Barbara
McClintock
Moblie genetic element
前言：
在近代遺傳學的發展中，兩項最重要的發現，為1953年華生與克立克發現DNA的雙股結構與麥克林托克的跳躍基因（transposable element）；相較於華生以及克立克於1962年獲得諾貝爾生理醫學獎的殊榮，麥克林托克的命運顯然要坎坷的多了；1951年芭芭拉‧麥克林托克於冷泉港的學術研討會上，以『染色體結構與基因表達』為題，公開其六年辛勤努力的研究成果－跳躍基因學說。此學說指出：玉米的染色體中含有跳躍基因，可於染色體上依狀況進行移動，而此基因可控制或影響某些構造基因的表現。由於當時遺傳學界普遍的觀念為基因是相當穩定的，而認為跳躍基因學說只是芭芭拉自己的狂想；1956年芭芭拉再次於冷泉港的學術研討會上，闡述他的跳躍基因學說與相關的機制，而此次她所面對的不再是漠視，是無情的奚落、批評與攻詰，因此芭芭拉選擇孤獨，不再發表論文，也不再參與學術研討會。直到1970年代末期，分子生物學有進一步的發展後，她的理論才漸漸受到重視與認同，於1983年，獲得諾貝爾生理醫學獎的肯定，距離她發表跳躍基因學說，已過了三十幾個年頭了
Barbara McClintok的一生：
孤獨也許是使麥克林托克成功發現跳躍基因的主要因素；由於家中小孩多，母親無法應付，時常無法照顧她，她也不哭不鬧，一個人自得其樂，讓父母親十分訝異；在她一歲半時，就被送到叔叔家寄養，而她也學會了如何自主；五歲時再回到父母身邊時，她時常一兩小時不動如山的沉思，思考她的疑惑所在。她是一個喜歡參與男孩子活動的小孩，於那個年代，被認為是離經叛道的女孩，而她的父母認為這是她與眾不同之處，並鼓勵她向大自然學習，給予她自我尋求答案的機會與空間，使得她得以自由的發展自己的愛好；並養成她強大的自信心及堅持到底的決心，以致於她決心進入康乃爾大學就讀；大學中，男性的騷擾讓她心煩，覺得在浪費生命，她已習慣不依賴他人的生活，並厭煩人際間的紛擾，而拒絕一切社交活動，決定一輩子單身；並一頭鑽進科學的領域，發現她已找到一生的最愛，遺傳學，1927年，進入康乃爾大學農學院，參與博士後研究，開始研究連鎖基因的重組是否來自於染色體的交換，以玉米為材料，開始了她與玉米共舞的序曲。（註一）
發現染色體間有互換：
她在進行玉米染色體觀察時，在一個玉米品系（strain）中觀察到一個特別的染色體，這個染色體經鑑定是為玉米第九號染色體，但這個染色體與正常的第九號染色體不一樣，他的兩頭一頭變形，另頭
卻有一部份是來自正常的第八號染色體的一部份位移（translocation）
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註一：諾貝爾的榮耀－生理醫學桂冠，科學月刊著，天下文化書坊，p136－140
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而來的區域；除此外，他們還從其他的實驗觀察中瞭解在第九號染色體上近變形的一端具有一決定玉米粒顏色的基因，在近第八號染色體位移的區域的一端有一決定玉米粒質地的基因。決定玉米粒顏色的基因有兩種形式，一為顯性的，當它存在時（只要擁有一個copy就行）玉米粒就能具有顏色，以C來表示之，另一基因形式為隱性的，當它以同基因型存在於玉米中時玉米粒為無色的，以c來表示之；另一個決定玉米粒質地的基因也有兩種基因形式（對偶基因），一為顯性的，其會使玉米粒的內胚層多澱粉，以Wx來表之，一為隱性的，當其以同基因型存在時，玉米粒的內胚層則多蠟質，以wx表之。這個變形的第九號染色體可以用 表示，正常的第九號染色體則可以以 表之，不同的顏色表現其為不同的來源，一來自父本，一來自母本，其上的兩個黑色粗直線表示上述的兩個基因的位置，近變形的一端為C（c），另一端為Wx(wx)基因。
Creighton 與McClintock
用兩種不同基因型的玉米進行雜交的實驗，一本的基因型為CcWxwx，其不正常的第九號染色體上帶有C與wx基因，另一個正常的九號染色體質擁有c與Wx；可以用下圖表之。
另一本的基因型為ccWxwx，擁有兩個正常的九號基因，可以以下圖表之。
所以如果基因真如他們所假設的是位在染色體上，而且一個染色體在配子形成的過程中可視為一個不可割分的移動單位時，那麼他們雜交的結果應該很簡單明瞭，只有兩種外觀型，即有顏色蠟質的玉米粒（基因型為Ccwxwx）與無色澱粉質的玉米粒（基因型為ccWxWx與ccWxwx）。但是他們在這個實驗中發現了無色蠟質（基因型為ccwxwx）與有色澱粉質（基因型為CcWxWx）的玉米粒。在他們利用顯微鏡檢視這兩種玉米粒的染色體後發現，在這兩種玉米粒中第九號染色體的形狀發生了變化。在無色蠟質的玉米粒中變形的一端被正常的第九號染色體的同一端所取代了，可以用下圖表之：
與原來的變形的染色體比較就會發現其間的不同，變形的部份不見了而由正常的第九號染色體所取代。
在有色澱粉質的玉米粒中則發現了另一種變形的染色體可以用下圖表之：
這兩種不同於原來變形的染色體是怎麼來的呢？他們的解釋如下：
在擁有不正常第九號染色體的雜交本中，變形與正常的兩個九號染色體的C與Wx基因之間發生了物質的交換，使得在此本所產生的配子的基因型變成cwx與CWx(原來為Cwx與cWx)。
