基因工程PPT课件第二章染色体与DNA

第二章染色体与DNA 本章将介绍DNA的结构和从一代细胞到下一代细胞的传递 遗传及变异等过程 2020 4 19 1 第二章染色体与DNA 第一节染色体第二节DNA的结构第三节DNA的复制第四节原核生物和真核生物DNA复制特点第五节DNA的修复第六节DNA的转座 2020 4 19 2 第一节染色体 2020 4 19 3 由于亲代能够将自己的遗传物质DNA以染色体的形式传给子代 保持物种的稳定性和连续性 因此 人们普遍认为染色体在遗传上起着主要作用 人类22对染色体及性染色体 性染色体扫描电镜图 第一节染色体 2020 4 19 4 1 染色体概述 19世纪中叶 细胞生物学家在光学显微镜下 在细胞分裂时观察到存在于细胞核中的棒状可染色结构并将其命名为染色体 染色体包括DNA和蛋白质两部分 同一物种内每条染色体所带的DNA的量是一定的 但不同的染色体或不同物种之间变化很大 从上百万到几亿个核苷酸对不等 此外 组成染色体的蛋白质 组蛋白和非组蛋白 的种类和含量也是十分稳定的 第一节染色体 2020 4 19 5 1 染色体概述 染色体在细胞分裂间期表现为染色质 染色体与染色质是同一种物质的两种形态 伸展的染色质形态有利于在它上面的DNA储存的信息的表达 而高度螺旋化了的棒状染色体则有利于细胞分裂中遗传物质的平分 左图为人类染色体 在光镜下即可观察其形态 右图为电镜图片 可见不规则的染色质 第一节染色体 2020 4 19 6 1 染色体概述 原核细胞染色体 一般只有一条大染色体且大都带有单拷贝基因 除少数基因外 如rRNA基因 整个染色体DNA几乎全部由功能基因和调控序列所组成 几乎每个基因序列都与它所编码蛋白质序列呈线性对应关系 第一节染色体 2020 4 19 7 2 真核细胞染色体的组成 真核生物染色体中DNA相对分子质量一般大大超过原核生物 并结合有大量的蛋白质 结构非常复杂 其具体组成成分为 组蛋白 非组蛋白 DNA 在真核细胞染色体中 DNA与蛋白质完全融合在一起 其蛋白质与相应DNA的质量之比约为2 1 这些蛋白质在维持染色体结构中起着重要作用 第一节染色体 2020 4 19 8 2 1 组蛋白组蛋白是染色体的结构蛋白 其与DNA组成核小体 根据其凝胶电泳性质可将其分为H1 H2A H2B H3及H4 第一节染色体 2020 4 19 9 2 1 组蛋白组蛋白的特性 进化上极端保守性 其中H3 H4最保守 H1较不保守 无组织特异性 到目前为止 仅发现鸟类 鱼类及两栖类红细胞染色体不含H1而带有H5 精细胞染色体的组蛋白是鱼精蛋白 肽链上氨基酸分布的不对称性 碱性氨基酸集中分布在N端的半条链上 例如 N端的半条链上净电荷为 16 C端只有 3 大部分疏水基团都分布在C端 组蛋白的修饰作用 包括甲基化 乙基化 磷酸化及ADP核糖基化等 富含赖氨酸的组蛋白H5 H5赖氨酸含量高达24 第一节染色体 2020 4 19 10 2 2 非组蛋白染色体上除了存在大约与DNA等量的组蛋白以外 还存在大量的非组蛋白 非组蛋白的量大约是组蛋白的60 70 但它的种类却很多 约在20 100种之间 其中常见的有15 20种 非组蛋白的组织专一性和种属专一性 非组蛋白包括酶类 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 几类常见的非组蛋白 HMC蛋白 一般认为可能与DNA的超螺旋结构有关 DNA结合蛋白 可能是一些与DNA的复制与转录有关的酶或调解物质 A24非组蛋白 位于核小体内 功能不详 第一节染色体 2020 4 19 11 2 3 