第一章 绪论-染色体DNA

1、分子生物学 高清松 Email: 第一章第一章 绪论绪论 一一. 基本含义基本含义 一一. 分子生物学的基本含义分子生物学的基本含义 是人类从分子水平上研究细胞活动的规是人类从分子水平上研究细胞活动的规 律，揭开生命本质的一门基础学科。律，揭开生命本质的一门基础学科。 第一章第一章 绪论绪论 一一. 基本含义基本含义 - 分子水平分子水平是是指指 携带遗传信息的核酸和在遗传信息传递及细胞内、携带遗传信息的核酸和在遗传信息传递及细胞内、 细胞间通讯过程中发挥着重要作用的蛋白质等生物细胞间通讯过程中发挥着重要作用的蛋白质等生物 大分子。大分子。 - 分子水平上研究分子水平上研究生命的本质生命的本质

2、主要是指主要是指 对遗传、生殖、生长和发育等生命基本特征的分对遗传、生殖、生长和发育等生命基本特征的分 子机理的阐明子机理的阐明, 从而为利用和改造生物奠定理论基从而为利用和改造生物奠定理论基 础和提供新的手段。础和提供新的手段。 第一章第一章 绪论绪论 一一. 基本含义基本含义 分子生物学：分子生物学： 是研究核酸等生物大分子的功能、是研究核酸等生物大分子的功能、 形态结构特形态结构特 征及其重要性和规律性的学科，是人类从分子征及其重要性和规律性的学科，是人类从分子 水平上真正揭开生物世界的奥秘，由被动适应水平上真正揭开生物世界的奥秘，由被动适应 自然界转向主动地改造和重组自然界的基础学自然

3、界转向主动地改造和重组自然界的基础学 科。科。 分子生物学是目前现代生物学领域里最具有活分子生物学是目前现代生物学领域里最具有活 力和发展最为迅速的学科之一。力和发展最为迅速的学科之一。 第一章第一章 绪论绪论 二二. 分子生物学发展简史分子生物学发展简史 二二. . 分子生物学发展简史分子生物学发展简史 分子生物学的发展大致可分为两个阶段分子生物学的发展大致可分为两个阶段 1. 1. 准备和酝酿阶段准备和酝酿阶段 1919世纪后期世纪后期-20-20世纪世纪5050年代年代 产生了两点对生命本质的认识上的重大突破产生了两点对生命本质的认识上的重大突破: : 确定了生物遗传的物质基础是核酸确定

4、了生物遗传的物质基础是核酸, 解决了遗解决了遗 传的物质基础问题。传的物质基础问题。 确定了蛋白质是生命的主要基础物质。确定了蛋白质是生命的主要基础物质。 第一章第一章 绪论绪论 二二. 分子生物学发展简史分子生物学发展简史 2. 分子生物学的建立和发展阶段分子生物学的建立和发展阶段 主要进展主要进展: 50年代提出了年代提出了DNA分子的双螺旋结构模型和半保分子的双螺旋结构模型和半保 留复制机制留复制机制, 解决了解决了遗传物质遗传物质的自我复制和世代交的自我复制和世代交 替问题替问题; 50年代末至年代末至60年代年代, 提出了提出了“中心法则中心法则”和操纵和操纵 子学说子学说, 成功地

5、破译了遗传密码成功地破译了遗传密码, 阐明了遗传信息的阐明了遗传信息的 流动与表达机制。流动与表达机制。 P. 10 第一章第一章 绪论绪论 二二. 分子生物学发展简史分子生物学发展简史 1957 年年, A. Kornberg 在大肠杆菌中发现了在大肠杆菌中发现了 DNA 聚合酶聚合酶; 1965 年年, 证明了细菌的抗药性通常由证明了细菌的抗药性通常由“质粒质粒”DNA所决定；所决定； 1967 年年, 第一次发现第一次发现 DNA 连接酶连接酶; 1970 年年, Smith, Wilcox 和和 Kelley 分离出第一种限制性核酸内切分离出第一种限制性核酸内切 酶酶, Temin 和

6、和Baltimore 从从RNA肿瘤病毒中发现反转录肿瘤病毒中发现反转录 酶。酶。 1972-73 年年, Boyer, Berg等人发等人发明明了了DNA重组技术重组技术, 1972年获得第一个重组年获得第一个重组 DNA 分子；分子； 1973年完成第一例细菌基因克隆。年完成第一例细菌基因克隆。 1978年年, 首次在大肠杆菌中生产由人工合成基因表达的人脑激首次在大肠杆菌中生产由人工合成基因表达的人脑激 素和人胰岛素。素和人胰岛素。 第一章第一章 绪论绪论 二二. 分子生物学发展简史分子生物学发展简史 1981年年, Palmiter和和Brinster 获得转基因小鼠获得转基因小鼠, S

7、pradliing和和Rubin得到转基因果蝇。得到转基因果蝇。 1982年年, 美、英批准使用第一例基因工程药物美、英批准使用第一例基因工程药物胰岛素。胰岛素。 1983年年, 获得第一例转基因植物。获得第一例转基因植物。 1994年年, 第一批基因工程西红柿在美国上市。第一批基因工程西红柿在美国上市。 1996年年, 完成了酵母基因组完成了酵母基因组(1.25 107bp)全序列测定。全序列测定。 1997年年, 英国爱丁堡罗斯林研究所获得克隆羊。英国爱丁堡罗斯林研究所获得克隆羊。 2000年年, 完成第一个高等植物拟南芥的全序列测定完成第一个高等植物拟南芥的全序列测定 (3.2 108b

