《染色体与基因》PPT课件.ppt

第二章染色体与DNA 分子生物学 分子生物学 2 1染色质和染色体 染色体 chromosome Chromosomeisadiscreteunitofthegenomecarryingmanygenes EachchromosomeconsistsofaverylongmoleculeofduplexDNAandanapproximatelyequalmassofproteins Itisvisibleasamorphologicalentityonlyduringcelldivision 分裂期染色质 chromatin Chromatindescribestheconditionofthechromosomalmaterialduringtheinterphase betweenmitoses ofthecellcycle 细胞分裂间期 分子生物学 一 染色体结构 原核 简单 没有核膜包围形成真正的细胞核 核酸分子常裸露存在整个细胞中 与少量蛋白质结合 这些蛋白质有些与DNA的折叠有关 另外的参与DNA复制 重组和转录过程 真核 染色体位于细胞核的核仁内 DNA与Pro 组与非组蛋白 完全融合 Pro DNA的质量比2 1 分子生物学 分子生物学 原核与真核染色体DNA比较 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 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 分子生物学 染色质的基本单位 核小体 分子生物学 核小体 nucleosome 结构 DNA绕在组蛋白八聚体 H2A H2B H3 H4各一对 核心外1 8周 146bp 形成核小体核心颗粒 两个核小体核心颗粒之间有LinkerDNA 0 80bp 核小体核心颗粒 Linker 核小体 长180 210bp 分子生物学 分子生物学 染色体的结构要素 着丝粒 centromere 细胞分裂时染色体与纺锤丝相连结的部位 为染色体的正常分离所必需 在着丝粒附近有高度重复的卫星DNA 长约5 10bp 方向相同的高度重复序列 它们不能与组蛋白结合 形成常染色质区域 端粒 telomere 真核生物线状染色体分子末端的DNA区域 分子生物学 端粒DNA的特点与功能 有许多短的正向重复序列 端粒的末端都有一条12 16碱基的单链3 端突出 端粒DNA末端不能被外切核酸酶和单链特异性的内切核酸酶识别 端粒的功能 防止DNA末端降解 保证染色体的稳定性和功能 分子生物学 二 染色体的成分 核酸 DNA和极少量的RNA 蛋白质 组蛋白与非组蛋白 分子生物学 核酸 不重复序列 40 80 非严格的 单 主要是结构基因 2kb 中度重复序列 10 40 重复10 10000次 rRNA tRNA 组蛋白基因高度重复序列 10 60 卫星DNA 重复数百万次 6 100bp 分子生物学 以小鼠为例 1 总DNA的10 是小于10bp的高度重复序列 重复数十万到上百万次 genome 2 总DNA的20 是重复数千次 长约数百bp的中等重复序列 3 总DNA的70 是不重复或低重复序列 绝大部分功能基因都位于这类序列中 分子生物学 组蛋白 histone 一类小的带有丰富正电荷 富含Lys Arg 的核蛋白 与DNA有高亲和力 组蛋白分类 1 核小体核心组蛋白 H2A H2B H3 H4 分子量较小 102 135aa 作用 盘绕DNA形成核小体核心颗粒 2 H1组蛋白 较大 220aa 作用 与LinkerDNA结合后利于核小体稳定和更高级结构的形成 分子生物学 非组蛋白 1 非组蛋白的多样性 非组蛋白的量大约是组蛋白的60 70 但它的种类却很多 主要是酶 核酸结合蛋白 反式作用因子等 2 非组蛋白的组织专一性和种属专一性 分子生物学 三 染色体压缩包装 10nm核小体 1 7 30nm螺线管 1 6 超螺旋 1 40 染色单体 1 5 所以DNA以高度压缩的形式 数万倍 存在染色体上 分子生物学 LevelsofChromatinPacking 分子生物学 四 染色体特征 1 分子结构相对稳定 2 能够自我复制 使亲子代之间保持连续性 3 能够指导蛋白质的合成 从而控制整个生命过程 4 能够产生可遗传的变异 分子生物学 2 2DNA与基因 基因 