轉座酶
轉座酶（英語：Transposase）是一種與轉座子末端結合，可對基因進行剪切和粘貼或複製到基因組另一部分的酶。「轉座酶」一詞最初是由克隆Tn3轉座子轉座所需酶的人創造的[1]。巴巴拉·麥克林托克在1940年代後期研究玉米遺傳時最開始預測了轉座酶的存在，後來其他研究組描述了轉座的分子基礎。麥克林托克發現染色體片段改變了位置，從一個染色體跳到了另一個染色體。這些（編碼顏色的）轉座子的重新定位，允許了其他色素基因的表達[2]。玉米中的轉座可引起顏色變化；細菌中的專座可導致抗生素耐藥性[2]。轉座對於創造物種內的遺傳多樣性和適應不斷變化的生活條件也很重要[3]。在人類進化過程中，多達40%的人類基因組通過轉座子轉座等方法發生了移動[2]。
轉座酶分類在EC編號EC 2.7.7下。
編碼轉座酶的基因廣泛存在於大多數生物體的基因組中，是已知最豐富的基因[4]。
轉座酶Tn5
[編輯]| 轉座子Tn5二聚作用域 | |||||||||
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 tn5轉座子：20mer 外端 2 mn 複合物 | |||||||||
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| 標誌 | Dimer_Tnp_Tn5 | ||||||||
| Pfam | PF02281（舊版） | ||||||||
| InterPro | IPR003201 | ||||||||
| SCOP | 1b7e / SUPFAM | ||||||||
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轉座酶Tn5是核糖核酸酶蛋白質超家族的成員，其中包括逆轉錄病毒整合酶。在希瓦氏菌和埃希氏菌中可以找到Tn5[5]。轉座子編碼對卡那黴素和其他氨基糖苷類抗生素的抗性[3][6]。
Tn5和其他轉座酶的是不活躍的。DNA轉座事件本身具有致突變性，因此轉座酶低活性可降低在宿主中引起致命突變的風險，否則轉座元件就淘汰了。Tn5不活躍的原因之一是N端和C端彼此相對靠近並傾向於相互抑制。幾種突變會導致轉座酶過度活躍，此現象證明了這一點。Tn5轉座酶中氨基酸372的突變L372P就是這樣的一種突變。亮氨酸殘基原本在α螺旋中間，被脯氨酸殘基取代時，α螺旋被破壞，將構象變化引入C端結構域，將其與N端結構域分開，促進了蛋白質的更高活性[3]。轉座子的轉座通常只需要三個部分：轉座子、轉座酶和用於插入轉座子的目標DNA[3]。Tn5就是這種情況，它使用剪切和粘貼機制來移動轉座子[3]。
Tn5和大多數其他轉座酶包含一個DDE模式序列，它是催化轉座子運動的活性位點。酸性殘基Aspartate-97、Aspartate-188和Glutamate-326構成活性位點[7]。有人認為DDE模式序列與二價金屬離子（最常見的是鎂和錳）配位，在催化反應中很重要[7]。由於轉座酶非常不活躍，可使DDE區域突變，讓轉座酶變得過度活躍並催化轉座子的運動[7]。穀氨酸轉化為天冬氨酸，兩種天冬氨酸轉化為穀氨酸[7]。通過這種突變，Tn5的研究成為可能，但催化過程中的某些步驟因此丟失[3]。
有幾個步驟可以催化轉座子的運動，包括Tnp結合、染色體聯會（形成聯會複合體）、切割、目標捕獲和鏈轉移。然後，轉座酶與DNA鏈結合，在DNA的轉座子末端形成一個夾子，並插入到活性位點中。一旦轉座酶與轉座子結合，它就會產生一個突觸複合物，其中兩個轉座酶與轉座子以順式/反式關係結合[3]。
在裂解過程中，鎂離子從水分子中激活氧並使它們暴露於親核攻擊[6]。這會允許水分子在兩端的3'鏈上形成切口並形成髮夾結構，從而將轉座子與供體DNA分開[3]。接下來，轉座酶將轉座子移動到合適的位置。儘管存在尚未確定的序列偏差，但對目標捕獲知之甚少[3]。目標捕獲後，轉座酶攻擊間隔九個鹼基對的目標DNA，導致轉座子整合到目標DNA中[3]。
如前所述，由於DDE的突變，該過程的某些步驟會丟失——例如，當該實驗在體外進行時，SDS熱處理使轉座酶變性。然而，體內轉座酶會發生什麼仍然不確定[3]。
轉座酶Tn5的研究具有普遍重要性，因為它與HIV-1和其他逆轉錄病毒疾病相似。通過研究Tn5，還可以發現很多關於其他轉座酶及其活性的信息。[3]在基因組測序中，可以使用Tn5接上測序接頭，並在一次酶反應中將DNA片段化[8]。與傳統的下一代測序相比，這減少了時間和輸入要求。這種文庫製備方法應用於ATAC-seq技術和Illumina熒光測序技術。
