我们通常认为DNA是惰性的。它通常保持不变，这使得它很容易在基因组中定位。但有一种移动DNA，叫做转座子，它有点过度活跃，喜欢从基因组的一个位置跳到另一个位置。这种跳跃引起了Barabara McClinntock的注意，她第一次发现了由玉米粒颜色变化引起的转座子。除了玉米，转座子还存在于许多其他原核生物和真核生物的基因组中，占人类基因组的45%左右(Munoz-Lopez et al.， 2010)。
那么为什么转座子很重要呢?结果取决于转座子的位置。例如，在细菌中，转座子可以在质粒之间或质粒之间转移抗生素抗性基因到细菌的基因组中。在人类中，如果一个转座子进入一个基因，它可能会发生突变，导致人类疾病。虽然转座子插入可能是有害的，但它也推动基因组进化，并被科学家用作在实验室中移动DNA的工具。
让我们来看看转座子的关键组成部分，它们是如何分类的，以及在实验室中是如何使用的。
转座子是什么?
DNA转座子是在原核生物和真核生物基因组中发现的可移动的、重复的遗传元素。
转座子系统的组成部分
- 转座子:转座子是移动的DNA序列。这个DNA序列编码转座子转座子所需的蛋白质。
- 换位蛋白质：这是转座子序列从一个DNA位点移动到另一个DNA位点所需的蛋白质。该蛋白质是转座酶或逆转录酶，取决于转座的机制。
- 目标站点：不同的转座子插入不同的DNA序列或靶点。大多数转座因子（TE）的整合导致在插入位点重复该靶位点序列。
类型的转座子
根据转座子的作用机制，转座子可分为两类:一类TEs，又称反转录转座子;二类TEs，又称DNA转座子。DNA转座子在实验室中是常用的工具，所以我们将在这篇文章的剩余部分重点讨论DNA转座子。
第一类转座因子（TE）：逆转录转座子
I类te也被称为反转录转座子。它们通过“复制-粘贴”机制进行转座(图1)。它们首先将自己复制为RNA转录本，然后在插入新的靶点之前，依靠逆转录酶将其逆转录回DNA。这类似于逆转录病毒，如艾滋病毒的复制方式。I类te不编码转座酶。
I类te被认为是可复制的，因为它们每次跳跃时都复制了自己。这增加了TE的拷贝数，同时也增加了宿主基因组的大小。
第1类TE有两种类型：具有长终端重复（LTR）的TE和不具有长终端重复（非LTR）的TE。LTR逆转录转座子类似于逆转录病毒它们的结构和复制机制。它们包含两个基因:呕吐和波尔这个波尔多蛋白编码LTR逆转录转座子转座子所需的逆转录酶和整合酶。非ltr反转录转座子包含两个开放阅读框(ORFs)，通常以poly(a)终止。ORF2编码内切酶和逆转录酶活性。
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图1:逆转录转座子转位的概述。反转录转座子是通过“复制-粘贴”机制来动员的。首先，它们以RNA转录本的形式复制自己，然后使用它们的逆转录酶(RT)酶转换回DNA。然后它们可以被插入到新的目标网站中。中创建BioRender.com。 |
II类TEs: DNA转座子
II类te也被称为DNA转座子，因为它们在移动时不使用RNA中介。大多数II类转座子具有非复制的“剪切粘贴”转座子机制:它们首先从一个位置切除自己，然后插入其他位置(图2)。II类te在其两端都有ltr。
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| 图2：DNA转座的概述。修改自Sandoval-Villegas等人，2021年。为了激活转座子，转座子酶首先与转座子的长末端重复序列(ltr)结合，诱导双链断裂，并从供体DNA中切除转座子。留下了一个DNA足迹。当转座子-转座酶复合物找到它的靶位点时，它进行整合，产生一个靶位点复制(TSD)。中创建BioRender.com。 |
自主测试vs.非自主测试
你可以把自主转座子看作“完全转座子”因为它们编码需要移动的蛋白质，转座酶或逆转录酶。然而，非自治转座子需要另一个TE来表达转座酶或逆转录酶，这样它们才能转座。I类和II类转座子都可以是自治的或非自治的。