gene 是合成一种功能蛋白或RNA分子所必须的全部DNA序列 分子生物学 一个典型的真核基因包括 编码序列 外显子 exon 插入外显子之间的非编码序列 内含子 intron 5 端和3 端非翻译区 UTR 调控序列 可位于上述三种序列中 绝大多数真核基因是断裂基因 split gene 外显子不连续 分子生物学 Pre mRNA IntronsRemovedExonsjunctions Splittinggene 分子生物学 DNA链是由脱氧核糖核苷酸通过3 5 磷酸二酯键聚合而成的高聚物 其一级结构就是指4种核苷酸 A T G C 的连接及其排列顺序 表示了该DNA分子的化学构成 DNA一级结构 分子生物学 分子生物学 分子生物学 特殊的DNA一级结构 反向重复序列碱基分布不均匀富含A T的序列富含G C的序列所以 一级结构影响高级结构 分子生物学 DNA二级结构 双螺旋结构1953年4月Watson和Crick提出DNA右手双螺旋模型 分子生物学 右手双螺旋模型 DNA分子是由两条互相平行的脱氧核苷酸长链盘绕而成的 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 两条链上的碱基通过氢键相结合 形成碱基对 它遵循碱基互补配对原则 分子生物学 分子生物学 RighthandedB formDNADoublehelixModel 每一单链具有5 3 极性两条单链间以氢键连接两条单链 极性相反 反向平行以中心为轴 向右盘旋 B form 双螺旋中存在大沟 2 2nm 小沟 1 2nm 分子生物学 DNA单链的延伸3 端 分子生物学 l碱基顶部基团裸露在DNA大沟内 l蛋白质因子与DNA的特异结合依赖于氨基酸与DNA间的氢键的形成 l蛋白质因子沿大沟与DNA形成专一性结合的机率与多样性高于沿小沟的结合 l大沟的空间更有利于与蛋白质的结合 DNA双螺旋的结构特点 分子生物学 DNA螺旋的几种构象 B DNAA DNAZ DNA 分子生物学 分子生物学 其他DNA螺旋结构 T S DNA TriplexStrands 三螺旋DNATet SDNA TetraplexStrands 四螺旋DNA 分子生物学 DNA高级结构 超螺旋与拓扑异构现象 分子生物学 DNA超螺旋结构 超螺旋超螺旋 简单地说就是螺旋的螺旋 或者我们假定双螺旋存在一个中心轴 这条中心轴再形成螺旋 超螺旋的形成不是一个随机过程 而是在DNA双螺旋存在一种结构张力时才会形成 由于DNA双螺旋的盘绕过度或不足 使DNA分子处于一种张力状态 在封闭环状DNA分子中这种张力不能释放出来 就会形成超螺旋 分子生物学 正 负超螺旋 正超螺旋中心轴的盘绕同双螺旋两条链盘绕的方向相同 也就是同解链方向相反 正超螺旋使螺旋更加紧密 所以把正超螺旋叫过分盘绕DNA 负超螺旋负超螺旋能让DNA分子通过调整双螺旋本身的结构来减少这种张力 一般是以减少每个碱基对旋转 即放松两股链彼此的盘绕 所以把具有负超螺旋的DNA叫盘绕不足DNA 分子生物学 超螺旋的生物学意义 超螺旋可能有两方面的生物学意义 超螺旋DNA比松弛型DNA更紧密 使DNA分子体积变得更小 得以包装在细胞内 超螺旋能影响双螺旋的解链程度 因而影响DNA分子与其他分子 如酶 蛋白质分子的相互作用 分子生物学 DNA二级结构的形态 LinearDNA L OpenCircleDNAOC SupercoiledcircleCovalentClosedCircleCCC 分子生物学 超螺旋结构DNA 分子生物学 超螺旋结构DNA leadstoleft handedsuperhelix positivesupercoiled 分子生物学 Leadstoright handedsuperhelix 所有生物的DNA几乎有5 为NegativeSuperhelix NegativeSupercoiled 分子生物学 超螺旋形成示意 末端固定的线型双螺旋 额外的张力不能释放双螺旋以扭曲方式缓解应力 形成超螺旋 分子生物学 EB对超螺旋结构的影响 分子生物学 lDNA在水溶液中 构型偏B型状态 lDNA以10 5bp helix为最稳定构型 l小于10 5bp helix向正超螺旋发展 紧缩态 l大于10 5bp helix向负超螺旋发展 松弛态 对超螺旋的认识 分子生物学 在细胞内 invivo