8、p)。 2001年年, 完成人类基因组全序列测定完成人类基因组全序列测定(3.5 109bp)。 第一章第一章 绪论绪论 二二. 分子生物学发展简史分子生物学发展简史 2002年年, 英、美、德等国的上百位科学家在英、美、德等国的上百位科学家在Nature 杂志上联合宣布他们成功破译了小鼠的基因组。杂志上联合宣布他们成功破译了小鼠的基因组。 2004年，年，科学科学杂志发表了中国科学家的杂志发表了中国科学家的家蚕基因组框家蚕基因组框 架图架图。 2005年，年， 2005年年8月月11日中、美、日、法等日中、美、日、法等10个国家和地区个国家和地区 的科学家在的科学家在 Nature 杂志发表

9、了水稻基因组杂志发表了水稻基因组“精细精细 图图”，覆盖率达，覆盖率达95.3。 我国对国际水稻基因组计划的贡献率达我国对国际水稻基因组计划的贡献率达20。共定。共定 位了位了37,500个基因，还率先在动植物中完成了对着个基因，还率先在动植物中完成了对着 丝粒的测序丝粒的测序 。 第一章第一章 绪论绪论 二二. 分子生物学发展简史分子生物学发展简史 2009年，年， 由中国农科院蔬菜花卉研究所和深圳华大基因研由中国农科院蔬菜花卉研究所和深圳华大基因研 究院领衔、究院领衔、14国科学家组成的国际马铃薯基因组国科学家组成的国际马铃薯基因组 测序协作组，分别在北京、阿姆斯特丹、伦敦、测序协作组，分

10、别在北京、阿姆斯特丹、伦敦、 纽约、利马等地同时宣布：纽约、利马等地同时宣布： 马铃薯基因组序列框架图完成马铃薯基因组序列框架图完成 马铃薯基因组有马铃薯基因组有12条染色体、条染色体、8.4亿个碱基对亿个碱基对 该框架图覆盖了该框架图覆盖了: 马铃薯马铃薯95以上的基因以上的基因 共发现共发现3.5万多个基因万多个基因 第一章第一章 绪论绪论 二二. 分子生物学发展简史分子生物学发展简史 2009年，年， 中国颁发了具有自主知识产权的中国颁发了具有自主知识产权的: 一个转植酸酶基因玉米品种一个转植酸酶基因玉米品种 生产应用安全证书生产应用安全证书 两个转抗虫基因水稻品种两个转抗虫基因水稻品种

11、 第一章第一章 绪论绪论 二二. 分子生物学发展简史分子生物学发展简史 转植酸酶基因玉米转植酸酶基因玉米: 可以提高饲料的利用效率，减少饲料中磷酸氢可以提高饲料的利用效率，减少饲料中磷酸氢 钙的添加量，降低饲养成本；减少动物粪、尿中植钙的添加量，降低饲养成本；减少动物粪、尿中植 酸磷的排泄，减轻环境污染，有利于环境保护酸磷的排泄，减轻环境污染，有利于环境保护. 此外，利用农业种植方式生产植酸酶，还具有此外，利用农业种植方式生产植酸酶，还具有 节能、环保、低成本的优势。节能、环保、低成本的优势。 植酸酶植酸酶: 是催化植酸及其盐类水解为肌醇与磷酸（盐）的是催化植酸及其盐类水解为肌醇与磷酸（盐）的

12、 一类酶的总称一类酶的总称 第一章第一章 绪论绪论 二二. 分子生物学发展简史分子生物学发展简史 转抗虫基因水稻转抗虫基因水稻: 能有效控制螟虫等鳞翅目害虫危害，保障水能有效控制螟虫等鳞翅目害虫危害，保障水 稻增产，还能减少稻增产，还能减少80%的化学农药用量。的化学农药用量。 第一章第一章 绪论绪论 三三. 分子生物学的主要研究内容分子生物学的主要研究内容 1. 分子生物学的基本原理分子生物学的基本原理 （p 13) (1)(1) 构成生物体各类有机大分子的单体在不同生物中构成生物体各类有机大分子的单体在不同生物中 都是相同的。都是相同的。 (2) (2) 生物体内一切有机大分子的建成都遵循

13、共同的规生物体内一切有机大分子的建成都遵循共同的规 则。则。 (3) (3) 某一特定生物体所拥有的核酸及蛋白质分子决定某一特定生物体所拥有的核酸及蛋白质分子决定 了它的属性。了它的属性。 第一章第一章 绪论绪论 三三. 主要研究内容主要研究内容 2.2. 主要研究内容主要研究内容 (1(1） DNA重组技术重组技术 （2）基因表达调控研究）基因表达调控研究 （3 3）结构分子生物学）结构分子生物学 （4）基因组、功基因组与生物信息学研究）基因组、功基因组与生物信息学研究 分子生物学的研究内容分子生物学的研究内容 DNA重组技术重组技术 （1）DNA 重组技术（重组技术（基因工程基因工程/遗传

14、工程遗传工程/基因操作基因操作/基因克隆基因克隆/分子克隆分子克隆） 在体外将不同的在体外将不同的 DNA 片段片段 (整个基因或基因的整个基因或基因的 一个部分一个部分) 按照人们的设计定向连接起来后，转入按照人们的设计定向连接起来后，转入 特定的受体细胞，使重组基因在受体细胞中与载体特定的受体细胞，使重组基因在受体细胞中与载体 同时复制并得到表达，从而赋予生物体新的遗传特同时复制并得到表达，从而赋予生物体新的遗传特 性性, 创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物 产品。产品。 基因（基因（gene）：）： 产生一条多肽链或功能产生一条多肽链或功能R

15、NA所需要的全部所需要的全部DNA序列序列. G AATTC CTTAA G SV40 G AATTC CTTAA G SV40病毒病毒DNA 噬菌体噬菌体DNA EcoR I DNA ligase 连接连接 SV40 GAATTC CTTAAG SV40 DNA GAATTC CTTAAG DNA VS40 GAATTC CTTAAG GAATTC CTTAAG SV40 5 3 5 3 切割切割 图图: SV40 病毒病毒DNA 和和 噬菌体噬菌体 DNA 的重组的重组 例1: 例2: 分子生物学的研究内容分子生物学的研究内容 DNA重组技术重组技术 DNA重组重组操作主要包括操作主要包括

