第三章 有机体、染色体和基因

第三章有机体 染色体和基因 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 Prokaryoticcell Eukaryoticcell Cellularclassification AProkaryoticcellTheelectronmicrographontheleftismagnifiedabout80000times 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 病毒 寄主为动 植物 使用真核生物的遗传法则噬菌体 细菌或病毒 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 如 病毒 virus 噬菌体 phage 不同形态的病毒颗粒A B C 球状 分别为疱疹病毒 昆虫多角体病毒和流感病毒 D 杆状 烟草花叶病毒 E 噬菌体 T4噬菌体 F G 多面体 分别为腺病毒和脊髓灰质炎病毒 真核细胞和原核细胞的区别 第二节原核生物染色体和基因 一 大肠杆菌 EscherichiacoliE coli 1 大肠杆菌在实际工作中的重要性 1885TheodorEscherich 德国 原命名为Bacteriumcoli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 有性生殖 可进行遗传学的研究 如遗传杂交及遗传性状的分析 d 能够供应病毒的生长 进行病毒扩增的研究 a 在实验室中容易操作 因为 类核中 染色体DNA成分占80 其余为RNA和蛋白质 4 6x106bp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1 3mm 1400以上的基因 共3000 4000个 都已定位 1 染色体DNA 2 大肠杆菌的遗传物质 包括染色体DNA和质粒DNA E coli染色体的基因图 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 它们在基因转录时协同动作 b 功能相关的RNA基因也串联在一起 rrn操纵元 如 16SrRNA 23SrRNA 5SrRNA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 plasmidDNA 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 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 restrictionendonuclease 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 5 G A A T T C 3 3 C 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DNA为单链环状 有5386个核苷酸 FrederickSanger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 overlappinggenes或嵌套基因nestedgenes 部分重叠K和C 两个基因共用少数碱基如 A 和CD和J ATGA C Startcodon TAATG A Stopcodon D Stopcodon J Startcodon 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 endsite 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 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 Cellcycle Interphase间期 G1 S G2Mphase mitosis有丝分裂 与Euk 的DNA结合的一类碱性蛋白质 二 组蛋白 Histone 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 Histoneoctamer H2A与H2B H3与H4的亲和力强 通过C端的疏水氨基酸结合 三 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 Mononucleosomestypicallyhave 200bpDNA End trimmingreducesthelengthofDNAfirstto 165bp andthengeneratescoreparticleswith146bp 微球菌酶处理所得核小体DNA长度的变化 Chromatosome166bp 2superhelicalturn 组蛋白H1把核小体 封锁 起来 其中 166bp核小体DAN的堆积比为1056nm线性长度 5 6nm螺线管 连接DNA100bp平均55bp Nucleosome HistoneH1 Nucleosomerepeat Core linkerDNA200bp 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 The10nmfiberisacontinuousstrongofnucleosomes 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 30nmfiber 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 30nmfiber 300nm b 体内存在状态 从DNA到染色体的过程 DNA 核小体 螺线管 超螺线管 染色单体 压缩7倍 压缩6倍 压缩40倍 压缩5倍 共计压缩8400倍 DNA 组蛋白 核小体 连接丝 核小体 连接丝 螺线管 solenoid 螺线管 超螺线管 super solenoid 超螺线管 染色体 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 Yeastcentromere 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 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 allDNAsequencesinacell 比如人基因组的全长为大约3 109对碱基 编码20500个基因 基因 Genes 编码某一蛋白质或RNA的一段DNA序列 astretchofcontinuousDNAsequenceencodingaproteinorRNA 基因组和基因 C值 C value 一种生物体的单倍体基因组DNA的总量 thequantityofDNAinthegenome perhaploidsetofchromosomes C值反常理论 C valueparadox 在真核生物中 每种生物的单倍体基因组的DNA总量是恒定的 C是每种生物的特征 不同生物之间差别很大 低等真核生物中与形态复杂程度相关 但高等真核生物中变化很大 从编码每类生物所需要的DNA的量的最低值看 生物细胞中的C值具有从低等生物到高等生物逐渐增加的趋势 植物鸟类哺乳动物爬行动物两栖动物硬骨鱼软骨鱼棘皮动物甲壳动物昆虫软体动物蠕虫霉菌藻类真菌格兰氏阳性菌格兰氏阴性菌支原体 阴影部分为一个门内C 值的范围 低等动物的C值大于高等动物如 两栖类的C值大于哺乳类肺鱼的C值比哺乳动物大10 15倍 同一门中的动物C值变化很大如 两栖类中的C值变化很大 可相差100倍家蝇的比果蝇的大6倍 C值矛盾 C valueparadox 基因组的大小与基因组的复杂性之间缺乏一定的联系 thelackofacorrelationbetweengenomesizeandgenomecomplexity 许多的DNA序列不编码蛋白质 表现 二 真核生物DNA的复性动力学 重新结合动力学Reassociationkinetics 基因组DNA的提取 超声处理或剪切到一定的长度 x100 1000bp 