染色体与DNA1

染色体与 DNA 1 本章内容 l 染色体 l DNA的结构 l DNA的复制 l 原核和真核生物 DNA的复制特点 l DNA的修复 l DNA的转座 2 1 染色体（ chromosome） 3 松散态的染色质 一、染色体概述 压缩态的染色体 4 染色体 （ chromosome）是细胞在有丝分裂时遗传物质 存在的特定形式，是间期细胞染色质结构紧密包装的结 果。 真核生物的染色体在细胞生活周期的大部分时间里都是 以 染色质 (chromatin)的形式存在的。 染色质 是一种纤维状结构，叫做染色质丝，它是由最基 本的单位 核小体 (nucleosome)成串排列而成的。 5 结构 分子结构相对稳定 ； 能 自我复制 ； 能 指导蛋白质合成 ； 能产生可遗传的 变异 。 DNA 蛋白质 染色体 染色体 （ chromosome） 特征 P22 6 7 二、真核细胞染色体的组成 P22 DNA： 约占 30%，遗传物质，遗传信息的载体 蛋白质 :与 DNA质量比约为 2:1 组蛋白 (histone)： 呈碱性，染色体的结构蛋白；与 DNA 含量呈一定的比例 非组蛋白： 呈酸性，种类和含量不稳定；作用还不完全清 楚，可能与染色质结构调节有关， 另外，可能存在少量的 RNA 组蛋白 非组蛋白 核小体DNA 蛋白质 染色体 8 1、组蛋白 l 染色体的结构蛋白 l 有 H1、 H2A、 H2B、 H3及 H4五种，与 DNA共 同组成核小体。 9 10 11 l 进化上的极端保守性 保守程度： H1 H2A、 H2B H3 、 H4 l 无组织特异性 l 肽链上氨基酸分布的不对称性 碱性氨基酸分布在 N端；疏水基团在 C端 l 存在较普遍的修饰作用 甲基化、乙酰化、磷酸化等 l H5富含赖氨酸 (24%) 组蛋白的特性 P24 12 组蛋白的可修饰性： 在细胞周期特定时间可发生 甲基化、乙酰化、磷 酸化和 ADP核糖基化 等。 H3、 H4修饰作用较普遍， H2B 有乙酰化作用、 H1有磷酸化作用。所有这些修饰作用 都有一个共同的特点，即降低组蛋白所携带的正电荷 。 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。 13 14 2、非组蛋白 P24 大约是组蛋白的 60% 70%，约有 20-100种，其中常见 的有 15-20种。 具有 组织专一性和种属专一性 。 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。 15 几类常见的非组蛋白 l 高速泳动蛋白 (High mobility group protein， HMG蛋白 ) 能与 DNA结合但不牢固，也能与 H1作用；可能与 DNA的超 螺旋结构有关。 l DNA结合蛋白 相对分子量较低，占非组蛋白的 20，染色质的 8；可能 与 DNA的复制、转录、修复和重组有关。 l A24非组蛋白 溶解性和组蛋白相似。有两个 N端。总量大约是 H2A的 1%。 功能不详。 16 l 真核细胞基因组的 最大特点 是它含有大量 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。 3、 DNA P25 17 l C值（ C-value ）： l 通常是指 一种生物单倍体基因组 DNA的总 量。 l 在真核生物中， C值一般是随生物进化而 增加的，高等生物的 C值一般大于低等生 物。 18 各种生物细胞内 DNA总量的比较 霉菌 藻类 G+细菌 G-细菌 显花植物 鸟类 哺乳类 爬行类 两栖类 硬骨鱼类 软骨鱼类 棘皮类 甲壳类 昆虫类 软体动物 蠕虫类 真菌 19 C值反常现象（ C-value paradox ） l C值往往与种系进化的复杂程度不一致，某 些低等生物却具有较大的 C值。如一些两栖 动物的 C值甚至比哺乳动物还大。 l 这就是著名的 “C值反常现象 ” (C value paradox)，也称 C-值谬误。 20 上节知识回顾 l 1、组蛋白的特性 P24 l 进化上的极端保守性 l 无组织特异性 l 肽链上氨基酸分布的不对称性 l 存在较普遍的修饰作用 l H5富含赖氨酸 (24%) 21 2、 C值反常现象 l C值通常是指 一种生物单倍体基因组 DNA的总 量。 