第2章染色体与dna1 ppt课件

第二章 染色体与 DNA 本章将介绍 DNA 的结构和 从一代细胞岛到下一代细胞的传递、遗传及变异等过程。 * 1 第二章 染色体与 DNA v第一节 染色体 v第二节 DNA的结构 v第三节 DNA的复制 v第四节 DNA的损伤修 复与重组 v第五节 DNA的转座 * 2 第一节 染色体 * 4 由于亲代能够将自己的遗传物质 DNA以染色体的形式传 给子代，保持物种的稳定性和连续性。因此，人们普遍认为 染色体在遗传上起着主要作用。 人类 22对染色体及性染色体 性染色体扫描电镜图 第一节 染色体 * 5 1.染色体概述 v 19世纪中叶，细胞生物学家在光学显微镜下，在细胞分裂 时观察到存在于细胞核中的棒状可染色结构并将其命名为 染色体。 v染色体包括 DNA和蛋白质两部分。同一物种内每条染色体 所带的 DNA的量是一定的，但不同的染色体或不同物种之 间变化很大，从上百万到几亿个核苷酸对不等。此外，组 成染色体的蛋白质（组蛋白和非组蛋白）的种类和含量也 是十分稳定的。 第一节 染色体 * 6 1.染色体概述： v染色体在细胞分裂间期表现为染色质。染色体与染色质是 同一种物质的两种形态。伸展的染色质形态有利于在它上 面的 DNA储存的信息的表达，而高度螺旋化了的棒状染色 体则有利于细胞分裂中遗传物质的平分。 左图为人类染色体，在光镜下即可观察其形态，右图为 电镜图片，可见不规则的染色质。 Key terms vA chromosome染色体 is a discrete unit of the genome carrying many genes. Each chromosome consists of a very long molecule of duplex DNA and an approximately equal mass of proteins. It is visible as a morphological entity only during cell division. vChromatin 染色质 describes the state of nuclear DNA and its associated proteins during the interphase (between mitoses) of the eukaryotic cell cycle. 第一节 染色体 * 9 1.染色体概述： v原核细胞染色体 n 细菌染色体外裹着稀疏的蛋白质，其中的一部分与 DNA的折叠有关，另一些则参与 DNA的复制、重组 及转录过程。 n 原核生物没有真正的细胞核， DNA一般位于一个类 似核的结构 类核体 上。 vThe nucleoid（ 类核体） is the region in a prokaryotic cell that contains the genome. The DNA is bound to proteins and is not enclosed by a membrane. The structure of E.coli nucleoid (大肠杆菌拟核的结构 ) Nucleoid: 1. A single double-stranded and closed-circular DNA molecular, 4.6 X 106bp and all proteins associated with DNA (Pols, and repressors). 2. high concentration of DNA (DNA concentration can be up to 30-50 mg/ml) 3. Continuous replication (more than one copy of genome/cell) 4. Attach to cell membrane vA domain of a chromosome may refer either to a discrete structural entity defined as a region within which supercoiling is independent of other domains; or to an extensive region including an expressed gene that has heightened sensitivity to degradation by the enzyme DNAase I. DNA domains/loops 50100 domains or loops per E. coli chromosome, with 50 100 kb/loop The ends of loops are constrained (束 缚 ) by protein-membrane scaffold (骨 架 ) May spool on polymerases or other enzymes and proteins（ 可能缠绕在聚合 酶或其它酶和蛋白质上） Prokaryotic Chromosomes vHaploid vDNA is compacted Eg. E. coli packs 1.5 mm chromosome into a cell that is only 1um in length vNo histones or nucleosomes Small basic proteins MAY serve a similar function vGenes usually do not contain introns vSingle origin of replication 第一节 染色体 * 16 1.染色体概述： v原核生物 DNA的主要特征： n 一般只有一条大染色体且大都带有单拷贝基因，除少 数基因外（如 rRNA基因）。 n 整个染色体 DNA几乎全部由功能基因和调控序列所组 成。 n 几乎每个基因序列都与它所编码蛋白质序列呈线性对 应关系。 第一节 染色体 * 17 2.真核细胞染色体的组成 v真核生物染色体中 DNA相对分子质量一般大大超过原核生 物，并结合有大量的蛋白质，结构非常复杂。其具体组成 成分为：组蛋白、非组蛋白、 DNA。 v在真核细胞染色体中， DNA与蛋白质完全融合在一起，其 蛋白质与相应 DNA的质量之比约为 2:1。这些蛋白质在维 持染色体结构中起着重要作用。 第一节 染色体 * 18 2.1. 组蛋白 v组蛋白是染色体的结构蛋白，其与 DNA组成核小体。根据 其凝胶电泳性质可将其分为 H1、 H2A、 H2B、 H3及 H4。 第一节 染色体 * 19 2.1. 组蛋白 v组蛋白的特性： n 进化上极端保守性。 其中 H3、 H4最保守， H1较不保守 。 n 无组织特异性。 到目前为止，仅发现鸟类、鱼类及两栖 类红细胞染色体不含 H1而带有 H5，精细胞染色体的组 蛋白是鱼精蛋白。 n 肽链上氨基酸分布的不对称性。 碱性氨基酸集中分布在 N端的半条链上。例如， H4 N端的半条链上净电荷为 +16， C端只有 +3，大部分疏水基团都分布在 C端。 n 组蛋白的修饰作用。 包括甲基化、乙基化、磷酸化及 ADP核糖基化等。 n 富含赖氨酸的组蛋白 H5。 H5赖氨酸含量高达 24%。 第一节 染色体 * 20 2.2. 非组蛋白 v染色体上除了存在大约与 DNA等量的组蛋白以外 ，还存在大量的非组蛋白。 n 非组蛋白的量大约是组蛋白的 60% 70%，但它的 种类却很多，约在 20-100种之间，其中常见的有 15- 20种。 非组蛋白的组织专一性和种属专一性。 n 非组蛋白包括酶类、骨架蛋白、核孔复合物蛋白以 及肌动蛋白、肌球蛋白等。它们也可能是染色质的 组成成分。 第一节 染色体 * 21 2.2. 非组蛋白 v几类常见的非组蛋白： n 高速泳动蛋白（ HMG蛋白）。一般认为可能与 DNA 的超螺旋结构有关。 n DNA结合蛋白。可能是一些与 DNA的复制与转录有 关的酶或调解物质。 n A24非组蛋白。位于核小体内，功能不详。 