由於兩染色體之間物質的交換可由染色體的外觀的改變與玉米粒的重組外表型加以證明，所以這個解釋成立。這個解釋的成立則直接的連接了遺傳因子、染色體的外觀、與子代外表型間的關係，由於這個實驗的結果是那麼的明確，遺傳的染色體學說因此確立。除此外這個實驗也證明了染色體實質物質的交換會在減數分裂時發生。這種物質的交換會造成下一代的基因的重組（在減數分裂時，不同染色體的獨立分配至配子中也會造成基因的重組，但此種重組每一個染色體上所攜帶的各個基因的形式是固定的，上一代如何這一代也一樣；可是經由染色體物質的交換所造成的重組可能會造成一染色體上所攜帶的各個基因的形式發生變化）。（註二）
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註二：http://science.scu.edu.tw/micro/1024/learn/01class_gene/02Chromosome/Chromosome.htm
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發現玉米內有controlling element的存在：
在芭芭拉實驗的過程中，發現染色體某一位置很容易發生斷裂，凡是具有斷裂染色體的玉米會產生鑲嵌型的後代（variegated progeny）：玉米顆粒有斑紋，芭芭拉將這種易發生染色體斷裂處稱為Ds（分離基因座Dissociation lous）。她又認為產生染色體斷裂並不是Ds自己引起的，而是由另一個locus引起的，稱為Ac（活化基因activator）它能活化Ds基因產生斷裂。Ds和Ac合稱為controlling element。（註三）
她在玉米的第九條染色體較短的arm，發現了控制玉米color的基因，稱其為C。CI
allele 為aleurone
coloration dominant inhibitior ，所以如果只要有一個CI出現，玉米的顏色就會呈現無色。當其allele 都為CC時，玉米會有顏色的出現。（註四）一開始她將有CC pollen 和CICI的tassel 交配，形成一個三倍體的endosporm，為CICC，此時的玉米為無色，但在實驗的過程中卻發現了有斑點狀的玉米出現，即有些部分有顏色有些部分無顏色，她猜測可能endosperm在發展的過程中CI基因遺失，只剩下CC基因。從這她也發現了Ds和Ac的
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註三：現代遺傳學，Ι分子遺傳學，二版，陳嘉芬，藝軒圖書出版，p391－394
註四：PRINCIPLES OF GENETICS ，
SNUSTAD、SIMMONS，Second Edition，p482－483
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出現。因為Ds插入使得CI的基因功能喪失，而有顏色的出現。
Ds，Ac的特徵：
（1） Ds，Ac二者共同的特性是兩端個具有相同的顛倒重複序列（inverted repeat）
（2）Ac含基因可以製造轉位脢（transposase）與分解脢（resolvase），二者均參與轉移位置。
（3）Ds和Ac很像，但Ds較短，缺轉位脢基因。Ds的種類很多，是Ac經由不同的缺失變成的。Ds的移動是靠Ac的轉位脢。
（4）同一個細胞內，Ds必須有Ac的存在，Ds才會動。（註五）
轉移子的組成與構造：
A、依核酸的組成分為兩類
1、
DNA轉移子：如玉米的transposon是一種DNA transposon。
2、
RNA轉移子：（又稱逆轉移子retroposon）
在真核細胞發現一種類似轉移子的構造，稱逆轉移子，她的轉移是藉著產生RNA然後又經逆轉錄變成DN在插到不同位置。
B、構造
轉移子只含幾個簡單的基因，兩端連著某特定相同的DNA序列
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註五：現代遺傳學，Ι分子遺傳學，二版，陳嘉芬，藝軒圖書出版，p393－394
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轉移子的兩端的DNA序列有兩種可能：
1、
顛倒重複：（inverted repeat）：（註六）
2、
DNA的兩股，皆由5’→3’讀出來序列一樣
例如IS50兩端具inverted repeat：
5’
CTGACTCTT-------------AAGAGTCAB
3’ GACTGAGAA------------TTCTCAGTC
3、
直接重複：（direct repeat）：DNA兩端的序列是一樣的
例如：
5’ CCAGGTGTACA--------CCAGGTGTACA
3’ GGTCCACATGT--------GGTCCACATGT
C、轉移子所帶的基因主要包括
1、
與轉移位置有關的基因：製出轉位脢參與轉位（transpotration），能催化自己插入新的位置。
2、
抗藥性基因 （antibiotic resistance gene ）（註七）
原核的轉移子（Transposable elements in prokaryotes）
A、簡單型轉移子（simple transposon）