lDNA分子需以高度致密的超螺旋状态压缩在细胞核内 l富含AT区域易于解链 形成十字型的负超螺旋 以消除解链产生的应力 维持DNA分子的稳定状态 分子生物学 DNA拓扑异构体 具有完全相同顺序 而链环数值不同的DNA 称为拓扑异构体 在封闭环状DNA分子中链环数值的改变 即拓扑异构体之间的互变 只有在一条链或两条链有了缺口时才能发生 通常要有酶来催化 此种酶叫拓扑异构酶 I型异构酶能在一股链上产生一个缺口 而II型异构酶能在两股链上产生缺口 分子生物学 TopI对负超螺旋处的单链DNA具有极强的亲合力 拓扑酶功能比较 消除负超螺旋 松弛DNA 引入负超螺旋 紧缩DNA TopII 拓扑异构酶 topoisomeraseI II 参与构型的改变 TopIcannotactonpositivelysupercoiledDNA 分子生物学 负超螺旋的特殊性 负超螺旋的引入需要提供能量 可以把负超螺旋看作是一种能量的储存形式 在体内负超螺旋的水平受产生超螺旋和消除超螺旋两种酶活性的平衡控制 在特定区域内增加负超螺旋可能有助于DNA结构上的转变 分子生物学 l细胞内精细调控机制维持TopI TopII含量的平衡 严格控制体内负超螺旋维持在5 水平 保证DNA的各种遗传活动 分子生物学 DNA分子的变性 生理状态下双链DNA中配对碱基的氢键不断处于断裂和再生的状态之中 特别是稳定性较低的富含A T的区段 氢键的断裂和再生更为明显 在微观上 它们常常发生瞬间的单链泡状结构 这叫作DNA双螺旋的呼吸作用 分子生物学 DNA分子变性 DNAdenaturation D S DNA S S DNA 加温 极端pH 尿素 酰胺 变性过程的表现 DNA粘度降低 DNA沉降速度加快 DNA分子的A260nmUV值上升 核酸在260nm具有强烈的吸收峰 结构越有序 吸收的光越少 游离核苷酸比单链的RNA或DNA吸收更多的光 而单链RNA或DNA的吸收又比双链DNA分子强 分子生物学 1 185 50 g mlOpticalDensity OD增加值的中点温度 分子生物学 Marmur Dotyformula EvaluationGC ofDNA Tm 69 3 0 41 GC GC 30 70 0 15MNacl 0 015MSodiumLimonate Tm1 Tm2 分子生物学 l增色效应的跳跃现象 高分子量的DNA分子在热变性过程中 富含AT区域首先发生变性 然后逐步扩展 表现增色效应的跳跃现象 使变形过程加快 分子生物学 DNA分子的复性 D SDNA S SDNA Denaturation Renaturation 复性过程依赖于单链分子间的随机碰撞 分子生物学 影响DNA复性过程的因素 S S DNA的初始浓度C0 DNA分子中核苷酸的排列状况 随机排列 重复排列 分子生物学 复性发生的过程的讨论 遵循second orderkineticsformula 二级反应动力学 dCt dt KCt2 反应初始t 0 两条部分同源的S S DNA 在复性过程中形成的部分双链区是不稳定的 单链DNA的随机碰撞过程 单链DNA浓度 C0 反应达t时 单链DNA浓度 Ct 分子生物学 dCt dt KCt2积分 Ct C0 1 1 KC0t 当Ct C0 1 2时 Ct C0 1 2 1 1 KC0t 1 2 K 1 Cot 1 2 Cot 1 2 1 K mol Sec L 任一DNA分子达到Ct C0 的速率是定值 分子生物学 已知大肠杆菌DNA总量为4 4x106bp Cot1 2 9 有一生物 其Cot1 2 3x10 1 求其细胞中的DNA总量 分子生物学 分子生物学 基因与基因概念的发展 基因是生物体遗传信息的基本单位 其本质是DNA 有的生物基因组是RNA 简单的说 基因是合成一种功能蛋白或RNA分子所必须的全部DNA RNA 序列 原核生物和真核生物的基因有较大的不同 一个典型的真核基因包括 编码序列 外显子 插入外显子之间的非编码序列 内合子 5 端和3 端非翻译区 UTR 调控序列 可位于上述三种序列中 分子生物学 原核生物与真核生物的基因比较 1 真核生物除配子外 染色体成对 所以同源DNA分子两个 原核生物只有一个DNA RNA 分子 2 真核生物基因转录为单顺反子 原核生物基因具有操纵子结构 转录为多顺反子 3 真核生物DNA重复顺序较多 原核一般不具重复序列 分子生物学 