原核与真核生物的染色体结构PPT课件.ppt

1复习2染色体3原核生物的染色体结构4真核生物的染色体结构5基因组复杂度6遗传信息流,原核与真核生物的染色体结构,1,复习DNA的一级结构,核苷酸含氮碱与戊糖形成核苷，核苷再与磷酸结合形成核苷酸核苷酸=碱基+核糖（脱氧核糖）+磷酸,2,复习DNA的一级结构,3,复习DNA测序方法,分成4组，每一组反应体系中加入4种dNTP和一种相应的ddNTP，反应后可得到不同长度的以双脱氧结尾的DNA片段，各DNA片段均只相差一个核苷酸长度，各组的片段经凝胶电泳分离后，每一片段的电泳位置不同，从下而上可直接读出DNA序列。,4,复习DNA的二级结构,WatsonCrick双螺旋结构模型要点：,a.反平行双链右手螺旋b.糖Pi在螺旋线上c.碱基伸向内部其平面垂直于轴d.A=T、G=Ce.直径=2nm，一圈上升10对核苷酸，螺距为3.4nmf.大沟、小沟；,5,拓扑异构酶（topoisomerase）可以催化DNA产生瞬时单链或双链断裂而改变连环数(linkingnumber)。拓扑异构酶有两种基本类型，拓扑异构酶I和拓扑异构酶II。拓扑异构酶II在DNA上产生一个瞬时的双链缺口，并在缺口闭合以前使另一双链DNA片段得以穿过，连环数每次改变2。拓扑异构酶II依靠ATP水解提供能量来催化这一反应。I型拓扑异构酶的作用是使DNA暂时产生单链切口，让另一未被切割的单链在切口接合之前穿过这一缺口，连环数每次改变1。与拓扑异构酶II相比，拓扑异构酶I的作用不需要ATP。,复习DNA的三级结构：超螺旋,6,复习RNA的高级结构,细胞内的RNA行使多种生物学功能:mRNA是蛋白质生物合成的模板。在真核细胞中，由于蛋白质是在胞浆中而不是在核内合成，因此显然要求有一个中间物将DNA上的遗传信息传递至胞浆中，这种中间物即信使RNA。不均一核RNA(heterogeneousnuclearRNA,hnRNA)：在真核生物中，最初转录生成的RNA称为不均一核RNA(heterogeneousnuclearRNA,hnRNA)，然而在细胞浆中起作用，作为蛋白质的氨基酸序列合成模板的是mRNA(messengerRNA)。hnRNA是mRNA的未成熟前体。,7,复习核酸性质,紫外吸收：碱基、核苷、核苷酸和核酸240290nm的紫外波段有强烈的光吸收，max=260nm纯DNA的A260/A280应为1.8（1.65-1.85）纯RNA的A260/A280应为2.0含量计算：1ABS值相当于：50ug/mL双螺旋DNA或：40ug/mL单链DNA（或RNA）或：20ug/mL寡核苷酸,8,变性：概念：在物理、化学因素的影响下，DNA双螺旋结构解为单链的现象称为变性。变性因素：强酸碱、有机溶剂、高温等等。DNA的热变性称为DNA的“融解”，50%DNA分子解链的温度称为融点Tm表示。,复习核酸性质,9,复习核酸性质,分子杂交：(hybridization)不同来源的核酸变性后，合并在一处进行复性，这时，只要这些核酸分子的核苷酸序列含有可以形成碱基互补配对的片段，复性也会发生于不同来源的核酸链之间，即形成所谓的杂化双链，这个过程称为杂交(hybridization)。,10,染色体,1848年，Hofmeister从鸭跖草的小孢子母细胞中发现染色体。1888年，Waldeyer正式定名为Chromosome。1879年，W.Flemming提出了染色质（chromatin）这一术语，用以描述染色后细胞核中强烈着色的细丝状物质。后来的研究证明染色质和染色体是同一物质在不同细胞周期中的形态表现。