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註六：BIOCHEMISTRY，GARRETT and GRISHAM，SECOND
EDITION，p965、966
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註七：BIOLOGY，CAMPBELL
REECE MITCHELL，Fifth Edition，p336
1、IS 因子或稱插入序列（insertion sequence）
1976年第一個在大腸桿菌發現的跳躍基因：稱為IS element，包含：IS1，IS2，IS3，IS50，IS903….等。
只帶有與轉移位置相關的基因。
2、IS
element的特性：
a、
雙股DNA：1-2kb
b、
自己不會複製，必須插入細菌染色體才會複製。
c、
兩端以重複性序列，長約16-41bp。
d、
IS存在細菌染色體或質體中，有的IS會失掉，亦即由原來的位置，像噬菌體一班，形成圈環跑出來。
e、
IS上帶有參與轉移位置的基因。某些會製造兩種蛋白質，如IS50可同時製出transposase和repressor。
f、
IS有時會與別種轉移因子相接成一個較大的unit。（註八）
B、複雜型轉移子（Complex transposon）
以Tn為代表，如Tn9，Tn3
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註八：PRINCIPLES OF GENETICS ，SNUSTAD、SIMMONS，Second
Edition
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， p480
1、定義：
複雜型轉移子除了與轉移位置有關的基因外，又帶有其他的基因，通常中間是一或數個有作用的細菌基因，兩端可能有IS因子，但某些不帶有IS因子。
2、Tn兩端多為IS element：有的是兩個相同的方向（→---→），有的是相反的方向（→----←），Tn內含不同的抗藥性基因，如Tn5可抗neomysin，bleomysin及streptomyosin。
3、Tn3的組成：具有三個基因
a、
TnpA：transposase gene參與轉移
b、
TnpR：resolvase gene參與轉移
c、
抗藥性基因製β-lactamase：此脢能破壞penicillin與ampicillin
d、
Tn3的轉移模式
J.Shapiro提出：藉共合體（cointergrate）的形成達到轉移的目的。
Tn3的轉移是帶有轉移子的質體與帶有目標序列的質體藉轉移煤的作用，先融合形成一個共合體，然後再藉分解脢分解成兩個，一個帶有轉移子的目標質體，另一個是帶有原來轉移子的質體。許多轉移子都是靠此種方式轉移位置。（註九）（註十）
Alu sequence：
1、分布：
散佈於靈長類，老鼠的genomic DNA。人類的基因組中約有30萬分以上的Alu分散在基因組中，全部Alu佔人類基因組中的5﹪。
2、特性：
a、
約150-300bp
DNA，為高度重複（highly
repetitive）序列。人類genome有長短不一的Alu形成Alu家族，有些短的序列僅10bp類似Alu存在基因之間或intron內部。
b、
通常具有一段AGCT能被限制脢Alu I認定。
c、
隨種類不同，兩端是7-21bp的直接重複。
d、
Alu也是一種逆轉移子，Alu先轉錄成RNA，真核細胞中能也反轉錄脢，能將Alu RNA轉錄成Alu DNA在插入基因組中。Alu本身不會譯出蛋白質。（註十一）
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註九：PRINCIPLES OF GENETICS， SNUSTAD、SIMMONS，Second
Edition，
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p481
註十：MICROBIOLOGY，Prescott
Harley Klein，fifth edition，p300
註十一：THE WORLD OF THE CELL，BECKER、KLEINSMITH、HARDN、Fourth
edition、p511、514
跳躍基因的共同特點為：
1. 可調控基因表現
2. 可在染色體上游動，亦可在不同染色體間轉位（transposition）
3. 可使基因的原本功能失去；當其移走時，原本基因的功能恢復
4. 可使染色體斷裂，引起染色體轉移（translocation）、重複（duplication）、殘缺（deletion）與逆轉（inversion）
跳躍基因的應用範圍如下：
1. 細菌的抗藥性可藉由跳躍基因，經轉移，迅速傳給相鄰的細菌
2. 跳躍基因可能參與癌細胞的轉型作用
3. 跳躍基因可能經由轉移作用，參與細胞分化的進行（註十二）
利用在AIDS
在轉位之前，一個Tn5轉位酵素與轉位子一端的特定序列結合，而另一個轉位酵素亦可和相反端的相同序列結合。這兩個轉位酵素都無法各自執行DNA的切割動作，但藉由DNA迴圈的形成，轉位子兩端之轉位酵素因而靠近，並能夠切割異端的DNA。然後，這個轉位子-轉位酵素之複合體可以自由移動，並且插入新的位置，造成了跳躍基因的形成。
