什麼是跳躍基因？

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介紹

DNA 分子內和分子間遺傳資訊的重排包含各種過程，統稱為遺傳重組。遺傳事件分為三類：

• 同源遺傳重組 - 涉及兩個 DNA 分子之間的遺傳交換。

• 位點特異性重組 - 交換僅發生在特定的 DNA 序列處。

• DNA 轉座 - 它與其他兩類截然不同，因為它通常涉及 DNA 分子的一小段，具有從染色體的一個位置移動到另一個位置的非凡能力。

跳躍基因或轉座子

跳躍基因也稱為轉座子。之所以這樣命名，是因為這些 DNA 片段能夠從一個位點跳躍到目標位點。這些跳躍基因最早是在 1940 年代由巴巴拉·麥克林托克在玉米中觀察到的。這些存在於幾乎所有細胞中的 DNA 片段從染色體上的一個位置（供體位點）移動或跳躍到同一染色體或不同染色體上的另一個位置（目標位點）。

圖：由於轉座子導致玉米籽粒顏色改變

這種稱為轉座的運動通常不需要 DNA 序列同源性；新位置或多或少是隨機確定的。

轉座插入必需基因可能會殺死細胞，因此轉座過程受到嚴格調控以避免這種情況，並且不會頻繁發生。它們是最簡單的分子寄生蟲型別，能夠在宿主細胞的染色體中被動複製。在某些情況下，它們攜帶對宿主細胞有用的基因，因此與宿主細胞形成一種共生關係。

轉座子的結構

細菌中的轉座子結構不同，但大多數在每一端都有短的重複序列，作為轉座酶的結合位點。在轉座過程中，目標位點處的短序列（通常為 5 到 10 個鹼基對長）被複制以形成額外的短重複序列，該序列位於插入的轉座子的每一端。這些重複片段是由用於將轉座子插入新位置的 DNA 的切割機制產生的。

細菌跳躍基因的類別

細菌包含兩類跳躍基因：

插入序列

這些也被稱為簡單轉座子。它們僅包含轉座所需的序列以及促進該過程的蛋白質（轉座酶）的基因。

複雜轉座子

它們包含一個或多個轉座所需的基因。這些額外的基因可能有助於賦予抗生素抗性，從而提高宿主存活的機會。抗生素抗性元件在致病細菌種群中的傳播使得某些抗生素無效，因為複雜的轉座作用。

轉座途徑

細菌中轉座發生有兩種方式。它們如下：

直接或簡單轉座

在這種機制中，轉座子在其兩側被切割並切除，這迫使轉座子移動到新位置。這導致供體 DNA 形成雙鏈斷裂，必須修復。在目標位點進行交錯切割並將轉座子插入其中。之後，透過 DNA 複製填充間隙以複製目標位點序列。

複製性轉座

在此過程中，整個轉座子被複制，導致在供體位置形成一個副本。此過程的特殊之處在於形成了一種稱為共整合體的中間體，該中間體包含與供體位點共價連線的目標位點的 DNA。

因此，我們可以說在整合時可以找到兩個完整的轉座子副本，它們在 DNA 中具有相同的相對方向。在一些特徵明確的轉座子中，共整合體中間體透過位點特異性重組轉化為產物，其中一種稱為重組酶的酶介導缺失反應。

真核生物也具有在結構上類似於細菌轉座子的轉座子，並且它們也表現出相似的轉座機制。然而，在某些生物體中，RNA 中間體參與轉座機制。

轉座機制

• 轉座子中存在的稱為轉座酶的酶在目標序列中進行切割。

• 目標序列被複制，並且兩個副本都被拉開以容納中間的轉座子。

• 轉座子在由此產生的遊離端連線自身。缺口由連線酶封閉，鏈條變得連續。

跳躍基因的功能

• 跳躍基因或轉座子可能透過將它們插入調控序列中而導致突變，從而導致其表達發生變化。有時轉座子會插入終止密碼子之間，導致形成截短的蛋白質。

• 果蠅中編碼眼睛紅色色素的基因發生了突變，導致果蠅出現白色眼睛。其主要原因是轉座子引起的自發突變。

• 已知它們會導致人類的幾種遺傳疾病，功能性免疫系統的發育也歸因於轉座子。

• 在細菌中，它們有助於抵消抗菌藥物和毒素的影響。

• 外顯子複製和分化導致新基因的形成。

結論

早期人們認為基因具有固定的基因座，並且不會移動。但巴巴拉·麥克林托克對玉米籽粒進行的研究表明，DNA 片段傾向於在染色體中從一個位置跳躍到另一個位置，這導致了玉米籽粒的不同色素沉著。

這導致了轉座子的發現，轉座子是一種型別的移動遺傳元件。它們不僅被發現會導致自發突變，而且還會賦予細菌抗生素抗性。更深入的研究可以為更廣泛的研究及其在分子生物學領域可能產生的結果開啟大門。