有机体、染色体和基因.ppt

第三章 有机体、染色体和基因 (3、12),第一节 生命有机体 第二节 原核生物染色体和基因 第三节 真核生物的染色体 第四节 真核生物的基因,第一节 生命有机体,一、生命有机体的划分,按照细胞的结构和遗传物质在细胞内的分布，生命有机体可 大致划分为： 原核生物（ Prokaryotes ） 真核生物（ Eukaryotes ）, 原核生物（ Prokaryotes ）,遗传物质类核或拟核 习惯上也称为染色体,类核或拟核, 真核生物（ Eukaryotes ）,遗传物质集中存 在于核膜包围的 细胞核中,并与 特殊的蛋白质结 合为核蛋白 染色体, 超分子的亚细胞生命形式,如：病毒（virus 寄主为动、植物） 使用真核生物的遗传法则 噬菌体(phage 细菌病毒) 适应了原核生物的遗传策略,繁殖必须在寄主体内进行，因而遗传机制与寄主密切相关,真核细胞和原核细胞的区别：,二、相关概念, 基因组（genome）：是指细胞或生物体的全套遗传物 质，即生物体维持配子或配子体正常功能的全套染色体 所含的全部基因（DNA）。,比如人基因组的全长为大约3 X 109对碱基，编码 3-4万个 蛋白分子,细菌或噬菌体、病毒单个染色体中所含的全部基因（DNA）,46(23),20(10), C值（C-value）：在真核生物中，每种生物的单倍体 基因组的DNA总量总是恒定的，称为C-值【C- value is the quantity of DNA in the genome (per haploid set of chromosomes).】,C是每种生物的一个特征，不同生物之间差别很大,低等真核生物中与形态学复杂程度相关，但高等真核生物 中变化很大 DNA content of the haploid genome is related to the morphological complexity of lower eukaryotes, but varies extensively among the higher eukaryotes.,阴影部分为一个门内C-值的范围, C值矛盾（C-value paradox C-悖理）：形态学的复杂 程度与C-值的不一致称为C矛盾,之一：物种之间形态学的复杂性和C值的复杂性不成正相关,主要有以下几方面的体现,a、生物进化程度与C值的矛盾 两栖类与哺乳类之间,b、亲缘关系相近的生物C-值相差较大 例1：两栖类的C-值范围 例2：一种普通果蝇的基因组为1.4 X108，而一种普 通家蝇的为8.6 X 108,之二： 与预期的编码蛋白质的基因的数量相比，基因组的 DNA含量过多,例：人类与E.coli编码基因数目的比较研究 E.coli. 4 X 106bp DAN 约编码3000种基因 人类29 X 108 bp 的DNA 是大肠杆菌的700多倍 有上百万个基因？,此外：根据不同细胞中的 mRNA数目来估算表达基因的方法， 哺乳动物的每种表型的细胞表达的基因约为1 X 104个, 持家基因（housekeeping gene）：有些基因是在所有的 细胞类型中都表达的，即这些基因的功能为所有细 胞所必须（或称组成型基因 constitutive gene）, 奢侈基因（luxury gene）:仅在某种特定类型的细胞中表 达的基因, 这样整个哺乳动物的基因数目要多于每种细胞的表达数， 估计应该有1 X 105个（不同书上有一定偏差） 约为大肠杆菌的30倍，那么90以上的DNA功能和在？,果蝇基因组的基因（Genes in Drosophila genome）,第二节 原核生物染色体和基因,一、大肠杆菌（Escherichia coli E.coli ）,1、大肠杆菌在实际工作中 的重要性,1885 Theodor Escherich (德国) 原命名为 Bacterium coli 将其属名改为 Escherichia 是为了纪念发现者,经常被当作是所有生物的 原型（archetype）,b、生长迅速，要求营养物质简单，能进行很多生理生化过程,c、其有性生殖的存在使得遗传学的研究成为可能(遗传杂 交、遗传性状 存在性状 ）,d、能够供应细菌病毒的生长，使病毒的本性即病毒扩增的 深入研究成为可能,a、在实验室中容易操作, 类核中，染色体DNA成分占80，其余为RNA和蛋白质, 4.6 x 106bp的基因组DNA 与多种DNA结合蛋白质组装成 E.coli的染色体, 基因组DNA为双链环状，总长度为11001400m，1400 个基因都已定位,（1） 染色体DNA 对数生长期的E.coli （24个类核）丰富的基因组 DNA,2、大肠杆菌的遗传物质, E.coli的基因结构的特点,a、功能相关的几个结构基因以操纵元（operon）的形式存在 