第二章染色质、染色体、基因和基因组

第二章 染色质、染色体、基因和基因组授课教师孙维洋第一节 染色质和染色体 一、染色质和染色体形态 1.染色质的形态 染色质存在于真核细胞核中，是由 DNA、 组蛋白和非组蛋白组成的复合物形成的高度有序的核蛋白体。 染色质的形态可分为常染色质和异染色质 常染色质位于核的中央，为松散解旋的细纤维丝，可进行活跃的复制与转录。 异染色质位于核的周边部位，高度螺旋缠绕，处于功能静止状态。细胞核及染色质 染色质是一种纤维状结构，也被称为染色质丝，它是由若干重复单位核小体（ nucleosome） 成串排列而成的。 核小体是染色质的基本结构单位，真核细胞的间期松解后呈串珠样结构。 用 DNA酶消化染色质可以球状小体一颗颗分开，说明小体之间的连接部分是 DNA链。 每个球状小体是由 8个组蛋白分子组成的聚合体，组蛋白包括 H2A、 H2B、H3和 H4， 各 2个。 每个球状小体与连接段的 DNA组成一个核小体，包括 200bp的 DNA和一个组蛋白 8聚体，及一个分子的组蛋白 H1。 DNA在蛋白八聚体上的缠绕总是遵循左手螺旋方向的。 组蛋白 H1将核小体压缩到一起形成直径 30nm左右的规则的重复排列结构，称为螺线体。Nucleosome core146 bp, 1.8 superhelical turnChromatosome166 bp, 2 superhelical turnHistone octamer 组蛋白八聚体Top viewSide viewNucleosome (核小体 ) core (核心 )The 30 nm fiberHigher orderedLeft-handed helixSix nucloesomes per turn 30 nm fiber(30nm in diameter)Solenoid-likeNucleosome repeatCore + linker DNAca 200 bpNuclear matrix (核基质 ), protein complex30 nm fiber300 nmHighest level of chromatin organization: looped domain structure100kb染色质的一级结构：核小体二级结构：螺线体三级结构：超螺线体四级结构：染色单体D2. Chromatin StructureSteps from DNA to chromosome2.染色体的形态 细胞分裂中期，染色体达到凝缩的极点，轮廓结构清晰，有利于观察研究，因此多采用中期染色体作为研究对象。 不同生物、不同细胞类型及不同发育阶段，染色体的数目，大小和形状各异。 概念：染色单体，着丝粒，次缢痕，随体，核仁组织区，端粒，复制子与复制起始点 次缢痕：有些染色体臂上狭窄和浅染的区域。 随体：位于近端着丝粒染色体的短臂末端有一球状或棒状结构，称为随体。 核仁组织区：在细胞周期的间期和前期，近端着丝粒染色体长臂上的次缢痕形成核仁，这个区成为核仁组织区。为核糖体基因所在区， rRNA转录活跃。 端粒：染色体末端的特异结构。端粒DNA的末端受蛋白因子保护，不容易被酶切。 复制子与复制起始点：染色体上负责自主复制的 DNA序列称为复制子，或复制起始点。端 粒 (telomere)真核生物染色体线性 DNA分子末端的结构。 结构特点：1. 由末端单链 DNA序列和蛋白质构成2. 末端 DNA序列是多次重复的富含 G、C碱基的短序列 功能： 1. 维持染色体的稳定性2. 维持 DNA复制的完整性端粒酶 (telomerase) 特点：1. 由 RNA和蛋白质构成的复合 物2. 为特殊的逆转录酶，能以自身的 RNA为模板逆转录合成端粒 DNA 功能：合成端粒 DNA， 维持端粒的长度 爬行模型：端粒及端粒酶的意义：端 粒 的长短及 端粒酶 活性变化与细胞水平的 老化 (aging)及肿瘤 的发生有一定关系。根据着丝粒位置进行的染色体分类图示 端粒、着丝点和 DNA复制原点是构成染色体不可缺少的三要素。二、染色质和染色体的化学成分及组成 1.DNA 2.组蛋白按照精氨酸 /赖氨酸比例，将组蛋白分为 5种： H1、 H2A、 H2B、 H3、 H4。 H1含有大量赖氨酸， H2A、 H2B含有稍多赖氨酸 ， H3、 H4含有大量精氨酸。又分为两大类： H2A、 H2B、 H3、 H4为核小体组蛋白及 H1组蛋白。 3.非组蛋白一类酸性蛋白质，富含天门冬氨酸、谷氨酸等酸性氨基酸。作用：（ 1）参与染色体的构建（ 2）启动基因的复制（ 3）调控基因的转录 4.核糖核酸（ RNA）占染色质的 1 3，可能与基因调控有关。 5.酶DNA聚合酶， RNA聚合酶，核苷酰转移酶，DNA甲基化酶，磷蛋白激酶，磷酸酶，组蛋白乙酰转移酶，蛋白酶等。三、染色质和染色体的功能1.有丝分裂 Mitosis细胞周期 Cell cycle分为 G1期、 S期、 G2期和 M期M期又分为五个时期：前期、前中期、中期、后期、末期。Cell cycle Interphase 间期 : G1 + S + G2 (G0)M phase (mitosis 有丝分裂 ): Prophase 前期 metaphase 中期 anaphase 后期 telophase 末期D3 Eukaryotic Chromosomal Structure Cell cycle2.减数分裂 由第一次减数分裂和第二次减数分裂组成 最复杂的是前期 I， 又可以分为：细线期：染色体细长线状偶线期：同源染色体配对粗线期：染色体联会，缩短变粗双线期：联会染色体开始分离，非同源染色体发生交换终变期：染色体向核的四周移动Mitotic chromosomeCentromere中心粒TelomereD3 Eukaryotic Chromosomal Structure Mitotic chromosome at metaphaseNuclear matrix核基质Loops of 30nm fiberSister chromatid姊妹染色单体Chromatid 染色单体Kinetochore动粒Mitotic chromosomeD3 Eukaryotic Chromosomal Structure Mitotic spindleMitotic chromosome at metaphaseCentromere中心粒Mitotic spindleKinetochore动粒The polytene chromosomes (多线染色体) of D. melanogaster form an alternating series of bands and interbands Amphibian lampbrush chromosome 灯刷染色体 loop surrounded by a matrix of ribonucleo-protein Special forms of chrom