,11,染色体具有3个基本元素：自主复制序列(autonomouslyreplicatingDNAsequence,ARS)，是DNA复制的起点，酵母基因组含200-400个ARS，大多数具有一个11bp富含AT的一致序列（ARSconsensussequence,ACS）；着丝粒序列(centromereDNAsequence,CEN)，由大量串联的重复序列组成，如卫星DNA，其功能是参与形成着丝粒，使细胞分裂中染色体能够准确地分离；端粒序列(telomereDNAsequence,TEL)，不同生物的端粒序列都很相似，由长5-10bp的重复单位串联而成，人的重复序列为GGGTTA。,染色体,12,染色质的化学组成染色质由DNA、组蛋白、非组蛋白及少量RNA组成，比例为1：1：（1-1.5）：0.05。可见DNA与组蛋白的含量比较恒定，非组蛋白的含量变化较大，RNA含量最少。,染色体,DNA是遗传信息的携带者，DNA的序列可分为3种类型，即：单一序列、中度重复序列（101-5）和高度重复序列（105）组蛋白带正电荷，含精氨酸，赖氨酸，属碱性蛋白，其含量恒定。,13,染色体,与组蛋白不同，非组蛋白是染色体上与特异DNA序列结合的蛋白质，所以又称序列特异性DNA结合蛋白，非组蛋白的特性是：含有较多的天门冬氨酸、谷氨酸，带负电荷，属酸性蛋白质；整个细胞周期都进行合成，不象组蛋白只在S期合成，并与DNA复制同步进行；能识别特异的DNA序列，识别信息存在于DNA本身，位点在大沟部分，识别与结合力为氢键和离子键。非组蛋白的功能是：帮助DNA分子折叠，以形成不同的结构域，从而有利于DNA的复制和基因的转录；协助启动DNA复制；控制基因转录，调节基因表达。,14,染色体,从DNA到染色体,人体的一个细胞核中有23对染色体，每条染色体的DNA双螺旋若伸展开，平均长为5cm，核内全部DNA连结起来约1.7-2.0m，而细胞核直径不足10um。因此，不难想象DNA是以螺旋和折叠的方式压缩起来的，压缩比例高达上万倍，这种压缩的最初级结构就是核小体。,15,用非特异性核酸酶（如微球菌核酸酶）处理染色质，大多数情况下可得到大约200bp的片段，但处理裸露的DNA分子会得到随机降解的片段。以这个实验为基础，R.Kornberg建立了核小体模型。,核小体与染色体,核小体是一种串珠状结构，由核心颗粒和连结线DNA两部分组成，可描述如下：每个核小体单位包括约200bp的DNA、一个组蛋白核心和一个H1；由H2A、H2B、H3、H4各两分子形成八聚体，构成核心颗粒；DNA分子以左手螺旋缠绕在核心颗粒表面，每圈80bp，共1.75圈，约146bp，两端被H1锁合；相邻核心颗粒之间为一段60bp的连接线DNA。,16,核小体：DNA双螺旋链,等距离缠绕组蛋白(H2A、H2B、H3、H4)各二分子组成八聚体形成众多核心颗粒,外绕1.75圈左走向的DNA链,每圈约80bpDNA,各颗粒之间为带有H1组蛋白的连接区DNA。,核小体与染色体,17,核小体与染色体,核小体结构,18,通过核小体，DNA长度压缩了7倍，形成直径为11nm的纤维(图12-12)。但是染色质不以这种状态存在，在电镜下观察用温和方法分离的染色质是直径30nm的纤维，这种纤维的形成有两种解释：由核小体螺旋化形成，每6个核小体绕一圈，构成外径30nm的中空管长度压缩6倍；由核小体纤维Z字形折叠而成，长度压缩40倍。30nm纤维的形成与核小体之间蛋白质的相互作用有关，连接组蛋白H1和核心组蛋白尾部均参与这种相互作用，去除组蛋白H1的染色质中，30nm纤维解体为更细的纤维。,核小体与染色体,19,核小体与染色体,30nm和11nm染色质纤维,20,核小体与染色体,一个长约105m的真核染色体DNA被高致密度包装在直径约510m的细胞核中，这种包装是由几个层次高度有序地折叠组成的。人们将DNA(或RNA)与包装它的细胞器长度之比称为包装比。形成核小体后DNA的包装为l：7。但是在真核染色体中，DNA的包装比超过10000倍，这个事实说明，染色体本身是个高度有序的结构。,21,核小体与染色体,对于更高级染色体包装方式，至今尚不明确。