4 真核生物基因非编码区部分大于编码区部分 无基因重叠现象 原核生物基因编码区部分大于非编码区部分 基因有重叠现象 5 真核生物有内含子 不连续基因或者断裂基因 原核生物一般无 6 真核生物DNA复制多起点 原核生物DNA复制单起点 分子生物学 基因概念的发展 移动基因断裂基因假基因重叠基因 分子生物学 移动基因 移动基因又叫转位因子 由于它可以从染色体基因组上的一个位置转移到另外一个位置 甚至在不同染色体之间跃迁 因此也形象地称之为跳跃基因 分子生物学 跳跃基因 Jumpinggene Transposableelement 1914A EmersonCornelluniversity 1936Marcus M RhoabesIndianaUniversity 玉米糊粉层斑点 DottedDt 突变 基因转座现象的最初发现 分子生物学 1947BarbaraMcClintock 玉米糊粉层花斑不稳定现象伴随的遗传事件 a 系列染色体遗传重组事件 b 在Ac Activater 因子存在时 CI ci spotsinaleuronelayer 分子生物学 断裂基因 过去人们一直以为基因的遗传密码子是连续不断的并列在一起 形成一条没有间隔的完整基因实体 但以后通过对真核蛋白质编码基因结构的分析发现 在它们的核苷酸序列中间插入有与氨基酸编码无关的DNA间隔区 使一个基因分隔成不连续的若干区段 这种编码序列不连续的间断基因叫断裂基因 分子生物学 不连续的基因表达程序 先转录成初级转录物 即核内不均一RNA hnRNA 又叫前体mRNA 然后经过删除和连接 去除无关的DNA间隔序列的转录物 便形成成熟的mRNA分子 它从细胞核中输送到细胞质 再翻译成相应的多肽链 这种在mRNA成熟过程中其转录物被剪除掉的对应DNA部分叫做间隔序列或内含子 被保留下来的对应的DNA部分叫编码序列或外显子 分子生物学 Pre mRNA IntronsRemovedExonsjunctions Splittinggene 分子生物学 假基因 现已在大多数真核生物中都发现了假基因 这是一种核苷酸序列同其相应的正常功能基因基本相同 但却不能表达或者表达异常 不能产生有功能的基因产物的失活基因 假基因来源可能有两种 一种可能来源于 亲本基因 的重复和突变 另一种可能来源于mRNA逆转录成DNA插入基因组中形成 分子生物学 重复的假基因许多假基因都是同 亲本基因 连锁的 而且同其编码区和侧翼序列的DNA具有很高的同源性 可见产生此种类型的假基因拷贝的一种可能机理是 由含有 亲本基因 的染色体区段串连重复突变形成 分子生物学 加工的假基因这类假基因没有与 亲本基因 连锁 而且其结构是同转录本而非 亲本基因 类似 例如 它们没有启动子和间隔子 但在3 末端都有一段延伸的腺嘌呤短序列 恰似mRNA分子3 末端的Poly A 尾巴 这些特征表明 此类假基因很可能来自加工的RNA之DNA拷贝 因此称之为加工的假基因 分子生物学 重叠基因 随着DNA核苷酸序列测定技术的发展 在一些细菌和动物病毒中发现了不同基因的核苷酸有时是可以共用的 也就是说不同基因的核苷酸序列彼此重叠 这样核苷酸序列重叠的基因叫做重叠基因 分子生物学 1973年Weiner和Weber发现大肠杆菌的一种RNA病毒中 有两个基因从同一起点开始翻译 一个在400bp处结束 生成较小的蛋白质 而在少数情况下 3 翻译可以一直进行到800bp处碰到双重终止信号才结束 合成较大相对分子量的蛋白质 但是当时他们认为后者含量少 不予重视 没有进一步研究 就这样他们和重叠基因的发现失之交臂 1977年Sanger在测定 X174全部核苷酸序列的时候发现 分子生物学 不同终止位点 Q RNAvirus1973 A Weiner 400Nt800NtAUG UGA UAA UGA UAG易被漏读 错读UAA能严格终止 分子生物学 不同的阅读框 分子生物学 TCAUGCCCAAACUAGGC Start Stop 不同的阅读框 分子生物学 AUG TCAUGCCCAA AUGAGGC Vp2Start 选择不同的起始和终止 SimianVirus40SV40 Vp1Start Vp3Start Vp1 Vp2 Vp3 分子生物学 基因家族 真核生物的基因组中有许多来源相同 结构相似 功能相关的基因 这样一组基因称为基因家族 由于它们功能相关 结构相似且核