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C C0 1 1 kC0t 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 三 真核生物基因组的DNA类型 高度重复序列 中度重复序列单一序列 复性反应分为三相 每相代表不同复杂长度的序列类型 1 高度重复序列 Highlyrepetitivesequence 分布于着丝点 端粒区 原位杂交 结构基因两侧 往往没有转录功能 着丝粒纺锤体 占基因组的10 60 长度2 10bp 6 100bp 重复数以百万次106 许多富含A T高度重复序列可以用密度梯度离心法分离出来 应用CsCl密度梯度离心技术纯化质粒DNA分子 卫星DNA SatelliteDNA 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 MousegenomeDNA 30 GCinsatelliteDNA CsCl离心 ACAAACT 1 1x107拷贝 卫星 25 genomeATAAACT 3 6x106拷贝 卫星 8 genomeACAAATT 3 6x106拷贝 卫星 8 genomeSatellitescomprisemorethan40 ofthegenome 果蝇 Drosophila 卫星DNA 根据重复频率和重复单元大小又可分为卫星 小卫星和微卫星DNA 数目可变的串联重复或小卫星 Variablenumbertandemrepeats VNTR 短的串联重复5 50copies有共同的核心序列 同一群体中个体间重复次数变动很大 所以个体间长度变化很大 DNA长度多态性 可利用其得到DNA指纹图 DNAfingerprinting DNA指纹图的制作 DNA指纹图在法医上得到广泛应用 微卫星 Microsatellite 又称简单序列重复 simpleSequenceRepeat SSR 一般以1 6个碱基为核心序列存在于基因组的广泛区域 基因的间隔区 内含子 外显子 调控区不同物种 微卫星含量不同 真核生物平均50 150kb一个微卫星不同微卫星在不同物种中丰度不同 哺乳动物基因组 AC n最丰富 植物基因组 AT n最丰富真核生物基因组中 二核苷酸微卫星最丰富 三核苷酸微卫星比二核苷酸微卫星低10倍 四核苷酸微卫星更少作为DNA分子标记 构建遗传图谱 2 中度重复序列 middlerepetitivesequence 100 几千bp copy 10 104copies genome 占基因组的10 40 小鼠占20 果蝇中占15 分散在不重复序列之间 无编码功能的中度重复序列如 Alu家族 有编码功能的中度重复序列如 rDNAtDNAHistonegene a 以Alu序列为代表的不编码序列Alufamily 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7SLRNA的基因衍生来的7SLRNA 一种信号识别颗粒的组分 真核生物的Alufamily Transposon 300 000copies广泛分布于非重复序列间 Function b 有编码基因产物的中等重复序列rDNAtDNAHistonegenecluster往往以基因家族的形式组织 多为结构基因 蛋白质基因 3 单拷贝序列 singlecopysequence 1 3copies 大部分结构基因位于非重复的DNA序列内 四 基因簇与基因家族 Genecluster Genefamily 基因家族 Genefamily 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组蛋白基因家族 rRNA tRNA基因家族 往往以串联重复基因簇的形式出现 目前基因家族可分为三类 基因簇 genecluster 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 5SrRNA基因 成簇排列 102 103 104拷贝 3不转录的间隔区 15SrRNA 2假基因 重复单位间由中度重复序列隔开 简单多基因家族 5SrRNA基因家族 假基因 Pseudogenes 与正常基因结构相似 但没有正常功能的DNA序列 在基因组中可形成稳定的无活性的拷贝 无活性的原因 启动子错误 有缺陷的剪切信号 框架内有终止密码子 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 组蛋白基因 rRNA基因和tRNA往往以串联重复基因簇的形式出现 复杂多基因家族 各个成员并不都是相同的 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 a 组蛋白基因家族 Histonegenefamily 一个重复单位 基因簇genecluster 的组织情况 b rRNA基因家族 rDNAgenefamily 重复单位的组织 c tRNA基因 tRNA约长70 80bp 其基因约长140bp 内元 串联重复排列 但各重复单位内的各tRNA基因可以不同 人类珠蛋白基因家族 典型的 血红蛋白 珠蛋白 血红素 2 2不同的亚基由各自的基因编码 由发育阶段控制的多基因家族 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5 3 排列在编码链上 其中包括有功能的基因和假基因 Eachofthea likeandb likeglobingenefamiliesisorganizedintoasingleclusterthatincludesfunctionalgenesandpseudogenes 四 割裂基因 splittinggene 不连续基因 discontinuousgene 断裂基因 interruptedgene 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 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 7introns 8exons 鸡的卵清蛋白基因DNA与其mRNA杂交图 1978Gilbert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 aminoacidcodingregion 非间隔区 unspacer isanysegmentofaninterruptedgenethatisrepresentedinthematureRNAproduct 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 isasegmentofDNAthatistranscribed butremovedfromwithinthetranscriptbysplicingtogetherthesequences exons oneithersideofit DNA与成熟RNA间的非对应区域 氨基酸的非编码区 uncodingregion 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 SplittinggeneInterruptedgene 由于真核生物的绝大多数结构基因都含有内元 2 SplittingGene的普遍性 b 原核生物 Prokaryots 中 SV40大T抗原gene 小t抗原gene T4phage的胸苷合成酶gene 1017dNtintron Splittinggene并非真核生物所特有 酵母Maturase合成受Cyt bintronII的自动控制 maturase过剩 利用intronII编码成熟酶 maturase减少 提前剪切intronII 3 Splittinggene概念的相对性 a Intron并非 含而不露 Yeast细胞色素b基因IntronII编码成熟酶 c 并非真核生物所有的结构基因均为splittinggene 不是splittinggene b Exon并非 表里如一 人类尿激酶原基因ExonI不编码氨基酸序列 Histonegenefamily 干扰素 Yeast中多数基因 ADH 4 Splittinggene存在的生物学意义 内元的意义 a 有利于遗传的相