DNA真核细胞基因组最大的特点是好有大量的重复序列 而且功能DNA序列大多被不编码蛋白质的非功能DNA所隔开 这就是著名的 C值反常现象 C值 一种生物单倍体基因组DNA的总量 一般情况 真核生物C值是随着生物进化而增加 高等生物的C值一般大于低等生物 下页左图 进一步研究发现 某些两栖类C值大于哺乳动物 而且在两栖类中C值变化也很大 可相差100倍 下页右图 由此推断 许多DNA序列不编码蛋白质 是无生理功能的 根据对DNA的动力学研究 真核生物DNA序列大致可分为3类 不重复序列 中度重复序列 高度重复序列 2020 4 19 12 1 第一节染色体 2020 4 19 13 2 3 DNA不重复序列 在单倍体基因组里 这些序列一般只有一个或几个拷贝 它占DNA总量的40 80 不重复序列长约750 2000dp 相当于一个结构基因的长度 单拷贝基因通过基因扩增仍可合成大量的蛋白质 如蚕丝心蛋白基因 中度重复序列 这类重复序列的重复次数在10 104之间 占总DNA的10 40 各种rRNA tRNA及组蛋白基因等都属这一类 高度重复序列 卫星DNA 这类DNA只在真核生物中发现 占基因组的10 60 由6 100个碱基组成 在DNA链上串联重复几百万次 由于碱基的组成不同 在CsCl密度梯度离心中易与其他DNA分开 形成含量较大的主峰及高度重复序列小峰 后者又称卫星区带 峰 第一节染色体 2020 4 19 14 2 4 真核细胞染色体的结构真核细胞染色体的DNA如图所示 经过四级压缩 长度压缩将近10000倍 四级分别为 核小体螺线管超螺旋圆筒染色单体 第一节染色体 2 4 真核细胞染色体的结构核小体核小体是由H2A H2B H3 H4各两个分子生成的八聚体和由大约200bpDNA组成的 八聚体在中间 DNA分子盘绕在外 而H1则在核小体的外面 每个核小体只有一个H1 在核小体中DNA盘绕组蛋白八聚体核心 从而使分子收缩成1 7 200bpDNA的长度约为68nm 却被压缩在10nm的核小体中 核小体串联起来形成10nm纤维 2020 4 19 15 2020 4 19 16 第一节染色体 2 4 真核细胞染色体的结构螺线管螺线管是由10nm染色质细丝盘绕形成的螺旋管状细丝 表现为30nm纤维 螺线管每一螺旋包含6个核小体 压缩比为6 这种螺线管是分裂间期和分裂前期染色体的基本组分 2020 4 19 17 第一节染色体 2 4 真核细胞染色体的结构超螺旋圆筒有迹象表明 中期染色质是一细长 中空的圆筒 直径4000nm 由30nm的螺线管缠绕而成 压缩比为40 染色单体染色单体由超螺旋圆筒再压缩5倍而成 2020 4 19 18 第一节染色体 2020 4 19 19 3 原核生物基因组 原核生物基因组很小 大多只有一条染色体 且DNA含量少 如大肠杆菌DNA仅4 6Mb 完全伸展总长约为1 3mm 含4000多个基因 从基因组的结构来看 原核细胞DNA有如下特点 结构简练 非编码序列极少 这与真核细胞DNA冗余现象完全不同 存在转录单元 多顺反子mRNA 有重叠基因 同一段DNA含有两种不同蛋白质的信息 第二节DNA的结构 2020 4 19 20 第二节DNA的结构 第二节DNA的结构 2020 4 19 21 DNA作为遗传物质的主要优点 信息量大 可以缩微表面互补 电荷互补 双螺旋结构说明了精确复制机理核糖的2 脱氧 在水溶液中稳定性好可以突变 以求进化 突变对个体是不幸的 进化对群体是有利的 有T无U 基因组得以增大 而无C脱氨基成U带来的潜在危险 尿嘧啶DNA糖苷酶可以灵敏识别DNA中的U而随时将其剔除 第二节DNA的结构 2020 4 19 