其中包括共同的调节基因、启动子（promoter）、操作子 （operator）,在基因转录时协同动作,b、包括功能相关的RNA基因也串联在一起(rrn 操纵元)， 如：16S rRNA、23S rRNA、5S rRNA基因转录在同一个 转录产物中,d、RNA基因多拷贝 大多数的E.coli菌株都含 有七个rrn （其中六个分布在 E.coliDNA的双向复制 起点附近）,c、蛋白质基因通常以单拷贝的形式存在,（2） 质粒DNA （plasmid DNA）,细菌中另一类遗传物质,环状DNA，存在于染色 体之外，能自我复制,质粒也携带许多基因， 如：抗生素抗性基因,质粒(Plasmid) ：独立于染色体外的，能自主复制且稳定遗传的遗传因子。是一种环状的双链DNA分子。存在于细菌、放线菌、真菌以及一些动植物细胞中，在细菌细胞中最多。,3、大肠杆菌的酶类,细胞中含有核酸代谢所需的各种酶类 多种限制性内切酶（restriction endonuclease）,只在特异顺序碱基的位点上（迴文序列）与DNA结合，并沿 固定的位点切割,如：E.coli的 EcoR的识别序列,5G-A-A-T-T-C3 3C-T-T-A-A-G.5,限制性内切酶最基本的工具酶， 在DNA测序、片段分离、克隆DNA的环节都要用到,二、噬菌体（phage ）,1、X174噬菌体 很小的E.coli噬菌体 DNA为单链环状，有5386个核苷酸（Frederick Sanger 于1977分析测定，为此荣获第二次诺贝尔奖 ）,2、X174噬菌体基因排列更加体现 经济原则,b、DNA分子绝大部分用来编 码蛋白质，不翻译部分只占4 （基因之间的间隔区 控制基因表达的序列）,a、11个蛋白质基因，只转录成 三个mRNA,重迭基因有以下几种情况： * 一个基因完全在另一个基因内部 如：B和A E和D 其读码结构互不相同,c、 最显著的特点是有重叠基因 （overlapping genes 或 嵌套基因 nested genes）,* 部分重叠 K和C,* 两个基因共用少数碱基对 如：A*和C D和J,-ATGA-,C,Start codon,-TAATG-,A*,Stop codon,D,Stop codon,J,Start codon,2、噬菌体 双链DNA 长度48502bp(48Kb),* 其DNA分子有三种存在形式,a、两个粘性末端分 离的线性分子 COS位点 (cohesive-end site),c、闭合环状分子（粘性末端 互补，DNA连接酶连接）,b、带有切刻的环状分子（开环的 粘性末端互补后未连接的）,* 其基因均是按功能相近的聚集成簇的（两个正调节基因N 和Q除外）,* 存在形式 在寄主体内有溶源生长周期（原噬菌体）和溶菌生长周期两种生活途径,上节课内容回顾：,1、有机体的相关概念： 基因组（Genome） C-值（C-value） C-值矛盾 体现在两个方面 （持家基因、奢侈基因）,2、原核生物染色体和基因 Eoli：重要性 基因组织特点 X174：基因排列更加体现经济原则 嗜菌体,第三节 真核生物的染色体,一、概述：,* 大部分细胞生活周期里以染色质的形式存在（弥散状） M期染色体形式,* 染色质有两种型 a、常染色质：密度较低，能被表达 b、异染色质：密度较高，不被表达（着丝粒、端粒）,Cell cycle,Interphase 间期: G1 + S + G2 M phase (mitosis 有丝分裂):,二、组蛋白（Histone）,与Euk.的DNA结合的一类碱性蛋白质,* 染色体的主要蛋白质组分,* 富含Lys、Arg等碱性氨基酸，11KD 23KD,* 核心组蛋白有H2A、H2B、H3和H4，另一种为H1,* 与DNA紧密结合,* 保守性强，但H1的保守性较弱,* 组蛋白八聚体（Histone octamer ） H2A与H2B、H3与H4的亲和力强， 通过C端的疏水氨基酸结合,二、核小体（Nuclearsome）,* 染色体结构的第一个层次，构成染色质的基本结构单位,* 足量的微球菌核酸酶处理染色质可得到, 146bpDNA 组蛋白 八聚体核小体的核 心颗粒 直径约10nm,1、核小体的组成,146bp的核心DNA在组蛋白八聚体上盘绕1.8圈,Mononucleosomes typically have 200 bp DNA. End-trimming reduces the length of DNA first to 165 bp, and then generates core particles with 146 bp., 微球菌酶处理所得核小体DNA长度的变化,Chromatosome 166 bp, 2 superhelical turn,* 组蛋白H1把核小体 “封锁”起来,其中，166bp核小体DAN的堆积比为10 