睡美人轉座酶
[編輯]睡美人（SB）轉座酶是驅動睡美人轉座子系統的重組酶[9]。SB轉座酶屬於轉座酶的DD[E/D]家族，後者又屬於一個大的多核苷酸轉移酶超家族，包括RNase H、RuvC Holliday解析酶、RAG蛋白和逆轉錄病毒整合酶[10][11]。SB系統主要用於脊椎動物的基因轉移[12]，包括基因治療[13][14]和基因發現[15][16]。工程化的SB100X可以指導高水平的轉座子整合[17][18]。
Tn7轉座子
[編輯]Tn7轉座子是在許多原核生物（如大腸桿菌）中發現的可移動遺傳元件，它首先作為在細菌染色體和天然質體中，編碼對抗生素甲氧苄啶和鏈黴素的抗性的DNA序列被發現[19][20]。該序列歸類為轉座元件（轉座子），可以通過利用稱為轉座酶的自編碼重組酶在基因組內複製和移動自身，從而產生或逆轉突變、改變基因組大小等效應。Tn7轉座子已經發展出兩種機制來促進其在原核生物中的傳播[21]。與許多其他細菌轉座子一樣，Tn7以低頻轉座並插入許多不同的位點，幾乎沒有或沒有位點選擇性。通過這第一個途徑，Tn7優先被定向到可接合的質體中，該質體可以在細菌之間複製和分佈。然而，Tn7的獨特之處在於它也以高頻轉座到細菌染色體中稱為attTn7的單個特定位點[22]。該特定序列是在許多細菌菌株中發現的必需且高度保守的基因。然而，重組對宿主細菌無害，因為Tn7在識別基因後實際上會轉座到基因的下游，從而提供了一種安全的方式來傳播轉座子，而不殺死宿主。這種高度進化和複雜的目標位點選擇途徑表明，這種途徑的進化是為了促進轉座子與其宿主之間的共存，以及Tn7在後代細菌中成功傳播[21]。
Tn7轉座子長14 kb，編碼五種酶[21]。DNA序列的末端由兩個片段組成，Tn7轉座酶在重組過程中與之相互作用。左側片段 (Tn7-L) 長150 bp，右側序列 (Tn7-R) 長90 bp。轉座子的兩端包含一系列22 bp的結合位點，Tn7轉座酶識別並結合這些位點。轉座子內有五個獨立的基因編碼組成轉座機制的蛋白質。此外，轉座子包含一段包含幾個編碼抗生素抗性基因的基因盒[21]。
Tn7轉座子編碼五種蛋白質：TnsA、TnsB、TnsC、TnsD和TnsE[21]。TnsA和TnsB相互作用形成Tn7轉座酶TnsAB。該酶特異性識別並結合轉座子DNA序列的末端，並通過在每個末端引入雙鏈DNA斷裂來將其切除，然後將切除的序列插入另一個目標DNA位點。與其他人們已經了解特徵的轉座子非常相似，Tn7轉座的機制涉及通過TnsAB轉座酶的TnsA蛋白從供體DNA上切割3'端。然而，Tn7也在5'端附近被TnsAB的TnsB蛋白獨特地切割，從5'端到Tn7轉座子約5bp。轉座子插入目標DNA位點後，3'端與目標DNA共價連接，但5'端仍存在5bp缺口。因此，修復這些間隙會導致目標位點再重複5bp。TnsC蛋白與轉座酶和目標DNA相互作用以促進切除和插入過程。TnsC激活轉座酶的能力取決於它與目標DNA及其合適的靶向蛋白TnsD或TnsE的相互作用。TnsD和TnsE蛋白是替代目標選擇器，它們也是促進Tn7切除和插入的DNA結合激活因子。它們與特定目標DNA相互作用的能力是Tn7目標位點選擇的關鍵。因此，蛋白質TnsA、TnsB和TnsC構成了Tn7的核心機制：TnsA和TnsB一起相互作用形成轉座酶，而TnsC作為轉座酶活性的調節劑起作用，在轉座酶與TnsD和TnsE之間進行通信。當TnsE蛋白與TnsABC核心機制相互作用時，Tn7優先引導插入到可接合質體中。當TnsD蛋白與TnsABC相互作用時，Tn7優先引導下游插入細菌染色體中的一個基本且高度保守的位點。attTn7位點由TnsD特異識別[21]。
參考資料
[編輯]- ^ Heffron F, McCarthy BJ, Ohtsubo H, Ohtsubo E. DNA sequence analysis of the transposon Tn3: three genes and three sites involved in transposition of Tn3. Cell. December 1979, 18 (4): 1153–63. PMID 391406. doi:10.1016/0092-8674(79)90228-9
.