22 1 DNA的一级结构Watson和Crick于1953年提出了著名的DNA双螺旋模型 DNA又称脱氧核糖核酸 deoxyribonucleicacid DNA的一级结构即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 DNA有脱氧核苷酸聚合而成 碱基的不同决定了脱氧核苷酸的不同 第二节DNA的结构 2020 4 19 24 1 DNA的一级结构脱氧核苷酸由碱基 A T G C 脱氧核糖及磷酸基团组成 以下是脱氧核苷酸及碱基结构式 第二节DNA的结构 2020 4 19 25 1 DNA的一级结构脱氧核苷酸之间由3 5 磷酸二酯键连接成DNA链 两条链的碱基通过氢键实现AT GC配对 第二节DNA的结构 2020 4 19 26 1 DNA的一级结构DNA一级结构特点是 DNA分子由两条互相平行的脱氧核苷酸长链盘绕而成 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 它的组成有一定的规律 这就是嘌呤与嘧啶配对 A与T G与C配对 碱基之间的这种一一对应的关系叫碱基互补配对原则 由于碱基可以任何顺序排列 构成了DNA分子的多样性 第二节DNA的结构 2020 4 19 27 2 DNA的二级结构DNA二级结构是指两条多核苷酸链反相平行盘绕所生成的双螺旋盘绕结构 DNA有三种构想 A DNA B DNA Z DNA 其中AB为右手构象 Z为左手构想 B型为普遍存在的结构 A型 Z型可能具有不同的生物活性还存在其他构型 第二节DNA的结构 2020 4 19 28 2 DNA的二级结构B DNA特点 螺旋直径2nm链间有螺旋形凹槽 较小的为小沟 1 2nm 较大的为大沟 2 2nm 碱基间距0 34nm每轮碱基数10碱基平面与纵轴垂直 第二节DNA的结构 2020 4 19 29 3 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 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转变 如 第二节DNA的结构 2020 4 19 30 3 DNA的高级结构DNA的超螺旋结构形成的意义 使DNA形成高度致密状态从而得以装入核中 推动DNA结构的转化以满足功能上的需要 如负超螺旋分子所受张力会引起互补链分开导致局部变性 利于复制和转录 第三节DNA的复制 双链DNA的复制是一个非常复杂的过程 在复制的起始 延伸和终止三个阶段 需要多种酶和蛋白质的协同参与 2020 4 19 31 第三节DNA的复制 2020 4 19 32 1 DNA的半保留复制Watson和Crick在提出DNA双螺旋结构模型时即推测 DNA在复制时首先两条链之间的氢键断裂两条链分开 然后以每一条链分别做模板各自合成一条新的DNA链 这样新合成的子代DNA分子中一条链来自亲代DNA 另一条链是新合成的 这种复制方式为半保留复制 第三节DNA的复制 2020 4 19 33 1 DNA的半保留复制1958年 Meselson和Stahl研究了经15N标记3个世代的大肠杆菌DNA 首次证明了DNA半保留复制 第三节DNA的复制 2020 4 19 34 2 复制的起点 方向和速度复制时 双链DNA要解开成两股链进行 使复制起点呈叉状 被称为复制叉 复制子为生物体DNA的复制单位 第三节DNA的复制 2020 4 19 35 2 复制的起点 方向和速度复制时 复制叉从复制起点开始沿着DNA链连续移动 起始点可以启动单向复制或者双向复制 这取决于复制起点形成一个复制叉还是两个复制叉 