目前多认为30nm的纤维折叠为一系列的环（loop）结合在核骨架上（或称染色体骨架），结合点是富含AT的区域（图12-13），这种环状的结构散布于细胞核中。,22,更高层次的DNA折叠包装组织情况尚不清楚。但是有证据表明，染色体DNA的某一些部分和“核骨架”(nuclearscaffold)相连。这些与核骨架相联系的部分，把染色体DNA隔成许多含20000100000bp长的DNA环，每个“环”(loops)有相对的独立性。当一个环被打断或被核酸酶所松弛时，其他环仍可保持超螺旋状态。每个环中含有一些相关的基因。,核小体与染色体,23,原核生物的染色体结构,大肠杆菌的染色体特点：闭环DNA，长度约4.6Mb，集中分布在成为“拟核”（nucleoid）的区域内，在正常生长情况下DNA保持连续复制,24,原核生物的染色体结构,大肠杆菌染色体：大肠杆菌染色体为闭环DNA，集中分布在称为拟核(nucleoid)的区域内。在正常生长情况时，DNA保持持续复制。DNA结构域：基因组由50-100个大环，或长度为50-100kb的结构域组成，与膜蛋白复合体(membrane-proteincomplex)结合而被固定。基因组超螺旋：基因组为负超螺旋，每个结构域在拓扑学上是独立的，结果是各结构域可保持不同水平的超螺旋。,25,原核生物的染色体结构,DNA结合蛋白：DNA结构域被非特异性的DNA结合蛋白如HU和H-NS（类组蛋白，histone-likeprotein)缠绕，这些蛋白质束缚着约半数的DNA超螺旋。一些其他的分子如宿主整合因子(integrationhostfactor)、RNA聚合酶及mRNA等均有助于类核的组构。,26,1.原核生物中一般只有一条染色体且大都带有单拷贝基因，只有很少数基因如rRNA基因是以多拷贝形式存在；2.整个染色体DNA几乎全部由功能基因与调控序列所组成；几乎每个基因序列都与它所编码的蛋白质序列呈线性对应状态。3.原核生物的拟核部位是环状的DNA分子，没有蛋白质，不能组成染色体（概念有争议），而真核生物的细胞核中有DNA核蛋白质组成的染色质，在进行分裂，可高度螺旋形成染色体。,原核与真核染色体DNA比较,27,真核生物染色质结构,1.真核生物的基因组比原核生物大数千倍；2.有一定数目的染色体组成，每条染色体中的DNA分子为单一线性分子；3.所有DNA分子必须包装在细胞核内，导致细胞核内的DNA浓度极高；4.高度有序的DNA蛋白质复合体染色质的形成完成了这一紧密组装的目的；5.在染色质中蛋白质组分占染色质质量的50以上，在细胞周期的不同时段中，染色质具有不同的组构水平。,28,真核生物染色质结构,染色质：真核生物染色体都包含一个很长的线性DNA分子，并被组装在细胞核(nucleus)内。染色质用来描述构成真核生物染色体的高度有序的DNA-蛋白质复合物。染色质结构被用来包装和组构染色体DNA，并能在细胞周期的不同阶段调整压缩DNA的水平。组蛋白：染色质中的主要蛋白质成分是组蛋白：一类分子质量较小的、碱性（带正电）二聚体蛋白，与DNA紧密结合。组蛋白有四个家族：H2A、H2B、H3和H4，以及另一类具有不同特性、特定功能的H1。不同物种具有不同的组蛋白变异体。,29,真核生物染色质结构,组蛋白的氨基酸组成十分特殊，富含带正电的氨基酸，赖氨酸（lysine）和精氨酸（arginine）。各种组蛋白中有超过20的氨基酸残基是赖氨酸和精氨酸。H2A，H2B，H3和H4是相对较小的蛋白质，分子量一般为1115KDa，组蛋白H1的分子量约为20KDa。组蛋白带正电，它们能够与DNA分子上带负电的磷酸基团通过静电引力(electrostaticattraction)结合在一起。这种静电引力显然是稳定染色质最主要的因素。把不同来源的组蛋白混合在一起通常能够实现染色质的重建。因为，除了H1，来自不同有机体的组蛋白都十分相似。