实验室常用的DNA转座子
虽然有许多不同类型的转座子，DNA转座子是实验室中最常用的基因组操作。在实验室中使用转座子时，会提供转座子基因在反式这样就可以在转座子的LTR之间插入感兴趣的基因，类似于包装病毒载体188完整比分直播．
让我们仔细看看三种不同的转座子系统，用于作为研究工具:睡美人，小猪，及Tol2．
睡美人
睡美人是由失活的Tc1/水手鱼的转座子(Sandoval-Villegas等人，2021年)。睡美人TA的首选整合靶点是TA二核苷酸，经转座酶切割后，它在切除部位的末端序列留下CAG DNA足迹。它的货物容量大于100KB，但集成效率随货物大小而降低。睡美人在哺乳动物基因组中具有接近随机整合的特性。SB在脊椎动物中活跃，并以类似于逆转录病毒载体的速度在人类细胞中整合。188完整比分直播SB转座酶的过度活跃版本，SB100X，比第一代SB转座酶(Mátés等，2009)。hySB100x通过提高30%的换位活动，改进SB100X(Voigt等人，2016年)。
piggyBac
尽管它的名字暗示了另一种情况，piggyBac是在卷心菜飞蛾(波特等人，1976年)。它的靶位点是TTAA，与其他转座子不同，它在切除后不会留下DNA足迹序列。piggyBac可以移动超过100KB大小的DNA，并且是活跃的在体外以及在活的有机体内在酵母、植物、昆虫和哺乳动物细胞中，包括人类细胞。piggyBac倾向于在转录起始位点、CpG岛和DNaseI超敏位点整合睡美人，piggyBac在人类细胞中具有类似于逆转录病毒载体的整合效率。188完整比分直播的超活性PB转座酶(hyPB)与密码子优化的野生型相比，在哺乳动物细胞中的活性高约10倍piggyBac转座酶。
Tol2
Tol2这是第一个在脊椎动物中报道的活性DNA转座子。它是在日本的medaka鱼中发现的，因为它插入鱼的酪氨酸酶基因导致白化病(古贺等，1996)。不像睡美人和piggyBac，Tol2对于其首选的靶整合位点：TNA（C/G）TTATAA（G/C）TNA，Tol2的一致性序列较弱。Tol2可以向哺乳动物细胞输送10-11kb的DNA，而不会降低效率，最大载量约为200kb。类似于piggyBac，Tol2也更喜欢在转录起始位点、CpG岛和DNaseI超敏位点进行整合。Tol2仅在脊椎动物中有效，在人类细胞中的整合效率低于piggyBac和睡美人．最小的Tol2或miniTol2是原版的删节版吗Tol2并且转位活性增加约3倍
转座子的应用
现在你已经了解了一些流行的转座子系统，让我们看看它们如何在实验室中使用。
转座子突变屏幕
转座子，就其本质而言，是诱变元素，这使它们成为检测功能缺失或功能获得突变的突变筛选的伟大工具。在这些筛选中，转座子编码报告基因、诱变盒或条形码。当转座子被传送到细胞或模型生物时，它们会插入宿主的基因组。然后用下一代测序法检测转座子插入位点，分析实验中选择的插入位点为阳性或阴性(Sandoval-Villegas等人，2021年当选择转座子作为诱变筛选时，靶位点偏好和宿主范围是重要的考虑因素。例如piggyBac和Tol2最适合筛选启动子和增强子，因为它们倾向于插入这些位点。
转基因动物
转基因动物通常是通过直接将DNA注入受精卵的原核而产生的，这导致该序列随机合并到受精卵的基因组中，这是一个高度不可预测的过程。然而，在将转座子注入受精卵的细胞质后，转座子能有效地融入受精卵的基因组，而当DNA被注入时，这个过程效率很低。睡美人，piggyBac，及Tol2都被用来制造转基因动物，包括斑马鱼、老鼠、大鼠和兔子(Sandoval-Villegas等人，2021年)。
基因转移