16、: DNA (基因组和质粒DNA) 提取和纯化 PCR (聚合酶链反应) 基因扩增 DNA聚合酶 DNA分子切割 限制性内切酶限制性内切酶 DNA片段与载体载体连接 DNA连接酶连接酶 DNA凝胶电泳 细胞转化及重组子的筛选与鉴定等 分子生物学的研究内容分子生物学的研究内容 DNA重组技术重组技术 三大基本工具三大基本工具: “分子手术刀” 限制性核酸内切酶 “分子缝合针” DNA连接酶 “分子运输车” 基因进入受体细胞的载 体 分子生物学的研究内容分子生物学的研究内容 DNA重组技术重组技术 DNA 重组技术应用前景重组技术应用前景 可用来进行基因功能的研究。如利用 反义技术、 RNA干扰等

17、技术。 可用于定向改造某些生物的基因组结构。如：转 基因Bt抗虫棉，将苏云金芽孢杆菌编码Bt毒蛋白 的抗虫基因转入棉花后获得的。 可用于大量生产某些在正常细胞代谢中产量很低 不能产生的多肽，如激素、抗生素、酶类和抗体 等，提高产量，降低成本。 分子生物学的研究内容分子生物学的研究内容 基因表达调控研究 基因表达基因表达 (gene expression): 从从DNA到蛋白质或功能到蛋白质或功能RNA的过程被称为基因表达。的过程被称为基因表达。 实质上就是遗传信息的转录和翻译实质上就是遗传信息的转录和翻译 基因表达调控基因表达调控(gene regulation)： 对基因表达过程的调节就称为

18、基因表达的调控。对基因表达过程的调节就称为基因表达的调控。 (2) 基因表达调控研究基因表达调控研究 分子生物学的研究内容分子生物学的研究内容 基因表达调控研究 DNA RNA 反馈(?) 转录 复 制 翻译 蛋白质 生理功能 图图: 遗传信息传递的遗传信息传递的“中心法则中心法则”示意图示意图 （21世纪后修正的世纪后修正的 ） tRNA和rRNA 小RNA （microRNAs） 非编码RNA （Non-codingRNA） P.12 分子生物学的研究内容分子生物学的研究内容 基因表达调控研究 基因表达调控类型基因表达调控类型: 时序调控 (遗传特性) 区域调控 (遗传特性) 环境调控 (

19、内外环境变化) 基因表达过程中的调控主要发生在：基因表达过程中的调控主要发生在： DNA的转录水平 ( 原核生物和真核生物) RNA的翻译水平 (此调控仅发生在真核生物的基因表 达中) 分子生物学的研究内容分子生物学的研究内容 结构分子生物学结构分子生物学 （3）生物大分子的结构功能研究）生物大分子的结构功能研究结构分子结构分子生生物学物学 一个生物大分子，无论是核酸、蛋白质等在发挥其生物功一个生物大分子，无论是核酸、蛋白质等在发挥其生物功 能时，必须具备两个前提：能时，必须具备两个前提： 拥有特定的空间结构拥有特定的空间结构 （三维结构）；（三维结构）； 发挥生物学功能的过程中必定存在着结构

20、和构象的变发挥生物学功能的过程中必定存在着结构和构象的变 化。化。 分子生物学的研究内容分子生物学的研究内容 结构分子生物学结构分子生物学 结构结构分子生物学就是研究生物大分子特定的空间结分子生物学就是研究生物大分子特定的空间结 构及结构的运动构及结构的运动变化与其生物学功能关系的科学。变化与其生物学功能关系的科学。 主要包括三个研究方向：主要包括三个研究方向： 结构的测定结构的测定 采采用用X射线衍射、二维或多维核磁共振等方法射线衍射、二维或多维核磁共振等方法 结构运动变化规律的探索结构运动变化规律的探索 结构与功能相互关系的建立结构与功能相互关系的建立 分子生物学的研究内容分子生物学的研究

21、内容 基因组、功能基因组与生物信息学研究 （4）基因组、功基因组与生物信息学研究）基因组、功基因组与生物信息学研究 基因组（基因组（genome): 生物有机体的单倍体细胞中的所有DNA，包括 核中的染色体DNA和线粒体、叶绿体等亚细胞器中 的DNA。 P. 473 分子生物学的研究内容分子生物学的研究内容 基因组、功能基因组与生物信息学研究 基因组计划基因组计划: 测定基因组序列。 - 人类基因组计划 目的是揭开人类所有的遗传结构, 包括所有的基因(尤其是与疾病相关的基因)和基因外 序列的结构。1990年-2001年，美、英、法、德、日、 中 6 国的合作已完成人类基因的全部序列测定工 作。

22、 见表2-1, P. 23. - 小家鼠、果蝇、线虫、拟南芥、水稻、啤酒酵母，以 及多种真菌、细菌的基因组研究相继展开。 分子生物学的研究内容分子生物学的研究内容 基因组、功能基因组与生物信息学研究 功能基因组计划功能基因组计划 ( 蛋白组计划或后基因组计划): 揭 示基因产物和功能之间的关系。通过 利用各种模式植物体基因的剔除和转 基因来研究基因的功能。 生物信息学生物信息学: 将基因的结构、蛋白质功能以及物种的 进化在基因信息的基础上统一起来。 第一章第一章 绪论绪论 四四. 课程学习目的和内容课程学习目的和内容 1. 学习目的学习目的: 掌握分子生物学的基本掌握分子生物学的基本概念、基本