l C值往往与种系进化的复杂程度不一致，某些 低等生物却具有较大的 C值。如一些两栖动物 的 C值甚至比哺乳动物还大。 22 根据 DNA复性动力学研究， DNA序列大致上 可被分成 3类 P25 l 1）、不重复序列 /单一序列 ：在基因组中有一 个或几个拷贝。真核生物的大多数基因在单倍 体中都是单拷贝的。如：蛋清蛋白、血红蛋白 等 功能：主要是编码蛋白质。 23 l 2）、中度重复序列： 在基因组中的拷贝数为 101-104。 如： rRNA、 tRNA 一般是不编码蛋白质的序列，在调控基因 表达中起重要作用 24 非洲爪蟾的 18S、 5.8S及 28SrRNA基因是连在一起的，中 间隔着不转录的间隔区，这些单位在 DNA链上串联重复约 5000次。在卵细胞形成过程中这些基因可进行几千次不同 比例的复制，产生 2106个拷贝，使 rDNA占卵细胞 DNA 的 75%，从而使该细胞能积累 1012个核糖体。 25 l 3）、高度重复序列 -卫星 DNA：拷贝数达到几百个 到几百万个。 l 卫星 DNA(satellite DNA) 在介质氯化铯中作密度梯 度离心，此时 DNA分子将按其大小分布在离心管内不同 密度的氯化铯介质中，小的分子处于上层，大的分子 处于下层；从离心管外看，不同层面的 DNA形成了不同 的条带。根据荧光强度的分析，可以看到在一条主带 以外还有一个或多个小的卫星带。这些在 卫星带中的 DNA即被称为卫星 DNA，这种 DNA的 GC含量一般少于主带 中的 DNA，浮力密度也低。 l 卫星 DNA是不转录的，其功能不详，可能与染色体 的稳定性有关。 26 真核细胞 DNA序列 27 l 贝克等 (Bak, A. L., 1977)：染色体 四级结构模型 理 论能够在一定程度上解释染色质状态转化的过程 l 一级结构： 核小体 二级结构： 螺线管 三级结构： 超螺线体 四级结构： 染色单体 4、染色质 P27 28 29 l 1956年， Wilkins和 Vittorio Luzzati对染色质进 行了 X衍射研究，发现染色质具有间隔为 100埃的 重复性结构。 (这意味着什么？） l 1971年， Clark和 Felsenfeld用葡萄球菌核酸酶 作用 染色质 ，发现有些区域对核酸酶不敏感，且 不敏感的区域比较均一。 (这暗示着什么？） 核小体 30 l 1973年， Hewish和 Burgoyun用 内源核酸酶 消化细胞核，再从核中分离出 DNA，结果发现 一系列 DNA片段，它们相当于长约 200bp的一 种基本单位的多聚体。 (意味着什么？） 核小体 l 1974年， M.Noll用 外源核酸酶 处理染色质， 然后进行电泳，测得前三个片段的长度分别为 205bp、 405bp、 605bp (表明什么？） 31 l Olins夫妇（ 1974）和 Pierre Chambon等 （ 1975）在电镜下观察到染色质的 “绳珠 ” 状结构，小球的直径为 100埃。 “小体 ”“钮 体 ” l X衍射图表明组蛋白的多聚体是紧密相连， 并无可容纳象 DNA分子那样大小的空洞。 表明什么？ 32 l 1974年， Kornberg和 Thomas用微球菌核酸酶 部分消化 染 色质，切断一部分 200bp单位之间的 DNA，使其中含有单 体、二聚体、三聚体和四聚体等。然后经 梯度离心 将它 们分开。每一组再通过 凝胶电泳 证明其分子大小及纯度 。然后分别用 电镜 来观察各组的材料，结果单体均为一 个 100埃的小体，二聚体则是两个相联的小体，同样三 聚体和四聚体分别由三个小体和四个小体组成。 表明什 么？ l 1984年， Klug和 Butler修正核小体模型。 33 34 35 核小体 的梯度 离心和 电泳 36 核小体构成核小体构成 37 146bp DNA + Histone octamer (组蛋白八聚体 ) Nucleosome core (核小体核心 ) + H1 Chromatosome (染色小体 166bp) + linker DNA Nucleosome(核小体 ) (200 bp of DNA) 38 解释核小体结构的对称模式认为， H32- H42 四聚体处于对称结构的中心，上下各 有一个 H2A-HAB 二聚体。 