56nm线性长度5.6nm螺线管,连接 DNA 100 bp 平均 55 bp,Nucleosome,Histone H1,Nucleosome repeat: Core + linker DNA 200 bp,2、染色体结构的形成,（1） 首先若干个核小体形成念珠状结构,The 10 nm fiber is a continuous strong of nucleosomes.,每个核小体单位包括：200bp左右的DNA、一个组蛋白八聚体、一分子H1,高度有序 左手螺旋 每圈包括六个核小体,30 nm fiber (直径30nm) Solenoid (螺线管）,（2） 30nm纤丝的构成 染色质结构的第二层次,a、组成,30 nm fiber,300 nm,b、体内存在状态,从DNA到染色体的过程,Compaction ratio = 8000,Centromere 着丝粒,Telomere,有丝分裂中期的染色体,姊妹染色单体,3、着丝粒（centromere 或中心粒) 和端粒(telomere),（1）着丝粒( centromere),Yeast centromere,富含AT,两侧有高度重复的卫星DNA,属异染色质区,a、真核染色体线性DNA末端的特殊DNA序列 b、有数百个拷贝的短的正向重复序列 ,且总是3端富含G 如：人体内 5-TTAGGG-3 c、复制靠端粒酶（ telomerase 核蛋白)来完成 ，不同于正常DNA的复制 d、端粒DNA形成特殊的二级结构（G四联体形成四链结构）以使染色体末端免遭降解,（2） 端粒(Telomere ),第四节 真核生物的基因,一、真核生物DNA的复性动力学 (重新结合动力学 Reassociation kinetics）, 基因组DNA的提取 超声处理或剪切到一定的长度 (x 100-1000 bp) 温度变性 退火（ Re-annealing） 测量并捕捉退火过程得出复性动力学曲线 CC01（1kC0t） (紫外吸收法、羟基磷灰石柱层析法), 真核生物复性动力学研究,复杂性,形状相似（跨越12个数量级），Cot（12）不相同 单一序列 只是复杂性不同 复性动力学复杂性 kinetic complexity(K.C.) 单一排列序列Cot(1/2)值大 高度重复序列Cot(1/2)值小 poly(A) K.C.=1 Cot(1/2)=2x10-6 T4 K.C.=1.7x105 Cot(1/2)= 0.3,K.C. 与Cot(1/2)值呈正比,复性曲线的模式图, 真核生物复性动力 学研究,复性反应分为三相， 每相代表不同复杂长 度的序列类型,C0t(1/2) 值矫正 25% 0.0013 = 0.000305 30%1.9 = 0.57 45%630 = 283,如果同样条件下：C0t(1/2) of E.Coli DNA= 6 Kinetic Complexity of E.Coli = 4.6 106,把每一个组分单独提取作复性试验，有一个C0t(1/2) 值矫正， 因混合组分复性时，该组份C值为C0 X 百分数,则各种复性组分的复杂性可以计算出： Kinetic Complexity of 慢复性组分 = 4.6 106 X 2836 = 3.0 X108,往往假定慢复性组分为单一序列 即重复频率（ Repetitive frequency ） f =1,所以，快复性组分和中间复性组分的K.C.和 f 值可以计算得到 340，500.000 6.0 105，350, 真核生物复性动力学研究发现了重复序列,即反推 Genome DNA总长度 （f K.C.）该组份所占比例 （近似值） （1 3.0 108）45 6.7 108,二、DNA的序列类型,1、 高度重复序列（Highly repetitive sequence） 长度2 10bp，重复数以百万次 106, 许多富含AT高度重复序列可以用密度梯度离心法分离出来,不同发育时期花粉制备,卫星DNA（Satellite DNA）：将DNA切成数百个碱基对的片 段进行超速离心时，由于富含AT的简单高度重复序 列区段浮力密度较小，因而很容易和总体DNA分开， 即常会在主要的DNA带的上面有一个次要的带相伴随,Mouse genome DNA,30% GC in satellite DNA,CsCl 离心,ACAAACT, 1.1x107 拷贝, 卫星 25% genome ATAAACT, 3.6x106 拷贝, 卫星 8% genome ACAAATT, 3.6x106 拷贝, 卫星 8% genome Satellites comprise more than 40% of the genome,a、分布于着丝点, 端粒区（原位杂交）, 