,30,真核生物染色质结构,核小体：核小体核心是染色体结构的基本单位，有组蛋白八聚体构成即含四种核心组蛋白各两分子。146bp的DNA以左手方式环绕八聚体1.75圈。环绕在核小体上的DNA占据了真核生物DNA的几乎所有的负超螺旋。一般认为30nm纤维形成4090Kb的环，环的基部与柔韧的染色体骨架相连，形成伸展的间期染色体。染色体骨架螺旋化，并进一步压缩成中期染色体。目前已经发现有两类蛋白质参与核骨架的形成。一类是拓扑异构酶II，它可能参与基部相连的环状DNA的形成。SMC是另一类核骨架中含量丰富的组成成分，SMC蛋白是染色体复制后进行压缩和姊妹染色单体联会机制的关键组成成分。,31,真核生物染色质结构,H1的功能：一个单一H1分子在出入核小体核心颗粒处对DNA起稳定作用，并在核小体间分配DNA。核小体核心颗粒加上H1称为染色小体(chromatosome)。某些情况下，H1可被结合得更紧密的H5所代替，并与无转录活性的DNA结合。连接DNA：核小体核心颗粒间的连接DNA长度从几个bp到大于100bp不等，但通常约55bp。这样核小体重复的单位长约200bp。高级结构：在最大规模上，染色体DNA以30nm纤维的形式构成长达100kb的环，这样的环被蛋白支架和核基质所固定。整体结构与原核生物DNA的结构域有些类似。,32,真核生物染色质结构,在真核生物的染色体上有几个重要的DNA元件，它们不是基因，也不参与基因表达的调控。这些元件分别是：1.指导染色体DNA复制起始的复制起始位点;2.细胞分裂时引导染色体进入子代细胞的着丝粒;3.负责保护和复制线性染色体末端的端粒。它们对于细胞分裂过程中染色体的正确复制和分离至关重要。,33,复制起点（originofreplication）是DNA复制开始的位点。复制起点每隔3040Kb均匀分布在每条真核生物的染色体上。一般来说复制起点位于非编码区。有丝分裂染色体：有丝分裂时配对姐妹染色单体(sisterchromatid)呈高度浓缩状态。线性DNA沿着一条单一路径从染色体一端到另一端，以30nm纤丝构成的长达100kb的连续环的方式锚定在核心处的核基质上。,真核生物染色质结构,34,真核生物的染色体结构,着丝粒（centromere）：是染色体上染色很淡的缢缩区，由一条染色体复制产生的两个姐妹染色单体在此部位相联系，是通过动粒与纺锤体连接的部位。着丝粒指导一个蛋白质复合体的形成，此结构也称为动粒（kinetochore）。纺锤体微管附着在动粒上，在有丝分裂后期拉动姐妹染色单体相互远离，并进入两个子代细胞。着丝粒具有特别短的DNA序列特征，在哺乳动物中属于卫星DNA。,荧光原位杂交显示的着丝粒卫星DNA,35,真核生物的染色体结构,端粒：染色体的末端形成端粒结构来保护染色体免受降解和渐进的截短。端粒是由一种专一端粒酶合成的短重复序列与蛋白质构成，独立于正常DNA复制。,荧光原位杂交显示的端粒（上）和端粒序列（下）,36,真核生物的染色体结构,染色体各部分的名称,37,1染色单体（Chromatid）：中期染色体由两条染色单体组成，两者在着丝粒的部位相互结合，每一条染色单体是由一条DNA双链经过螺旋和折叠而形成的，到后期，着丝粒分裂，两条染色单体分离。2染色线（Chromonema）：前期或间期核内的染色质细线，代表一条染色单体。3染色粒（Chromomere）：前期染色体上呈线性排列的念珠状颗粒，是DNA局部收缩形成的，异染色质的染色粒一般较大，而常染色粒的染色粒较小，在染色体上位于着丝粒两边的染色粒一般较大，而向染色体端部的染色体较小，呈梯度排列。,真核生物的染色体结构,38,4主缢痕（primaryconstriction）：中期染色体上一个染色较浅而缢缩的部位，主缢痕处有着丝粒，所以亦称着丝粒区，由于这一区域染色线的螺旋化程序低，DNA含量少，所以染色很浅或不着色。