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註十二：諾貝爾的榮耀－生理醫學桂冠，科學月刊著，天下文化書坊，p136－140
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這個機制的發現，不但使我們對轉位的分子機制有更深入的了解，同時也對AIDS的研究有極大的貢獻，因為HIV病毒也是利用和轉位子類似的方式，將它們自己插入人類的基因體中的。對於這些酵素的研究指出，它們的核心結構十分接近，這意味著它們極可能利用同樣的機制作用。所以，對於Tn5 的了解將有助於抑制HIV酵素Integrase的化合物之合成。（註十三）
以減毒之Salmanella choleraesuis 為重組DNA疫苗之應用
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DNA疫苗是一種新的疾病預防策略，其機制至今尚未完全了解，但
由於製造成本過高，因此近幾年來，研究人員嘗試利用減毒之細胞
內寄生細菌，如Salmonella、Shigellae或Listeria，使其承載重組
DNA載體，再以鼻腔接種或口服方式進行黏膜免疫(1,4)。而嘗試以細
胞內寄生細菌做為重組DNA之載體，其首要條件為此細菌對於被免疫動物不具任何毒力(4)。Kelly等人於1992年利用帶有Tn10跳躍基因之噬菌體，使其跳躍基因嵌入Salmonella cholearesuis之cya、crp或cdt基因中，造成單一基因摘除或多重基因摘除，並發現以口服或腹腔注射此突變菌株之小白鼠，其LD50都有不同程度的升高，且經過突變株感染後的老鼠，對於野外毒力株的感染，也具有不同
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註十三：http://science.scu.edu.tw/micro/1024/learn/01class_gene
/02Chromosome/Chromosome.htm
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程度之抵抗性(3)。Michael等人於1999年更利用Kelly等人構築之Salmonella choleraesuis突變株，連續繼代於豬隻嗜中性球五次，使其自行失去50-kb致病性質體(vpl)，然後以口服方式給予豬隻vpl－之Salmonella choleraesuis突變株，發現此細菌不但不具毒力，且能誘發豬隻能產生良好之免疫保護性，來抵抗野外毒力株之攻毒(2)。此外，Shiau等人於2001年，將老鼠之一免疫促進素基因Pro T (Prothymosin α)與Pseudorabis之病毒抗原基因gD (glycoprotein D)同時構築於DNA載體上，並利用減毒之Salmonella choleraesuis承載此重組DNA，而後再以小白鼠進行口服免疫，也成功的使小白鼠產生抗glycoprotein
D及Salmonella choleraesuis之多價抗體，同時對於Pseudorabis病毒之攻毒，也具有抵抗性(5)。因此，利用基因突變的方式，進行Salmonella choleraesuis減毒。（註十四）
註十四：http://www.nchu.edu.tw/~ivp/9001/czw.htm
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| 參考資料：
1、諾貝爾的榮耀－生理醫學桂冠，科學月刊著，天下文化書坊
2、諾貝爾百年百人 生理學或醫學獎，王恆、朱幼文，世朝出版有限公司，p200－205
3、現代遺傳學，Ι分子遺傳學，二版，陳嘉芬，藝軒圖書出版，p391－394
4、PRINCIPLES OF GENETICS ， SNUSTAD、SIMMONS，
Second Edition，p477－483
5、BIOCHEMISTRY，GARRETT
and GRISHAM，SECOND
EDITION，p965、966
6、BIOLOGY，CAMPBELL REECE
MITCHELL，Fifth Edition，
p336
7、MICROBIOLOGY，Prescott Harley Klein，Fifth edition，p300
8、THE WORLD OF THE CELL，BECKER、KLEINSMITH、
HARDN，Fourth edition、p511、514
9、http://science.scu.edu.tw/micro/1024/learn/01class_gene/02Chromosome/Chromosome.htm
10、http://leos.bu.edu/news_details.html?news_id=152
11、http://microbiology.scu.edu.tw/micro/people/McClintock.htm
12、http://www.nchu.edu.tw/~ivp/9001/czw.htm
13、http://www.nobel.se
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