结构基因两侧,（根据重复频率和大小又可分为卫星、小卫星和微卫星DNA）,b、往往没有功能，（着丝粒 纺锤体）,果蝇（Drosophila）卫星DNA,人类和其他动物中：短的串联重复 5-50 copies / genome 而且有共同的核心序列，但同一群体中重复次数变动很 大，个体间长度变化很大，可利用其得到DNA指纹图 （DNA finger printing）, 数目可变的串联重复或小卫星 ( Variable number tandem repeats . VNTR ),目前在法医上得到了广泛的应用,其中大部分卫星DNA的重复片段之间序列上是有差异的,以下及下一页不讲,上节课内容回顾：,1、组蛋白： 组分 八聚体形成,2、核小体 核心颗粒：146bp 1.8圈 每个核小体颗粒的组成,3、30nm纤丝 组成,存在状态,从DNA到染色质,着丝粒、端粒,4、真核生物的复性动力学 C0t12之比等于复杂性之比 单一序列、重复序列 基因组大小计算 每一组分复杂性、重复频率计算,5、DNA的序列类型：高度重复序列 卫星DNA VNTR,2、中度重复序列 ( middle repetitive sequence ),0.1-几个 Kb / copy,10-104 copies / genome,C0t(1/2) 0.001 - 0.1,a、 以Alu序列为代表范例的不编码序列 Alu family（Alu 家族）：在长约300bp的片段中，大多数 片段含有一个限制性内切酶Alu的酶切位点 （AGCT） 均匀分散在整个genome中的非重复序列间 在人类genome中占1 3,Alu序列显然是一个编码7SL RNA的基因衍生来的 7SL RNA-一种信号识别颗粒的组分,b、 有编码基因产物的 rDNA tDNA Histone gene cluster 往往以基因家族的形式组织,3、 低重复序列 (low repetitive sequence 2100 copies ),多为结构基因 (蛋白质基因),3、 单拷贝序列 (single copy sequence, 1-3 copies),大部分结构基因位于非重复的DNA序列内,三、基因簇与基因家族 （Gene cluster、Gene family）,基因家族（Gene family）:真核生物的基因组中许多来源相同， 结构相似、功能相关的一组基因, 简单多基因家族：5SrRNA基因家族,复杂多基因家族：各个成员并不都是相同的 a、五个组蛋白基因(果蝇、海胆等的) b、rRNA、tRNA基因家族,往往以串联重复基因簇的形式出现,目前可分为三类：,串联重复基因簇的特点：,各成员之间有高度的序列一致性,拷贝数高 几十 几百,非转录的间隔区短而一致,正好满足组蛋白基因、rRNA 基因和 tRNA的 基因产物被细胞大量需要,基因簇（gene cluster）：基因家族的各成员紧密成簇，排列 成大段的串联重复单位，定位于染 色体的特殊区域, 由发育阶段控制的多基因家族：人类珠蛋白的基因家族,a、组蛋白基因家族（Histone gene family）,一个重复单位(基因簇 gene cluster)的组织情况,组织方式因不同生物而异： 基因次序、转录方向、间隔区的长短、重复频率,不转录间隔区,参见 P359页图1220,不算是典型的串联重复基因簇 (有些以散在形式出现),海胆,组蛋白基因表达特点： 没有内元 没有多聚A尾巴 P359页,b、rRNA 基因家族 （rDNA gene family）,重复单位的组织,c、tRNA基因,tRNA约长 70 80 bp，其基因约长140 bp (内元),串联重复排列，但各重复单位内的各tRNA基因可以不同,c、5SrRNA基因,简单多基因家族 成簇排列、102 103、104拷贝,3 不转录的间隔区,1 5S rRNA,2 假基因,重复单位间由重 度重复序列隔开,假基因（ Pseudogenes ）：,与正常基因结构相似，但没有正常 功能的DNA序列 P363页,d、由发育阶段控制的多基因家族,人类珠蛋白基因家族典型的,血红蛋白,在基因组中可形成稳定的无活性的拷贝,珠蛋白,血红素,22 不同的亚基由各自 的基因编码, 发育过程中的珠蛋白（血红蛋白）的亚基组成,两种亚基的编码基因分别形成两个不同的基因簇,并存在于不同的染色体上,每个基因簇中的基因按其在发育过程中的表达次序从53 排列在编码链上(其中包括有功能的基因和假基因),Each of the a-like and b-like globin gene families is organized into a single cluster that includes functional genes and pseudogenes.,四、割裂基因（splitting gene） 