第一节 染色体 * 22 2.3. DNA v真核细胞基因组最大的特点是含有大量的重复序列 ，而且功能 DNA序列大多被不编码蛋白质的非功 能 DNA所隔开。 n C值 ：一种生物单倍体基因组 DNA的总量。 The C-value is the total amount of DNA in the genome (per haploid set of chromosomes). 第一节 染色体 * 23 2.3. DNA v 一般情况，真核生物 C值是随着生物进化而增加，高等生物的 C 值一般大于低等生物。 v 进一步研究发现，某些两栖类 C值大于哺乳动物，而且在两栖类 中 C值变化也很大，可相差 100倍。 vThe C-value paradox（ C值反常现象） describes the observation that the amount of deoxyribonucleic acid in the haploid genome is not related to its evolutionary complexity. v许多 DNA序列不编码蛋白质，是无生理功能的。 v根据对 DNA的动力学研究，真核生物 DNA序列大 致可分为 3类： n 不重复序列、中度重复序列、高度重复序列。 * 24 第一节 染色体 * 25 2.3. DNA v不重复序列。 在单倍体基因组里，这些序列一般只有一个 或几个拷贝，它占 DNA总量的 40% 80%。不重复序列长 约 750 2000dp，相当于一个结构基因的长度。单拷贝基 因通过基因扩增仍可合成大量的蛋白质 。如蚕丝心蛋白基 因。 vNonrepetitive DNA consists of sequences that are unique: there is only one copy in a haploid genome. 第一节 染色体 * 26 2.3. DNA v中度重复序列。 这类重复序列的重复次数在 10 104之间，占总 DNA的 10% 40%。各种 rRNA、 tRNA 及组蛋白基因等都属这一类。 P26 vModerately repetitive DNA consists of relatively short sequences that are repeated typically 10- 10000 in the genome. 第一节 染色体 * 27 2.3. DNA v高度重复序列 这类 DNA只在真核生物中发现，占基因组的 10%60% ，由 6100 个碱基组成，在 DNA链上串联重复 几百万次。由于碱基的组成不同，在 CsCl密度梯度离心中 易与其他 DNA分开，形成含量较大的主峰及高度重复序列 小峰，后者又称卫星区带（峰）。 vHighly repetitive DNA consists of very short sequences (typically 100 bp average 55 bp “Beads on a string” structure Nucleosome Histone H1 Nucleosome repeat: Core + linker DNA 200 bp 第一节 染色体 2.4. 真核细胞染色体的结构 v螺线管 n 螺线管是由 10nm染色质细丝盘绕形成的螺旋管状细丝 ，表现为 30nm纤维。 n 螺线管每一螺旋包含 6个核小体，压缩比为 6。 n 这种螺线管是分裂间期和分裂前期染色体的基本组分。 * 42 vThe 30 nm fiber is a coiled coil of nucleosomes. It is the basic level of organization of nucleosomes in chromatin. Levels of chromatin organization (left). A highly condensed mitotic Chromosome (above). It has been Condensed 10,000 fold The 30 nm fiber The 30 nm fiber Higher ordered Left-handed helix Six nucloesomes per turn 30 nm fiber (30nm in diameter) Solenoid (螺线管） 30 nm fiber Nuclear matrix, a protein complex 30 nm fiber 300 nm Highest level of chromatin organization: looped domain structure Highest level of chromatin organization 第一节 染色体 2.4. 真核细胞染色体的结构 v超螺旋圆筒 n 有迹象表明：中期染色质是一 细长、中空的圆筒，直径 4000nm，由 30nm的螺线管 缠绕而成，压缩比为 40。 v染色单体 n 染色单体由超螺旋圆筒再压缩 5倍而成。 * 49 端粒 异 染色质 着丝粒 常 染色质 姐妹染色单体 短臂 长臂 Centromere 着丝粒粒 Telomere Nuclear matrix 核基质 Loops of 30nm fiber Sister chromatid 姊妹染色单体 Chromatid 染色单体 What structures are necessary to a functional eukaryotic chromosome? vCentromeres vTelomeres vOrigins of replication The centromere (着丝粒 ) Centromeres are the largest constriction region where two chromatids (姊妹染色体 ） are joined The site of attachment of spindle fibers(纺锤 体 ) via kinetochore (动粒 ) 100,000s of 171 base pair repeat, called alpha satellite sequences Centromere associated proteins are bound Kinetochore动粒 Centromere DNA裂殖酵母 酿酒酵母 果蝇 Three conserved regions can be identified by the sequence homologies between yeast CEN elements. Yeast centromere 1. Centromere（ 着丝粒） : a region of chromosome where two sister chromatids are joined at metaphase.(is a constricted region of a chromosome that includes the site of attachment (the kinetochore) to the mitotic or meiotic spindle. ) 2. Kinetochore（ 动粒 ） : is the structural feature of the chromosome to which microtubules of the mitotic spindle attach. Its location determines the centromeric region. (protein complex attaching microtubules of mitotic spindle ) 3. A microtubule organizing center (MTOC) is a region from which microtubules emanate产生 . The major MTOCs in a mitotic cell are the centrosomes(中心体 ). Centromere: the chromosomal location where the kinetochore