23、原理概念、基本原理 、基本操作技术等。、基本操作技术等。 2. 学习内容学习内容: 重点讲授重点讲授 第三章第三章 生物信息的传递生物信息的传递 (上上)- 从从DNA到到RNA 第四章第四章 生物信息的传递生物信息的传递 (下下)- 从从RNA到蛋白质到蛋白质 第五章第五章 分子生物学研究法（上）分子生物学研究法（上） 第六章第六章 分子生物学研究法（下）分子生物学研究法（下） 第七章第七章 基因的表达与调控基因的表达与调控 (上上)-原核基因表达调节模式原核基因表达调节模式 第八章第八章 基因的表达与调控基因的表达与调控 (下下)-真核基因表达调控的一真核基因表达调控的一 般规律般规律 第

24、一章第一章 绪论绪论 四四. 课程的学习目的和内容课程的学习目的和内容 参考书参考书: 1. 吴乃虎主编吴乃虎主编 2. 杨岐生主编杨岐生主编 浙江大学出版社浙江大学出版社 3. 吴乃虎主编吴乃虎主编 第一章第一章 绪论绪论 当你进入实验室时当你进入实验室时, 要像脱去外衣那样放下要像脱去外衣那样放下 你的想像力你的想像力, 因为实验操作中不能有一丁点的因为实验操作中不能有一丁点的 想像想像, 否则否则, 你对事物的观察就会受影响你对事物的观察就会受影响; 而当而当 你翻开书本的时候你翻开书本的时候, 你又必须尽可能展开想像你又必须尽可能展开想像 的的 “翅膀翅膀” , 否则否则, 你就不可能

25、走在别人前面。你就不可能走在别人前面。 朱玉贤朱玉贤 第二章第二章 染色体和染色体和DNA 一一. 染色体染色体 染色体染色体: 细胞细胞(核核)中由中由DNA、蛋白质组成的易被碱性染、蛋白质组成的易被碱性染 料着色的一种丝状或杆状物料着色的一种丝状或杆状物。 亲代是以染色体的形式将自己的遗传物质亲代是以染色体的形式将自己的遗传物质DNA 传给子代，保持了物种的稳定性和连续性。因此，传给子代，保持了物种的稳定性和连续性。因此， 染色体在遗传上起着主要作用。染色体在遗传上起着主要作用。 第二章第二章 染色体和染色体和DNA 一一. 染色体染色体 1. 染色体的特征染色体的特征: (1) 分子结构

26、相对稳定分子结构相对稳定; (2) 能够自我复制，能够自我复制，亲代能够将自己的遗亲代能够将自己的遗 传物质传物质DNA以染色体的形式传给子代以染色体的形式传给子代,使使 亲、子代之间保持亲、子代之间保持了物种的稳定性和了物种的稳定性和连连 续性续性; (3) 能够指导蛋白质的合成，从而控制能够指导蛋白质的合成，从而控制 整个生命过程整个生命过程; (4) 能够产生可遗传的变异。能够产生可遗传的变异。 第二章第二章 染色体和染色体和DNA 一一. 染色体染色体 2. 染色体的组成染色体的组成 (1) 原核细胞染色体原核细胞染色体 由 DNA与非组蛋白质组成，两者结合呈松散状态。 参与DNA 折

27、叠 染色体中的蛋白质 参与DNA 复制、重组及转录 原核生物染色体一般位于类核体上。 第二章第二章 染色体和染色体和DNA 一一. 染色体染色体 原核生物类核的结构原核生物类核的结构 p. 22 第二章第二章 染色体和染色体和DNA 一一. 染色体染色体 原核生物基因组的特点：原核生物基因组的特点： 多数只有一条染色体 基因组小 大肠杆菌基因组仅含4000 多个基因。 DNA含量少 大肠杆菌DNA的相对分子 质量只有2.4109 第二章第二章 染色体和染色体和DNA 一一. 染色体染色体 原核生物原核生物DNA的主要特点的主要特点: p. 33 结构简练结构简练 大多数为单拷贝基因, 只有很少

28、数基因（rRNA）是以多 拷贝形态存在。原核DNA分子的绝大部分是用来编码蛋白质 的，只有非常少的一部分不转录。而且，这些不转录DNA序 列通常是控制基因表达的序列。 存在转录单元（操纵子）存在转录单元（操纵子） 原核DNA序列中功能相关的RNA和蛋白质基因，往往丛集 在基因组的特定部位，形成功能单位或转录单元，它们可被 一起转录为可翻译多个蛋白质的mRNA分子，这种mRNA叫多顺多顺 反子反子mRNAmRNA。 第二章第二章 染色体和染色体和DNA 一一. 染色体染色体 有重叠基因有重叠基因 具有部分共用核苷酸序列的基因，也就是说，同 一段DNA携带了两种不同蛋白质的编码信息。这样 的两个基

29、因称之为重叠基因重叠基因。 重叠的部分可以在基因的调控区， 也可以在结 构基因区。 重叠基因主要有以下几种情况: 一个基因完全在另一个基因里面; 部分重叠; 两个基因只有一个碱基对的重叠。 第二章第二章 染色体和染色体和DNA 一一. 染色体染色体 噬菌体噬菌体 X174 P. 34 第二章第二章 染色体和染色体和DNA 一一. 染色体染色体 真核细胞染色体的组成真核细胞染色体的组成 组蛋白组蛋白 蛋白质蛋白质 染色体染色体 非组蛋白非组蛋白 DNA 少量RNA （主要是尚未完成转录而仍与模板 DNA相连的那些RNA） (2) 真核细胞染色质与染色体真核细胞染色质与染色体 P25 第二章第二章