- ^ 2.0 2.1 2.2 Goodsell, David. Transposase. Molecule of the Month. Protein Data Bank. December 2006 [2021-08-31]. （原始內容存檔於2022-03-04）.
- ^ 3.00 3.01 3.02 3.03 3.04 3.05 3.06 3.07 3.08 3.09 3.10 3.11 Reznikoff WS. Tn5 as a model for understanding DNA transposition. Molecular Microbiology. March 2003, 47 (5): 1199–206. PMID 12603728. doi:10.1046/j.1365-2958.2003.03382.x .
- ^ Aziz, R.K., M. Breitbart and R.A. Edwards (2010). Transposases are the most abundant, most ubiquitous genes in nature. Nucleic Acids Research 38(13): 4207-4217.Aziz RK, Breitbart M, Edwards RA. Transposases are the most abundant, most ubiquitous genes in nature. Nucleic Acids Research. July 2010, 38 (13): 4207–17. PMC 2910039 . PMID 20215432. doi:10.1093/nar/gkq140.
- ^ McDowall, Jennifer. Transposase. InterPro. [2021-08-31]. （原始內容存檔於2019-05-14）.
- ^ 6.0 6.1 Lovell S, Goryshin IY, Reznikoff WR, Rayment I. Two-metal active site binding of a Tn5 transposase synaptic complex. Nature Structural Biology. April 2002, 9 (4): 278–81. PMID 11896402. doi:10.1038/nsb778.
- ^ 7.0 7.1 7.2 7.3 Peterson G, Reznikoff W. Tn5 transposase active site mutations suggest position of donor backbone DNA in synaptic complex. The Journal of Biological Chemistry. January 2003, 278 (3): 1904–9. PMID 12424243. doi:10.1074/jbc.M208968200 .
- ^ Adey, Andrew. Rapid, low-input, low-bias construction of shotgun fragment libraries by high-density in vitro transposition. Genome Biology. December 2010, 11 (12): R119. PMC 3046479 . PMID 21143862. doi:10.1186/gb-2010-11-12-r119.
- ^ Ivics, Z.; Hackett, P.B.; Plasterk, R.A.; Izsvak, Z. Molecular reconstruction of Sleeping Beauty: a Tc1-like transposon from fish and its transposition in human cells. Cell. 1997, 91 (4): 501–510. PMID 9390559. doi:10.1016/s0092-8674(00)80436-5 .
- ^ Craig NL. Unity in transposition reactions. Science. October 1995, 270 (5234): 253–4. Bibcode:1995Sci...270..253C. PMID 7569973. doi:10.1126/science.270.5234.253.
