沉睡一千万年的“睡美人”，复活了
2020/6/6 11:45:57 生物流BioStream
《格林童话》中的睡美人中了诅咒，沉睡了许多年。最后终于遇到了自己的王子，苏醒了。
在基因的世界里，也有一个睡美人。然而，这位睡美人却沉睡了一千多万年，直到1997年才被科学家唤醒。这位睡美人就是睡美人转座子。
想要了解这位特殊的睡美人，让我们先来看看什么是转座子。
什么是转座子？
转座子就是一段特殊的基因序列，能够改变自己在基因组中的位置。转座子是女科学家Barbara McClintock 孤军奋斗，在研究玉米色素基因调控机制时，发现并命名的。转座子也叫跳跃基因。
玉米中的转座子与诺贝尔奖
为什么我们平时吃的玉米是黄色的？玉米粒从外到内依次是种皮、糊粉层、胚乳和胚。玉米的黄色是胚乳的颜色。玉米的糊粉层没有花青素，是透明的，就会表现出胚乳的黄色。而有些玉米，比如紫色玉米，糊粉层中含有花青素，挡住了胚乳的黄色，我们就只能看到糊粉层的紫色。
玉米从外到内依次为种皮，糊粉层，胚乳
Barbara McClintock发现花青素基因是由转座子调控的，转座子可以使色素基因表达或停止表达，表现出来就是颜色的有无。由于转座子在玉米中的跳跃非常活跃，花青素的表达时而开始时而停止，最后不同籽粒中表达量会有不同，表现的颜色就有深有浅。Barbara McClintock就是因为此项研究获得了1983年的诺贝尔奖，她也是唯一一个独享生理与医学奖的女科学家。
彩色玉米籽粒的颜色受到转座子的调控
转座子的分类
转座子分两类：逆转座子和DNA转座子。
逆转座子(retrotransposon)
逆转座子转座过程是这样的：首先，逆转座子从基因组DNA上转录出RNA，然后，转录出来的RNA通过逆转录重新产生DNA。最后，这个复制出来的DNA会在基因组上找一个新的位置插入进去。
DNA转座子(DNA transposons)
跟逆转座子不同的是，DNA转座子不需要先由DNA转录出RNA，而是直接由转座酶催化转移到另一个基因位置上。有的转座酶能够特异性结合到DNA的靶位置，这样转座子跳到的位置就是确定的。有的转座酶是随机结合到DNA的靶位置，最后转座子跳到哪个基因上就不确定。睡美人转座子(sleeping beauty transposon，也叫SB转座子)就是一类DNA转座子。
逆转座子需要转录出RNA，DNA转座子直接在基因间跳跃。
自主和非自主转座子
转座子也可以分为自主转座子和非自主转座子。
自主转座子不依赖别人，自己就能实现转座。而非自主转座子要依赖别人，自己不能独立完成转座。这个“别人”，对于DNA转座子来说，是其他基因表达的转座酶，它自己不表达转座酶。对于逆转座子来说，“别人”就是其他基因表达的逆转录酶。
逆转座子和DNA转座子中都包括自主转座子和非自主转座子。
转座子如何跳跃？
转座子跳跃是它的特征。
为了理解转座子跳跃过程，我们需要先来了解下转座子的结构。转座子包括两端的反向重复序列和中间的转座基因。反向重复序列是转座酶结合的位置，中间的转座基因就是基因间来回跳跃的基因片段。
转座子的结构
它是怎么跳跃的呢？打个比方，就好像我们在方格瓷砖上面做立定跳远，一开始我们在起始格子上，每个人用的力量不同，最后落到的格子也不同。转座子也是这样，如果把方格看成是一个一个位于基因组上的基因，转座子的跳跃就是在不同的基因直接跳跃，最后跳到哪个基因上，就会影响哪一个基因的表达。
转座子会在基因间做立定跳远的动作
具体的，转座子跳跃分为三个阶段。
转座酶的结合
2个转座酶分别结合到转座子两端的反向重复序列上，形成了转座子和转座酶的联会复合体。
切割
位于转座子序列两端的反向重复序列配对，将两个转座酶拉到一起。结合在一起的转座酶会把中间的转座基因切割下来。
整合
转座酶会带着转座子，特异或者随机的结合到新的DNA位点，并将转座子插入进去。通常，被转座子插入的基因会突变失活。
转座子在基因间跳跃的过程
睡美人转座子
终于轮到讲我们的主角睡美人转座子小姐姐了。
长久以来，转座子只能在植物、细菌、真菌和无脊椎动物中用来改变一些基因的表达。但在脊椎动物中，一直没有找到可以应用的转座子系统。
这是因为脊椎动物进化出了一种特殊的机制来防止转座子的胡作非为，要知道，如果转座子乱插入一个关键的基因，结果可能是致命的。所以在脊椎动物体内活跃的, 高效的转座子极少，绝大多数转座子在进化中失活了。这导致科学家很长一段时间都找不到可用于脊椎动物的转座子系统。
第一个被复活的脊椎动物自主转座子来自鲑鱼。
这个转座子序列早已在进化的长河中失活千万年，科学家形象地称它为睡美人转座子。
一千万年前睡美人转座子序列具有转座活性
在现存的鲑鱼中，大多数转座酶序列已经发生突变，失去了转座活性。1997年，科学家Ivics等通过生物信息学方法，分析8种鲑鱼中12个Tc1类转座酶序列，找出了其中的保守序列，从而确定了已经灭绝的鲑鱼中具有活性的睡美人转座酶的基因序列。科学家Ivics随后对这个古老的转座子进行了分子水平的重建，最终成功唤醒了沉睡千万年的睡美人的转座活性。
睡美人转座子沉睡千万年，一直在等待可以唤醒她的王子。遇到 Ivics ，睡美人终于不再沉睡。
之后的研究发现，睡美人转座子在多种脊椎动物中都拥有转座活性。通过人工改造和序列优化，睡美人转座子已经成为高效的脊椎动物转座系统。并且，该转座子可以整合到基因组并通过生殖细胞稳定遗传给后代，是目前基因敲除或敲减很有潜力的替代工具。
睡美人转座子
总结
转座子能够在基因间跳跃，插入到靶基因内部，激活或失活基因，从而调节基因的表达水平，影响物种的进化。睡美人转座子是能够在脊椎动物中高效转座的基因元件，是最有希望进行人类基因治疗的工具。除了睡美人转座子，近年来，一些其他类似的DNA转座子，比如小猪转座子(PiggyBac transposons )，也被成功应用于哺乳动物中，为哺乳动物中进行转座研究提供了更多选择。睡美人转座子作为一种有效的遗传工具，已经发挥了巨大的作用，具有广泛的应用前景。如果睡美人转座子的安全性和有效性能够进行进一步的验证，有可能在人类攻克癌症、艾滋病、血液病等重大疾病中发挥关键性作用。
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