30、 染色体和染色体和DNA 一一. 染色体染色体 n 蛋白质蛋白质 组蛋白 (histone，H) 染色质中的蛋白质 非组蛋白 (nonhistone chromosomal proteins, NHC) 真核染色质中蛋白质与相应DNA的质量比约为2:1。 第二章第二章 染色体和染色体和DNA 一一. 染色体染色体 组蛋白组蛋白 一类小分子量的碱性蛋白质，是构成真核染色质 的主要蛋白质。 真核生物的染色质中有H2A、H2B、H3、H4和 H1(鸟类、鱼类及两栖类红细胞染色体不含H1而带 有H5) 等5种主要类型的组蛋白。 第二章第二章 染色体和染色体和DNA 一一. 染色体染色体 表表 真核细胞

31、染色真核细胞染色质质上的组蛋白成分分析上的组蛋白成分分析 see P.26. 表2-5. _ 种类 相对分子质量 氨基酸数目 分离难易度 保守性 染色质中比例 染色质中位置 _ H1 21 000 223 易 不保守 0.5 接头 H2A 14 500 129 较难 较保守 1 核心 H2B 13 800 125 较难 较保守 1 核心 H3 15 300 135 最难 最保守 1 核心 H4 11 300 102 最难 最保守 1 核心 _ - H3、H4富含精氨酸 H1 富含赖氨酸 H2A、H2B介于两者之间 - 用 2 mol/L NaCl 或 0.25 mol/L 的HCl/H2SO4

32、 处理染色 质，可将 组蛋白与DNA 分离。 第二章第二章 染色体和染色体和DNA 一一. 染色体染色体 组蛋白的特性组蛋白的特性： p. 26 进化上的极端保守性, 组成相似, 特别是H3、H4. 对稳定 染色体结构起作用。 无组织特异性, 仅有两个例外。 肽链上氨基酸分布的不对称性, 碱性AA集中分布在N-端 的半条链上, 与DNA的负电荷区结合, 大部分疏水基团集 中分布在C-端的半条链上, 与其它组蛋白、非组蛋白结合. 组蛋白的修饰作用, 主要为甲基化、乙酰化、磷酸化等, 可调控基因表达。 H5的磷酸化对染色质失活起作用。 第二章第二章 染色体和染色体和DNA 一一. 染色体染色体 非

33、组蛋白非组蛋白: 是一类多种蛋白质的群体, 大约100种, 常见15-20种, 占染色体蛋白总量的60-70%. HMG 蛋白蛋白 (high mobility group protein, 高速泳动蛋白高速泳动蛋白) 特性: - 小分子量，高电荷; - 通常与有能力进行转录的活性染色质特异性结合; - 可用 0.35 mol/L NaCl 溶液提取，能溶于2% 的三氯乙 酸。 功能: 与DNA 的超螺旋结构有关。 DNA 结合蛋白结合蛋白 特性: - 能与 DNA 紧密结合; - 只有用高浓度盐液提取，通常采用 2 mol/L NaCl 或 5 mol/L 尿素溶液。 功能: 参与DNA 的

34、复制或转录。 第二章第二章 染色体和染色体和DNA 一一. 染色体染色体 A24非组蛋白 小鼠肝脏中分离到一种蛋白质。氨基酸序列测定发现A24的 C端与H2A相同，A24它有两个N端，一个N端的序列与H2A相 同，另一个N端与泛蛋白相同，A24位于核小体内，功能不详。 泛蛋白泛蛋白：在真核细胞中普遍存在的小分子量的蛋白质。可以修 饰核小体结构，与H2A组蛋白发生共价连接，形成修 饰的uH2A组蛋白。 第二章第二章 染色体和染色体和DNA 一一. 染色体染色体 n真核细胞基因组的特点真核细胞基因组的特点 - 真核基因组宠大, 人类基因组的总长度为2907Mb， 含39114个基因。 - 含有大量

35、重复序列。 - 含有大量的非编码序列，占整个基因组序列的90% （C值-一种生物单倍体基因组DNA的总量。p29 ）。 - 真核基因绝大多数为断裂基因。 - 真核基因的转录产物为单顺反子。 - 真核基因组中存在大量的顺式作用元件.包括启动子、 增强子、沉默子等。 - 真核基因组中存在大量的DNA多态性。 - 真核基因组具有端粒结构。是真核生物线性基因组 DNA末端的一种特殊结构，是一段DNA序列和蛋白质 形成的复合体，具有保护线性DNA的完整复制等功能。 第二章第二章 染色体和染色体和DNA 一一. 染色体染色体 真核生物真核生物DNA序列序列 真核生物DNA序列可分为三类: 不重复序列不重复

36、序列 (unique sequence): 在单倍体基因组内, 这些序列仅 出现一次或少数几次。占DNA总量的40-80%, 在 人类基因组中占 60-65%。结构基因属于不重复 序列。 中度重复序列中度重复序列 (moderately repetitive sequence): 序列的重复次 数为103-105, 占DNA总量的15%。各种 rRNA、 tRNA 和一些结构基因，如非洲爪蟾的rRNA基 因都属于这类。 P. 29 第二章第二章 染色体和染色体和DNA 一一. 染色体染色体 高度重复序列高度重复序列 (high repetitive sequence): 序列的 重复次数 在1

37、05以上, 不转录。主要 为卫星DNA (又称随体DNA)。 卫星卫星DNA: 因为这种DNA含大量的A、T碱基，浮 力密度小, 在CsCl 密度梯度超离心时形 成一条与DNA主带相伴的小带, 形似卫 星而得名。仅存在于真核生物DNA列。 第二章第二章 染色体和染色体和DNA 真核生物的DNA序列 C 值值 (C-value): 一种生物单倍体基因组的DNA总量 (P. 29)。 C 值反常现象值反常现象 ( C 值悖理, C-value paradox): 物种的 C 值和它进化 复杂性之间不存在严格的对应关系, 这一现称为C 值反常现象。 * C 值反常现象暗示着真核生物基因组中必然存在大