- ^ Nesmelova IV, Hackett PB. DDE transposases: Structural similarity and diversity. Advanced Drug Delivery Reviews. September 2010, 62 (12): 1187–95. PMC 2991504 . PMID 20615441. doi:10.1016/j.addr.2010.06.006.
- ^ Ivics Z, Izsvák Z. A whole lotta jumpin' goin' on: new transposon tools for vertebrate functional genomics. Trends in Genetics. January 2005, 21 (1): 8–11. PMID 15680506. doi:10.1016/j.tig.2004.11.008.
- ^ Izsvák Z, Hackett PB, Cooper LJ, Ivics Z. Translating Sleeping Beauty transposition into cellular therapies: victories and challenges. BioEssays. September 2010, 32 (9): 756–67. PMC 3971908 . PMID 20652893. doi:10.1002/bies.201000027.
- ^ Aronovich, E.L., McIvor, R.S., and Hackett, P.B. (2011). The Sleeping Beauty transposon system – A non-viral vector for gene therapy. Hum. Mol. Genet. (in press)Aronovich EL, McIvor RS, Hackett PB. The Sleeping Beauty transposon system: a non-viral vector for gene therapy. Human Molecular Genetics. April 2011, 20 (R1): R14–20. PMC 3095056 . PMID 21459777. doi:10.1093/hmg/ddr140.
- ^ Carlson CM, Largaespada DA. Insertional mutagenesis in mice: new perspectives and tools. Nature Reviews Genetics. July 2005, 6 (7): 568–80. PMID 15995698. doi:10.1038/nrg1638.
- ^ Copeland NG, Jenkins NA. Harnessing transposons for cancer gene discovery. Nature Reviews. Cancer. October 2010, 10 (10): 696–706. PMID 20844553. doi:10.1038/nrc2916.
- ^ Mátés L, Chuah MK, Belay E, Jerchow B, Manoj N, Acosta-Sanchez A, et al. Molecular evolution of a novel hyperactive Sleeping Beauty transposase enables robust stable gene transfer in vertebrates. Nature Genetics. June 2009, 41 (6): 753–61. PMID 19412179. doi:10.1038/ng.343.
- ^ Grabundzija I, Irgang M, Mátés L, Belay E, Matrai J, Gogol-Döring A, Kawakami K, Chen W, Ruiz P, Chuah MK, VandenDriessche T, Izsvák Z, Ivics Z. Comparative analysis of transposable element vector systems in human cells. Molecular Therapy. June 2010, 18 (6): 1200–9. PMC 2889740 . PMID 20372108. doi:10.1038/mt.2010.47.
- ^ Barth PT, Datta N, Hedges RW, Grinter NJ. Transposition of a DNA sequence encoding trimethoprim and streptomycin resistances from R483 to other replicons.. Journal of Bacteriology. March 1976, 125 (3): 800–810. PMC 236152 . PMID 767328. doi:10.1128/JB.125.3.800-810.1976.
- ^ Barth PT, Datta N. Two Naturally Occurring Transposons Indistinguishable from Tn7.. Journal of General Microbiology. Sep 1977, 102 (1): 129–134. PMID 915473. doi:10.1099/00221287-102-1-129 .
- ^ 21.0 21.1 21.2 21.3 21.4 21.5 Peters J, Craig NL. Tn7: smarter than we thought.. Nature Reviews Molecular Cell Biology. Nov 2001, 2 (11): 806–814. PMID 11715047. doi:10.1038/35099006.
- ^ Gringauz E, Orle KA, Waddell CS, Craig NL. Recognition of Escherichia coli attTn7 by transposon Tn7: lack of specific sequence requirements at the point of Tn7 insertion.. Journal of Bacteriology. Jun 1988, 170 (6): 2832–2840. PMC 211210 . PMID 2836374. doi:10.1128/jb.170.6.2832-2840.1988.
外部連結
[編輯]- 醫學主題詞表（MeSH）：Transposases
- PDB中UniProt可用的所有結構信息之概述：Q46731 (轉座子Tn5轉座酶) 在PDBe-KB。