在体外， DNA 能直接缠绕到完整的 (交联 )八聚体上， 也可用 DNA先和 2H3-2H4 四聚体反应，再添加两个 H2A-H2B 二聚体，最后完成组装 39 染色质高级结构染色质高级结构 30nm 40 41 从核小体到染色体视频从核小体到染色体视频 42 43 三、 原核生物和真核生物基因组结构特点比较 1、原核生物基因组结构特点 P30 基因 组 很小 ：大多只有一条染色体，基因多 为单 拷 贝 结构简练 ： 重复序列少， DNA分子绝大部分用来编码蛋白质 存在 转录单 元 ： 转录产物为多顺反子 mRNA(polycistron) 有 重叠基因 （ Sanger发现） :同一段 DNA含有两种不同蛋白质的信息 44 莲人在绿杨津 采 一 玉漱声歌新阙 采莲人在绿杨津，在绿杨津一阙新。 一阙新歌声漱玉，歌声漱玉采莲人。 重叠基因 45 l 1976年 Burrell B. G., Air G. M. 和 Hutchison C. A.首先报告 X174噬菌体含有重叠基因。 l 1977年 Sanger证实了重叠基因 l 对单链环状的噬菌体 X174进行了测序。 5386 nt, 11 基因， 3个转录单位，由 3个启动 子（ pA， pB， pD）启动。 l X174含有的 5386nt最多能编码 1795个氨 基酸，若每个氨基酸的平均分子量为 110Da， 则总的蛋白质分子量为 197,000Da，但实际蛋 白质总分子量却为 262,000Da。 l 将全部 DNA顺序和蛋白质的氨基酸顺序进 行比较，发现了重叠基因。 46 47 2、真核生物基因组结构特点 P29 l 基因组庞大 ；一般远大于原核生物的基因组 l 存在大量的 重复序列 l 大部分为 非编码序列 l 转录产物为 单顺反子 l 断裂基因， 有内含子结构 l 存在大量的 顺式作用元件 l 存在大量的 DNA多态性 l 具有 端粒 结构 48 2 DNA的结构 一级结构 二级结构 三级结构 49 无论 DNA或 RNA，都是由许许多多个核苷酸连接而 成的生物大分子，而每个核苷酸又由 磷酸、核糖和碱 基 3部分组成。 1 50 51 组成 DNA和 RNA分子的五种含氮碱基的结构式 52 一、 DNA的一级结构 P32 DNA的一级结构是指 四种 核苷酸的连接及排列顺序 ， 表示该 DNA分子的化学 构成。 简称为 DNA序列或 碱基序列。 l DNA由脱氧核苷酸聚合而 成。 l 碱基的不同决定了脱氧核 苷酸的不同 53 l DNA分子由两条 反向平行的 脱氧核苷酸链盘绕而成。 l DNA分子中的 脱氧核糖和磷酸 交替连接，排在外侧， 构成基本骨架，碱基排列在内侧。 l 两条链上的碱基通过氢键相结合，形成碱基对。碱基 配对遵循 碱基互补配对原则 (Chargaff规则 )。 DNA一级结构特点 P32 54 55 二、 DNA的二级结构 P33 l Watson和和 Crick以立体以立体 化学原理为准则，对化学原理为准则，对 Wilkins和和 Franklin的的 DNA X射线衍射分析结射线衍射分析结 果加以研究，提出了果加以研究，提出了 DNA结构的双螺旋模型结构的双螺旋模型 。 l DNA二级结构是指两条 多核苷酸链反向平行盘绕 所生成的双螺旋结构。 56 DNA双螺旋模型的特点双螺旋模型的特点 1） 螺旋直径 2nm； 2）链间有螺旋形凹槽，较小的为小沟（ 1.2nm），较大的为大沟（ 2.2nm）； 3）碱基间距 0.34nm ； 4）每轮碱基数 10 ； 5）碱基平面与纵轴垂直。 57 A DNA： 每螺旋含 11个碱基对，大沟变窄、 深，小沟变宽、浅。 右螺旋 DNA B DNA:存在最普遍 B DNA家族 C DNA D DNA T DNA 左螺旋 DNA： Z DNA： 每个螺旋含 12个碱基对，分子长链中 磷原子不是平滑延伸而是锯齿形排列，有如 “之 ”字形 一样，只有一个沟，相当于 B构象中的小沟，它狭而 深，大沟则不复存在 。 DNA的构象 58 59 三、 DNA的高级结构 DNA的高级结构指 DNA双螺旋进一步扭曲盘旋所形成的 特定空间结构。 l 超螺旋结构 是 DNA高级结构的主要形式，可分为正超螺 旋和负超螺旋两类，它们在不同类型的拓扑异构酶作用下 或特殊情况下可相互