38、量的不编码 基因产物的 DNA 序列。 第二章第二章 染色体和染色体和DNA 一一. 染色体染色体 断裂基因断裂基因 (split gene): 真核基因是不连续排列的，在编码多 肽链的DNA序列中间插入与氨基酸无 关的DNA序列。一个基因编码序列被 分隔成不连续的若干区段。 编码序列: 外显子外显子 (exon) 编码序列中间的插入的非编码序列: 内含子内含子 (intron) 不连续基因是由外显子和内含子交替排列组成。 内含子存在于转录的初始产物中，在基因产物成熟翻释之 前必须被切除，切除的过程称为RNA的剪接的剪接。一般说来，剪 接包括从初始转录产物精确地去掉内含子，然后切点两侧的 RN

39、A末端重新连接，外显子形成共价的完整分子。 第二章第二章 染色体和染色体和DNA 一一. 染色体染色体 图: 鸡蛋清蛋 白基因的不 连续性及与 mRNA 形成 R-环。 第二章第二章 染色体和染色体和DNA 一一. 染色体染色体 染色体的结构染色体的结构 核小体结构核小体结构 在细胞生活周期的大部分时间里都以染色质的 形式存在。 染色质染色质是一种纤维状结构的细丝, 又称为染色质丝染色质丝, 它的基本结构单位是核小体核小体。 第二章第二章 染色体和染色体和DNA 一一. 染色体染色体 l核小体中由各两个分子的组蛋白H2A、H2B、H3 和H4组成的一种圆盘状的蛋白质核心, 这个核心被 称之为组

40、蛋白八聚体组蛋白八聚体或 核小体核心核小体核心。 H2A、H2B、H3、H4称为核心组蛋白核心组蛋白 (core histone) l DNA双螺旋分子以146bp的长度盘旋1.8圈的形式 缠绕在组蛋白八聚体的外周，形成核小体核心颗核小体核心颗 粒粒。 H1 (H5) 称为连接连接组蛋白组蛋白 (linker histone) l 相邻的两个核小体核心颗粒之间，有一段长60bp 的连接DNA，连接DNA加上核小体核心颗粒便构 成了核小体核小体。 MOV：MCB4.0three dimensional packing of nuclear chromosomes 2(H2A、H2B、H3、H4)

41、 第二章第二章 染色体和染色体和DNA 一一. 染色体染色体 核小体结构的修饰核小体结构的修饰 在细胞周期特定时间，核小体中的组蛋白可发生甲基化、 乙酰化（p31，图2-7）、磷酸化、 ADP核糖基化等修饰。H3、 H4修饰作用较普遍，H2B有乙酰化作用、H1和H5有磷酸化作用。 修饰作用的共同特点：是降低组蛋白所携带的正电荷。 组蛋白修饰的意义： 一是改变染色体的结构，直接影响转录活性； 二是核小体表面发生改变，使其他调控蛋白易于和染色质相 互接触，从而间接影响转录活性。 第二章第二章 染色体和染色体和DNA 一一. 染色体染色体 染色质与转录活性染色质与转录活性: 染色质的类型 真核基因组

42、DNA被蛋白质包装形成染色质，其中的基因组处 于完全抑制的状态，DNA不能够进行复制和转录。这种状态下 的染色质称为非活性染色质非活性染色质。 在DNA的复制和转录过程中，染色质的结构受到暂时性的破 坏，使得聚合酶等特异因子能够识别DNA序列中的结合位点， 并阻止其装配成核小体，从而导致DNA的复制和转录。这种状 态下的染色质称为活性染色质活性染色质。 第二章第二章 染色体和染色体和DNA 一一. 染色体染色体 根据染色质的压缩程度的不同，在真核生物细胞分裂间期可 以观察到两种不同类型的染色质： 常染色质：常染色质：压缩程度较低，其中的基因可以表达； 异染色质：异染色质：压缩程度高，其中的基因

43、不表达。 第二章第二章 染色体和染色体和DNA 一一. 染色体染色体 染色体染色体 染色体是染色质包装压缩形成的一种高级的染色质结构。 典型的真核细胞的直径约为1m，但却含有总长度达1-2m 的DNA分子。它们必须被有序地包装，才能保证遗传信息的 有效储藏与表达。 6.8:1 40:1 1000:1 8000:1 DNA double helix Nucleosome (10 nm fiber) 30 nm Fiber Loops I Loops II chromosome 第二章第二章 染色体和染色体和DNA 二二. DNA的结构的结构 二二 . DNA的结构的结构 1. DNA 的一级结构

44、的一级结构: 是DNA分子内碱基的排列顺序。 在结构上，DNA是由单核苷酸通过 3，5-磷酸二酯键连接 而形成的高分子聚合物。从同一个磷酸基的3酯键到5酯键 的方向定义为链的方向。DNA 链的方向总是从5-P 端到3- OH 端 (p.35)。 DNA 分子中的核糖的2位总是 H (RNA 中为 OH)，所以 DNA分子对碱的作用具有抗性，在pH 11.5时，链的一级结 构几乎没有变化，稳定性很强，不易断裂。而RNA很容易 被碱水解。 第二章第二章 染色体和染色体和DNA DNA结构结构-二级结构二级结构 2. DNA 的二级结构的二级结构: 两条多核苷酸链反向平行盘绕所形成的双 螺旋结构。

45、DNA 的二级结构分为两类: 右手螺旋 A-DNA 和 B-DNA构象构象 A-DNA: 当 DNA 处于转录状态时, DNA模板链与由它转录 所形成的 DNA-RNA 双链。 B-DNA: 最常见的 DNA 双链构象, 富含 A 和 T 碱基。 左手螺旋 Z-DNA构象构象，富含 C 和 G 碱基. 与基因转录起始活性有关. 图图: A-, B-, Z-型型 DNA 三种结构比较三种结构比较 第二章第二章 染色体和染色体和DNA DNA结构结构-二级结构二级结构 Z-DNA调控基因转录的两种模式调控基因转录的两种模式: - ZDNA构象在转构象在转 录区上游离转录区录区上游离转录区 近时，抑