不连续基因（discontinuous gene ）、 断裂基因（interrupted gene）,概念：编码某一RNA的基因中有些序列并不出现在成熟 的RNA序列中，成熟RNA的序列在基因中被其他的 序列隔开,P360页的表述有一定的片面性,1、割裂基因的发现, 通过成熟mRNA（或cDNA）与编码基因的DNA杂交试 验而发现,7 introns,8 exons,鸡的卵清蛋白基因DNA与其mRNA杂交图,1978 Gilbert 真核生物基因的新概念,Exon (外显子、外元),DNA 与成熟RNA间的对应区域,氨基酸的编码区（amino acid coding region）,非间隔区（unspacer）,is any segment of an interrupted gene that is represented in the mature RNA product,原初转录物中通过RNA拼接反应而保留于成熟RNA中的 序列或基因中与成熟RNA序列相对应的DNA序列,Intron (内含子、内元),is a segment of DNA that is transcribed, but removed from within the transcript by splicing together the sequences (exons) on either side of it.,DNA 与成熟RNA间的非对应区域,氨基酸的非编码区（uncoding region）,间隔区（spacer） 但被转录,原初转录物中通过RNA拼接反应而被去除的RNA序列或基因中与这种RNA序列相对应的DNA序列,R环（R-loop）：mRNA与编码单链DNA杂交时，不互补的 intron部分形成的环,割裂基因,前体mRNA,Introns 去除 Exons 连接,所以真核生物基因又称为,Splitting gene Interrupted gene,由于真核生物的绝大多数结构基因都含有内元,2、 Splitting Gene 的普遍性,b) 原核生物 （Prokaryots）中,SV40 大T 抗原gene,小t 抗原 gene,1984 Dr. Chu,T4 phage 的胸苷合成酶 gene,1017 dNt intron,Splitting gene 并非真核生物所特有,酵母Maturase 合成受 Cyt. b intron II 的自动控制,maturase 过剩,利用intron II 编码成熟酶,maturase 减少,提前剪切 intron II,3、 Splitting gene 概念的相对性,a) Intron 并非“含而不露”,Yeast 细胞色素b基因 Intron II 编码成熟酶,c) 并非真核生物所有的结构基因均为splitting gene,不是splitting gene,b) Exon 并非“表里如一”,人类尿激酶原基因 Exon I 不编码 氨基酸序列,Histone gene family,干扰素,Yeast 中多数基因（ADH）,(果蝇 ADH 乙醇脱氢酶 基因为间隔基因),4、 Splitting gene 存在的生物学意义 （ 内元的意义 ）,五、细胞器基因,P367 375页自学,名词解释 基因组 C-值 C值矛盾 基因家族 基因簇 割裂基因 Intron 内元 Exon 外元 R环 持家基因 奢侈基因 卫星DNA 简答题 1、何为C值矛盾，其表现在哪些方面。 2、E.coli的基因结构有何特点？ 3、真核生物复性动力学的复杂性计算、重复频率计算。（如何根据复性动力 学曲线判断真核生物各种序列类型及其复杂性） 4、以E.coli、X174噬菌体为例说明原核生物基因组织的特点。 5、说出真核生物染色体结构中染色质丝的逐级组装过程。 6、真核、原核生物的结构基因的主要组织特点。,1、假定人类单个细胞总DNA为6109核酸对，以B-构型存在。请问人类单个细胞DNA总长度为多少？它们又是如何被组装在直径相对来说极其微小的细胞核内？（人类46条染色体）,2、从四种不同生物分离的核酸中各种碱基的比率（）如下 A T U G C 1 17 17 33 33 0.5 1.0 2 29 19 22 30 0.97 1.0 3 24 16 24 56 0.66 1.5 4 34 2.1 1.0,A T（或A U）,G C,AG,C T（或C U）,（1） 对于每个物种，回答以下问题 a、核酸是DNA还是RNA？ b、是双链还是单链？ （2）填充物种四中缺少的碱基百分比,本章内容结束!,Euchromatin,CpG methylation (甲基化): CpG island (CpG 岛) Methylation of C-5 in the cytosine base of 5-