如右图 第三节DNA的复制 2020 4 19 36 2 复制的起点 方向和速度DNA复制时 复制方向有5 向3 复制 前导链连续合成 后随链合成不连续 形成冈崎片段 如图 第三节DNA的复制 2020 4 19 37 2 复制的起点 方向和速度DNA复制 复制起点是固定的 表现为固定序列 并识别参与复制起始的特殊蛋白质 复制叉移动的方向和速度虽多种多样 但以双向等速为主 第三节DNA的复制 2020 4 19 38 3 复制的几种主要方式线性DNA双链复制如右图 环状DNA双链复制 型滚环型D 环型 2020 4 19 39 环状DNA复制 型滚环型D 环型 第四节原核 真核生物DNA复制特点 1 原核生物DNA复制的特点DNA双螺旋的解旋 首先在拓扑异构酶I的作用下解开负超螺旋 并由解链酶解开双链 接着由SSB蛋白来稳定解开的单链 以保证该局部结构不会恢复为双链 2020 4 19 40 DNA复制的引发 首先由引发酶 一种RNA聚合酶 在DNA模板上合成一段RNA链 接着由DNA聚合酶从RNA引物3 端合成新DNA链后随链的引发过程由引发体来完成 2020 4 19 41 冈崎片段与半不连续复制已知DNA聚合酶的合成方向都是5 3 这使得后随链无法连续合成 后随链以5 3 的方式先合成片段 冈崎片段 在连接为完整的链 2020 4 19 42 2020 4 19 43 复制的终止当复制叉前移 遇到约22个碱基的重复性终止序列 Ter 时 Ter Tus复合物能阻止DNA的解链 阻挡复制叉的前移 复制停止后 仍有50 100bp未被复制 将由修复方式填补空缺 而后两链解开 DNA聚合酶现已知大肠杆菌存在DNA聚合酶I II III IV和V DNA聚合酶I非主要聚合酶 可确保DNA合成的准确性 并可切除紫外线照射产生的嘧啶二聚体 DNA聚合酶II主要生理功能为修复DNA DNA聚合酶III为主导聚合酶 DNA聚合酶IV和V主要在SOS修复中起作用 2020 4 19 44 第四节原核 真核生物DNA复制特点 2 真核生物DNA复制的特点 真核生物每条染色体上可以有多个复制起点 真核生物DNA在完成复制前不能开始新的复制 而原核生物则可以连续开始新的DNA复制 一个复制单元多个复制叉 DNA复制只能在分裂期进行 复制起点为自主复制序列 ARS 复制叉移动速度慢 仅50bp s 不到大肠杆菌的1 20 真核生物DNA聚合酶有15种以上 其中DNA聚合酶 功能主要是引物合成 DNA聚合酶 主要负责DNA的复制 还存在其它一些酶 等 有修复损伤功能 2020 4 19 45 第四节原核 真核生物DNA复制特点 2 真核生物DNA复制的特点 真核生物DNA聚合酶 2020 4 19 46 第四节原核 真核生物DNA复制特点 3 DNA复制的调控 原核细胞内复制叉的多少决定了复制起始频率的高低 复制起始频率的直接调控因子是蛋白质和RNA 大肠杆菌染色体DNA复制起点编码复制调节蛋白质 复制起点与调节蛋白质相互作用并启动复制 ColE1质粒DNA的复制调控 其复制不依赖本身编码的蛋白质 而完全依靠宿主DNA聚合酶I 2020 4 19 47 第四节原核 真核生物DNA复制特点 3 DNA复制的调控 真核细胞DNA的复制调控 DNA复制只发生在分裂期 其有3个水平的调控 细胞生活周期水平的调控 也称限制点调控 即决定细胞停留在G1还是进入S期 染色体水平调控 决定不同染色体或同一染色体不同部位的复制子按一定顺序在S期进行复制 复制子水平调控 决定复制的起始与否 这宗调控从单细胞生物到高等生物是高度保守的 2020 4 19 48 第五节DNA的修复 