46、制转录。近时，抑制转录。 - 若离转录区远，可若离转录区远，可 以增加转录区的负以增加转录区的负 超螺旋程度促使转超螺旋程度促使转 录。录。ZDNA构象有构象有 转录起始的调节活转录起始的调节活 性。性。 Z-DNA的生物功能： Zig-zag 之字 与基因表达、基因调控有关。 第二章第二章 染色体和染色体和DNA DNA结构结构-高级结构高级结构 3. DNA的高级结构的高级结构: DNA双螺旋进一步扭曲盘绕所形成的特定 空间结构. DNA高级结构的主要形式-超螺旋结构 正超螺旋正超螺旋 负超螺旋负超螺旋 负超螺旋负超螺旋 拓扑异构酶 溴乙锭 松驰DNA 正超螺旋正超螺旋 拓扑异构酶 溴乙锭

47、 MOV : PBCA0267501supercoiling of DNA 第二章第二章 染色体和染色体和DNA DNA结构结构-高级结构高级结构 图: 环状 DNA 分子 的连接数 (L)、盘 绕数 (T)和超螺旋 数(W)之间的相互 关系。 L = T + W 其中 L 为常量, T 和W是变量。 第二章第二章 染色体和染色体和DNA DNA结构结构-高级结构高级结构 超螺旋结构的形成超螺旋结构的形成 是在拓扑异构酶的催化下进行链的切断-缝合反应。 根据酶的作用机理可分为: 拓扑异构酶拓扑异构酶 I 拓扑异构酶拓扑异构酶 II 第二章第二章 染色体和染色体和DNA DNA结构结构-高级结构

48、高级结构 拓扑异构酶拓扑异构酶 I 共同特点共同特点: o 仅切断双链DNA中的一条链, 随后进行连接； o 不需要能量辅助因子如ATP和NDP等, 因而不能催化需能 的超螺旋化结构的形成。 I 型酶一般是使高度超螺旋的DNA松弛。 第二章第二章 染色体和染色体和DNA DNA结构结构-高级结构高级结构 拓扑异构酶拓扑异构酶 I 使双螺旋DNA减少一圈, 超螺旋DNA放松 图图: 拓扑异构酶拓扑异构酶 I 的作用机理的作用机理 第二章第二章 染色体和染色体和DNA DNA结构结构-高级结构高级结构 E.coli的旋转酶的旋转酶 (只有原核生物中有) 图图: E. coli DNA 旋转酶导入负

49、超螺旋的作用机理旋转酶导入负超螺旋的作用机理 细菌质粒细菌质粒DNA (环状双链环状双链 DNA) 第二章第二章 染色体和染色体和DNA DNA结构结构-高级结构高级结构 拓扑异构酶拓扑异构酶 II 共同特点: o 双链DNA同时切断, 随后进行连接； o 需要能量辅助因子如ATP和NDP等, 催化需能的超 螺旋化结构。 第二章第二章 染色体和染色体和DNA DNA结构结构-高级结构高级结构 超螺旋结构的生物学意义超螺旋结构的生物学意义: 负超螺旋DNA在转录时起重要作用, 在转录时, RNA聚合酶 首先要与DNA特异性位点结合, DNA为负超螺旋对RNA聚合酶- DNA 复合物形成速率、稳定

50、性以及酶的转录活性都会大大提高。 RNA聚合酶- DNA结合后，要解开12bp, 而正超螺旋有利于链 的解开。 在转录时, DNA超螺旋形成和解旋是 必不可少的, 拓扑异构酶 是转录过程必要的组分之一。 第二章第二章 染色体和染色体和DNA DNA结构结构-高级结构高级结构 图图: 大肠杆菌的大肠杆菌的RNA 转录过程图示转录过程图示 第二章第二章 染色体和染色体和DNA 三三. DNA 的复制 1 DNA 的半保留复制的半保留复制: 子代的DNA双链中一条来自亲代 (模板)，另一条是新合成的 子链，这种复制方式被称为DNA的半保留复制。 P. 42 第二章第二章 染色体和染色体和DNA 三三

51、. DNA 的复制 1958年年Meselson & stahl用同位素示踪标用同位素示踪标 记加密度梯度离心技记加密度梯度离心技 术实验术实验,证明了证明了DNA 是采取半保留的方式是采取半保留的方式 进行复制进行复制. 15 15N N DNADNA 原始原始 分子分子 14 14N- N- 15 15N N DNADNA 第一第一 子代子代 14 14N N DNADNA 14 14N- N- 15 15N N DNADNA 第二第二 子代子代 第二章第二章 染色体和染色体和DNA 三三. DNA 的复制 2 DNA 复制的一些基本概念复制的一些基本概念 复制子：生物体内能独立进行复制的

52、单位。 复制叉：复制起始点呈现叉子的形式。 复制起始点 (Ori): 是复制功能起始的特定位置。 DNA复制是由固定的起始点开始，并在特定的终止点结束。 第二章第二章 染色体和染色体和DNA 三三. DNA 的复制 复制方向复制方向: 单向复制 双向复制 最普遍 相向复制 第二章第二章 染色体和染色体和DNA 三三. DNA 的复制 复制速率复制速率: 原核生物 50000 bp/min，每个复制单位在3060 min内完成复 制。 真核生物 10003000 bp/min，真核生物DNA的复制是多起点 的。 第二章第二章 染色体和染色体和DNA 三三. DNA 的复制 冈崎片段与半不连续复制

53、冈崎片段与半不连续复制: 冈崎片段：在DNA半不连续复制中产生的长度为10002000 个碱基的短的DNA片段，能被连接形成一条完整的DNA链。 第二章第二章 染色体和染色体和DNA 三三. DNA 的复制 3 复制的几种主要方式复制的几种主要方式: 线性DNA双链的复制 先导链、滞后链、 冈崎片段 环状DNA双链的复制 可分为: 型 大肠杆菌 滚环型 X174 D-型 线粒体 第二章第二章 染色体和染色体和DNA 三三. DNA 的复制 大肠杆菌质粒DNA型复制模式图 第二章第二章 染色体和染色体和DNA 三三. DNA 的复制 滚环型复制模式图 第二章第二章 染色体和染色体和DNA 三三.