is formed. The centromere appears as the primary constriction in the miotic chromosome. Kinetochore: Proteinaceous structures that assemble onto centromeres during mitosis. The centromere/kinetochore complex is the site of attachment of the spindle microtubules and is responsible for proper segregation of replicated sister chromatids to daughter cells. The Telomere (端粒 ) Specialized DNA sequences which form the ends of the linear DNA of the eukaryotic chromosome Contains up to hundreds copies of a short repeated sequence (5-TTAGGG-3 in human) Synthesized by the enzyme telomerase (a ribonucleoprotein) The telomeric DNA forms a special secondary structure to protect the chromosomal ends from degradation Mammalian telomere DNA consists of tandem 串联 repeats of TTAGGG plus a variety of attached proteins. The telomeres have a single-stranded 3 overhang 5-TTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGG- 3 3-AATCCCAATCCCAATCCCAATAAAAATCCC-5” The average length of the double-stranded TTAGGG repeat varies among species: Mice - 50,000 bp Man - 10,000 bp Cattle - 13,000 bp to 20,000 bp Group Organism Telomeric repeat (5 to 3 toward the end) Vertebrates Human, mouse, Xenopus TTAGGG Filamentous fungi Neurospora（ 脉孢菌） TTAGGG Slime molds Physarum, Didymium TTAGGG （ 粘液菌类） Dictyostelium AG(1-8) Ciliated protozoa Tetrahymena, Glaucoma TTGGGG （ 纤毛 Paramecium TTGGG(T/G) 原生动物） Oxytricha, Stylonychia, TTTTGGGG Euplotes Fission yeasts Schizosaccharomyces pombe TTAC(A)(C)G(1-8) Budding yeasts Saccharomyces cerevisiae TGTGGGTGTGGTG Telomeres contain arrays of DNA repeats The telomeric DNA forms a special secondary structure v Telomere is the natural end of a chromosome v The DNA sequence consists of a simple repeating unit with a protruding single- stranded end（ 突 出的单链尾巴） that may fold into a hairpin（ 发夹） . The long stretches of the double- stranded telomere DNA (TTAGGG) are looped around and the single- stranded terminus is tucked隐 藏 back inside the double-stranded DNA molecule thus protecting the chromosome terminus t loops From L. J. Kleinsmith, Principles of Cancer Biology. Copyright (c) 2006 Pearson Benjamin Cummings. Telomere Structure in Human DNA 3-overhang Telomerase: a ribonucleoprotein with reverse transcriptase activity that catalyzes the extension or lengthening of telomers. Telomerase caries its own RNA template. The telomere is synthesized by the enzyme telomerase Telomere & Telomerase Telomere lengths decrease with time or passage number in cultured cell lines that lack telomerase activity. Telomerase activity is high in most immortalized cell lines（ 永生化的细胞系） and neoplasitc tissue(肿瘤组织 ). Telomere lengths decrease with age in some tissues and telomere shortening may contribute to the aging process. Telomerase activity in germline cells（ 胚系细胞） is thought to restore telomere lengths for the next generation. Dolly (the cloned sheep) was reported to have shorter than normal telomeres. Cattle (and mice) cloned from fibroblasts（ 成纤维细胞） with short chromosomes have normal telomere lengths. Telomere lengths are restored to normal by telomerase activity in the early embryo. Telomerase Maintains Telomeres No senescence Senescence衰老 Cells with telomeraseCells without telomerase Cell divisions Telomere repeat Telomeres serve at least four functions 1. Telomeres protect the chromosome ends from degradation and fusion.（ 保护染色体） 2. Telomeres mask chromosome ends from DNA- damage response mechanisms that might trigger apoptosis（ 引发凋亡） . 3. Tel