由于染色体DNA在生命过程中占有至高无上的地位 DNA的复制的准确性以及DNA日常保养中的损伤修复就有着特别重要的意义 下表是大肠杆菌中的DNA修复系统 2020 4 19 49 一 突变的意义 一 突变是进化 分化的分子基础 二 突变导致基因型改变 三 突变导致死亡 四 突变是某些疾病的发病基础 二 引发突变的因素 一 物理因素 紫外线 ultraviolet UV 各种辐射 二 化学因素 三 突变的分子改变类型 一 错配 mismatch DNA分子上的碱基错配称点突变 pointmutation 1 转换 发生在同型碱基之间 即嘌呤代替另一嘌呤 或嘧啶代替另一嘧啶 2 颠换 发生在异型碱基之间 即嘌呤变嘧啶或嘧啶变嘌呤 镰形红细胞贫血病人Hb HbS 亚基 正常成人Hb HbA 亚基 二 缺失 deletion 插入 insertion 1 缺失 一个碱基或一段核苷酸链从DNA大分子上消失 2 插入 原来没有的一个碱基或一段核苷酸链插入到DNA大分子中间 3 缺失或插入都可导致框移 frame shift 突变 框移突变是指三联体密码的阅读方式改变 造成蛋白质氨基酸排列顺序发生改变 缺失引起框移突变 三 重组 recombination DNA分子内较大片段的交换 称为重组或重排 第五节DNA的修复 2020 4 19 58 2 DNA修复系统错配修复切除修复重组修复DNA直接修复SOS系统 2020 4 19 59 错配修复一旦在DNA复制过程中发生错配 通过该系统几乎能完全修正 该系统对DNA复制忠实性贡献很大 修复过程 识别错配 复合物的形成 甲基化及非甲基化链的切开 DNA外切酶切除含错配的部分DNA链 DNA聚合酶III合成新链 2020 4 19 60 切除修复切除修复分为两种 碱基切除修复形成去AP位点AP核酸内切酶切除受损片段DNA聚合酶I和DNA连接酶修复DNA链核苷酸切除修复DNA切割酶切割移去12 13个核苷酸 原核 或27 29个核苷酸 真核 的单链DNA 再由DNA聚合酶和DNA连接酶修复DNA链 2020 4 19 61 重组修复又被称为 复制后修复 修复的对象是子代DNA 损伤的DNA先进行复制 在子代DNA损伤互补的部位出现缺口 通过分子间重组 将另一个子代完好的片段移至缺口处 再填补重组产生的缺口 模板上的伤疤始终留着 只能随着重组修复次数 伤疤占的比例 Holliday中间体的拆分 1 2切割 3 4切割 DNA内切酶 DNA内切酶 DNA内切酶 DNA内切酶 产生含异源双链的亲本DNA分子 产生重组体 Holliday的异构化 产生重组体的拆分 Holliday结构一经生成即可不断地处于异构化 异源双链heteroduplexDNA 重组结果取决于拆分时配对链上的切口位置 亲本链 重组体 2020 4 19 66 DNA的直接修复直接修复是把损伤的碱基回复到原来状态的一种修复 如在DNA光解酶的作用下修复嘧啶二聚体 SOS反应SOS反应是细胞DNA受到损伤或复制系统受到抑制的经济状况下 细胞为求生存而产生的一种应急措施 SOS反应包括诱导DNA损伤的修复 诱变效应 细胞分裂的抑制等 SOS反应广泛存在于原核和真核生物中 可产生两方面的作用 DNA的修复 DNA的变异 第五节DNA的转座 DNA的转座 或称位移 是由可位移因子介导的遗传物质重排现象 转座子最先由BarbaraMcClintock于20世纪40年代在玉米遗传学研究时发现的 2020 4 19 67 1 转座子的分类和结构特征转座子 transposon Tn 是存在于染色体DNA上可自主复制和移位的基本单位 转座子存在于所有生物体内 人类基