54、 DNA 的复制 D环型复制模式图 第二章第二章 染色体和染色体和DNA 三三. DNA 的复制 4 原核和真核生物原核和真核生物DNA复制的特点复制的特点 4.1 原核生物DNA复制的特点 大肠杆菌复制起始点含有3个13bp的串联重复保守序列以及4个 9bp的保守序列组成的能结合DnaA的起始结合位点。 第二章第二章 染色体和染色体和DNA 三三. DNA 的复制 1 DNA双螺旋的解旋 DNA拓扑异构酶 DNA解链蛋白 单链结合蛋白 第二章第二章 染色体和染色体和DNA 三三. DNA 的复制 2 DNA复制的引发 前导链的合成由引发酶合成一段RNA引物，然后由DNA聚合 酶从RNA引物的

55、3端开始合成新的DNA链； 后随链的引发较为复杂，由6种蛋白组成的引发体来完成。 第二章第二章 染色体和染色体和DNA 三三. DNA 的复制 3 DNA复制的延伸 4 DNA复制的终止 当复制叉遇到22bp终止子序列（Ter）时，Ter-Tus复合物阻挡复 制叉的继续前移，复制叉解体。未复制部分由修复机制填补。 第二章第二章 染色体和染色体和DNA 三三. DNA 的复制 5 DNA聚合酶 第二章第二章 染色体和染色体和DNA 三三. DNA 的复制 5 DNA聚合酶 第二章第二章 染色体和染色体和DNA 三三. DNA 的复制 4.2 真核生物DNA复制的特点 真核生物含有多个复制起始点，

56、复制只发生在S期。 真核生物的复制起始点中，酿酒酵母的复制起始点已经被鉴 定出来，称为自主复制序列（ARS）。 第二章第二章 染色体和染色体和DNA 三三. DNA 的复制 啤酒酵母的ARS分布在100200bp的DNA序列中，ARS包括 一个共有序列(A)和附加元件(B1B3)。A元件是复制起始识 别复合物（origin recognition complex, ORC）结合复制起始 位点所必需的，对起始因子在复制起始位点的组装起基本作 用。 第二章第二章 染色体和染色体和DNA 三三. DNA 的复制 第二章第二章 染色体和染色体和DNA 三三. DNA 的复制 第二章第二章 染色体和染色

57、体和DNA 三三. DNA 的复制 真核生物染色体复制时，后随链以不连续的方式进行复制，必 须有特殊的机制来安排5端部分DNA链的复制问题，以免子代 DNA 5端序列逐步缩短。 端粒酶能利用自身携带的RNA链作模板，以反转录方式合成后 随链5端片段或外加重复单位，以维持端粒一定的长度。 第二章第二章 染色体和染色体和DNA 三三. DNA 的复制 4.3 DNA复制的调控 大肠杆菌染色体DNA的复制调控主要发生在起始阶段，起始 位点突变使复制停止，细胞死亡。 ColE1质粒DNA复制的调控依赖负调控因子Rop蛋白和反义 RNA（RNA1）。 第二章第二章 染色体和染色体和DNA 三三. DNA

58、 的复制 真核细胞DNA的复制调控 细胞生活周期水平调控 决定细胞是否进入S期。 染色体水平调控 决定不同染色体或同一染色体不同部位的 复制子按一定顺序起始复制。 复制子水平调控 决定复制的起始与否。 第二章第二章 染色体和染色体和DNA 四四. DNA 的修复 1. DNA 的错配修复的错配修复( DNA mismatch repair): 在DNA复制时，错配修复系统修复复制酶没能检出的错 配碱基，或者由于化学修饰产生的错配，从而保证了遗传物 质复制的高保真，确保 遗传的稳定性。 P. 57 第二章第二章 染色体和染色体和DNA 四四. DNA 的修复 目前，细菌的错配修复系统已经研究得比

59、较透彻。 在大肠杆菌错配修复系统中包含十多种蛋白： - 错配矫正蛋白： Mut S 、Mut L、MutH - 单链结合蛋白 (SSB) - DNA 解旋酶I I (DNA helicaseII，UvrD，35解旋酶) - DNA 聚合酶III全酶 (DNA polymeraseIII holoenzyme) - DNA 连接酶 (DNA ligase) - 核酸外切酶I (exonuclease I) - 核酸外切酶VII (exonuclease VII) - 核酸外切酶X (exonuclease X) - RecJ 第二章第二章 染色体和染色体和DNA 四四. DNA 的修复 启始启始

60、 修复过程可以分为步骤 切除切除 修复修复 根据母链甲基化原则进行错配修复过程示意图根据母链甲基化原则进行错配修复过程示意图 启始启始： 根据模板链上GATC中腺嘌（A） 的甲基化原则 - 错配校正蛋白MutS二聚体识别 并结合错配位点； - MutL蛋白在水解ATP的作用 的调节下，与MutS结合, MutS- MutL在DNA双链上移动，发现 离错配位点最近的甲基化碱基； - 发现甲基化碱基后，MutL-MutS- 错配复合物激活MutH蛋白的内 切酶活性，在对应于母链甲基化 腺苷酸上游鸟苷酸的5位置切开 非甲基化的子链。 Dam甲基化酶甲基化酶 甲基化指导的错配修复示意图甲基化指导的错配