转座子是一种替代病毒载体传递转基因的方法，如iPSC重组以及基因和细胞疗法，并有潜力克服病毒的一些局限性。TEs的有效负载很大，可达100 kB睡美人和piggyBac，这是相对于病毒载体的一大优势(188完整比分直播AAV约5 kB的有效负载和慢病毒约8 kB的有效负载)。大的货物，如肌萎缩蛋白的~11 kB cDNA，在肌肉萎缩症中突变的基因，需要截断以适应病毒载体，但很容易适应TE。188完整比分直播转座子也比病毒载体更不容易引起免疫反应，而且更容易和更便宜的产生。188完整比分直播由于整合导致的基因破坏在两种传递方法中都可能发生，但由于TEs主要插入基因间区域，基因破坏就不那么令人担心了。
RNA引导的转座子插入
DNA转座子的一个缺点是，虽然它们有一个特定的整合靶点，如taa睡美人，它们可以插入基因组中发现的任意数量的位点。
为了将转座子定位到细菌基因组中的单个位置，Sternberg实验室开发了集成（通过引导RNA辅助靶向插入转座因子）系统。INTEGRATE基于在霍乱弧菌对I-F类型CRISPR-Cas系统进行编码。该系统有四个主要组成部分:1) CRISPR RNA (crRNA), 2)四个蛋白(TniQ、Cas8 Cas7, Cas6),形成了QCascade DNA-targeting crRNA模块,3)转座酶复杂由三个转座酶蛋白(TnsA, TnsB TnsC)和4)包含DNA供体DNA或mini-transposon货物感兴趣的陪同下~ 50 - 150 bp转座子序列(图3)。
对于转座的整合系统，首先QCascade复合物测量基因组并结合其目标DNA序列。转座酶复合物结合迷你转座子，将其从供体分子中切除，并将其插入QCascade基因组目标位点下游约50 bp处（图3B）。该整合系统可在细菌中实现约100%大小达10 kB的DNA整合。
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| 图3:细菌基因组中RNA引导转座子插入的整合系统。A)集成系统的组件。B) rna引导的integration转位机制。QCascade复合物调查基因组并结合其目标DNA序列。转座子复合物结合迷你转座子，将其从供体分子中切除，插入QCascade基因组靶位点下游约50 bp处。T-RL=转置的左右方向。T-LR=转座子左右方向。从图片狮子座签证官． |
博士TL;
转座子是另一个工具，以移动DNA周围或进入真核和原核基因组。它们只需要两个关键成分，即转座子的DNA序列和转座子蛋白，就可以移动DNA。在实验室中有三种常用的系统(睡美人，piggyBac，及Tol2)细菌中RNA引导转座子的发现为结合CRISPR和转座子的超能力奠定了基础，使大DNA货物（>100kb）能够定向输送到基因组中的特定位置。
引用和资源
参考文献
陈志强，陈志强(2007)DNA转座子与真核生物基因组的进化。Annu Rev Genet 41:31 - 368。https://doi.org/10.1146/annurev.genet.40.110405.090448
跳跃:转座子进出实验室。F1000Res 9:135。https://doi.org/10.12688/f1000research.21018.1
Munoz Lopez M，Garcia Perez J（2010）DNA转座子：性质和在基因组学中的应用。CG 11:115–128。https://doi.org/10.2174/138920210790886871
《转座子：跳跃基因》。自然教育1（1）：204。https://www.nature.com/scitable/topicpage/transposons-the-jumping-genes-518/
Sandoval-Villegas N, Nurieva W, Amberger M, Ivics Z(2021)当代转座子工具:机制和应用综述和指南睡美人，piggyBac和Tol2基因组工程。IJMS 22:5084。https://doi.org/10.3390/ijms22105084
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