一般动植物的染色体具有一个位置固定的着丝粒(localizedcontromere)，有些生物整过染色体都具有着丝粒活性，称为全着丝粒（holocentromere）如：如蛔虫、线虫、蝶、蛾、蚜虫等。可根据着丝粒的位置将染色体分为4类：中着丝粒染色体（metacentricchromosome）。亚中着丝粒染色体（submetacentricchromosome）。亚端着丝粒染色体（subtelocentricchromosome）端着丝粒染色体（telocentricchromosome）。,真核生物的染色体结构,39,5次缢痕（secondaryconstriction）：除主缢痕外，染色体上第二个呈浅缢缩的部分称次缢痕，次缢痕的位置相对稳定，是鉴定染色体个别性的一个显著特征。6核仁组织区（nucleolarorganizingregions,NORs）：是核糖体RNA基因所在的区域（图12-18），其精细结构呈灯刷状。能够合成核糖体的28S、18S和5.8SrRNA。核仁组织区位于染色体的次缢痕区，但并非所有的次缢痕都是NORs。7随体（satellite）：指位于染色体末端的球形染色体节段，通过次缢痕区与染色体主体部分相连。位于染色体末端的随体称为端随体，位于两个次缢痕中间的称中间随体。,真核生物的染色体结构,40,中期染色体是真核细胞中DNA压缩程度最高的状态，只有在核分裂时才出现。分裂结束后，染色体变松散，看不到单个的结构。用光学显微镜观察间期细胞核时，可以看到着色深浅不同的区域。深的区域主要集中在核的周边，称为异染色质（heterochromatin），包含相对致密的结构。,真核生物的染色体结构,41,异染色质分为两类：组成型异染色质（constitutiveheterochromatin）其DNA不含基因而可一直保持压缩状态。它包括着丝粒和端粒DNA以及某些染色体的某些特定区域，例如人的大部分Y染色体都由异染色质。兼性异染色质（facultativeheterochromatin）无永久特性，仅在部分细胞的部分时间出现，兼性异染色质含有基因，这些基因在某些细胞中或细胞的某些阶段失活。当这些基因失活时，其DNA就压缩成异染色质。哺乳类雌体细胞2条X染色体，到间期一条变成异染色质者，这条X染色体上的基因就全部失活。,真核生物的染色体结构,42,真核生物的染色体结构,异染色质（核内深染部分）和常染色质（核内浅染部分）,43,真核生物的染色体结构,常染色质：常染色质是中期染色体比较松散的区域，包括无活性的30nm纤丝区和转录活跃区，在转录活跃区中纤丝已被解散，可允许参与表达的蛋白与DNA结合。DNaseI超敏性：染色质活性区，或因结合特异蛋白或因进行转录而被松散的30nm纤丝的区域，其特征是对DNA酶I(DNaseI)的高度敏感性。CpG甲基化：哺乳动物DNA中5-CG-3序列通常在胞嘧啶碱基处被甲基化；但在频繁转录基因的启动子附近产生不被甲基化的CpG岛，形成对DNaseI高度敏感的区域。,44,真核生物的染色体结构,组蛋白变异体和修饰：染色质的浓缩程度受下列条件控制，至少部分受其控制，一是对组蛋白的化学修饰，以改变其细胞周期中它们所带的电荷数；二是在特定的细胞类型中，或在不同的发育阶段通过利用组蛋白变异体来实现。,45,基因组复杂度,非编码DNA：真核生物细胞的大部分DNA并不编码蛋白质；大部分基因含有较长的内含子(nitron)序列，基因或基因簇(genecluster)被大段未知功能的序列所分割。这样的序列由许多有些相关的短序列元件的重复组成，有时重复次数高达数百至数千万个。复性动力学：这是根据序列的拷贝数不同在基因组DNA复性过程中复性速率不同的原理，来识别不同种类的重复序列DNA的一种技术。重复序列退火速度较快，而低拷贝区域复性较慢，用这一技术可将人类DNA分为高度重复DNA、中度重复DNA和单一序列DNA。,46,基因组复杂度,单一序列DNA：复性最慢的DNA组分就是单一序列DNA，一般由单