因。用于sAc/Ds双系统法中sAc的构建方法略。
3.2 对Ds的改进 对Ds改进的目的有两个:第1,能方便地检测 Ds是否已经从原位置转座;第2,能检测到Ds是否已转移到基因组的另一个位置。改进的方法是首先将Ds克隆到一个标记基因的启动子和密码子之间,这样可以通过筛选对抗生素的抗性来检测Ds是否已经转座。另外在不影响Ds转座能力的前提下,在Ds的DNA序列中间克隆上另一个标记基因,这个基因将与Ds一起转座,这样就可以筛选对这一基因的抗性来检测Ds是否已经转座和转座的位置。
3.3 sAc/Ds 双系统法克隆基因的原因及步骤
1)将sAc和Ds分别与T-DNA连接,在农杆菌的帮助下分别转入植物中,获得sAc的转化植株和Ds的转化植株。 2)将sAc转化株与Ds转化株杂交,挑选同时含有sAc和Ds的子一代植株。
3)杂合植株中,Ds在sAc产生的转位酶帮助下转座,引起某个基因突变,从而产生表型突变株。
4)通过突变植株的自交和回交,选择仅含有Ds而无sAc的植株,从而使变异得到稳定。建立对应于变异株的基因文库或cDNA文库。
5)用IPCR的方法扩增与Ds相邻的DNA片段,利用此片段作探针直接从基因文库或cDNA文库中筛选对应的基因克隆,通过DNA测序和比较了解该基因的特征。

6)稳定的变异株再与sAc转化株杂交,使得Ds再次转位,使突变的基因得到恢复,从而得到回复突变株,用于检验所得到的基因是否对应于变异的基因。
4 sAc/Ds双系统法的应用
用 sAc/Ds双系统法克隆基因,容易得到回复突变株和容易产生再次突变克隆其它基因,与T-DNA做基因标签相比省去了再次转化的繁琐程序,为克隆基因的工作带来了极大方便。
理论上用sAc/Ds双系统法克隆基因如果有足够的转化株,能克隆到任何一个基因,另外这种方法还可用于定点突变。如果对某一基因我们不知道它的表达产物,也不知道它何时在何部位表达,sAc/Ds双系统法是一种较好的克隆基因的方法,该方法以其独特的优点在克隆基因工作中将得到更广泛的应用。


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