第四章 原核与真核生物的染色体结构(新)ppt课件

1复习2发展概要3原核生物的染色体结构4染色体组成5真核生物的染色体结构6遗传信息流 第四章原核与真核生物的染色体结构 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 复习DNA的二级结构 Watson Crick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 复习DNA一级结构的测定 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 复习RNA的结构与功能 MicroRNA miRNA 是一类由内源基因编码的长度约20 24个核苷酸的非编码单链RNA分子 它们在动植物中参与转录后基因表达调控 到目前为止 在动植物以及病毒中已经发现有28645个miRNA分子 Release21 June2014 大多数miRNA基因以单拷贝 多拷贝或基因簇 cluster 的形式存在于基因组中 LagosQuintanaetal 2001 Lauetal 2001 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 染色体结构发展概要 1848年 Hofmeister从鸭跖草的小孢子母细胞中发现染色体 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 1888年 Waldeyer正式定名为Chromosome 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 概述 染色体结构发展概要 染色质出现于间期 呈丝状 它们在核内的螺旋程度不一 螺旋紧密的部分 染色较深 有的螺旋松疏染色较浅 染色质在光镜下呈现颗粒状 不均匀地分布于细胞核中 分裂期染色质高度螺旋化形成较粗的柱状和杆状等不同的形状 成为染色体 不同生物的染色体数目 形态不同 具有种的特异性 而且比较恒定 原核生物的染色体结构 1 细菌的基因组 染色体 通常仅由一条环状双链DNA分子组成 细菌的染色体相对聚集在一起 形成一个较为致密的区域 称为类核 nucleoid 类核的中央部分由RNA和支架蛋白组成 外围是双链闭环的DNA超螺旋 染色体DNA通常与细胞膜相连 连接点的数量随细菌生长状况和不同的生活周期而异 在DNA链上与DNA复制 转录有关的信号区域与细胞膜优先结合 如大肠杆菌染色体DNA的复制起点 OriC 复制终点 TerC 等 一 原核生物染色体特点 原核生物的染色体结构 2 具有操纵子结构 有关操纵子结构详见基因表达的调控一章 其中的结构基因为多顺反子 即数个功能相关的结构基因串联在一起 受同一个调节区的调节 3 在大多数情况下 结构基因在细菌染色体基因组中都是单拷贝 但是编码rRNA的基因往往是多拷贝的 这样可能有利于核糖体的快速组装 便于在急需蛋白质合成时细胞可以在短时间内有大量核糖体生成 原核生物的染色体结构 4 和病毒的基因组相似 不编码的DNA部份所占比例比真核细胞基因组少得多 5 和病毒基因组不同的是 在细菌基因组中编码顺序一般不会重叠 即不会出现基因重叠现象 6 在DNA分子中具有各种功能的识别区域 如复制起始区OriC 复制终止区TerC 转录启动区和终止区等 这些区域往往具有特殊的顺序 7 在基因或操纵子的终末往往具有特殊的终止顺序 它引发转录终止以及RNA聚合酶从DNA链上脱落 原核生物的染色体结构 二 原核生物染色体结构 1 大肠杆菌染色体 染色体长4 6Mb 为单一闭环DNA分子 存在于拟核 该区域DNA浓度高 且含有多种DNA结合蛋白 2 DNA结构域 大肠杆菌基因组由50 100个环组成 环的末端被细胞膜相关蛋白固定 p 38 D1 DNA结构域 原核生物的染色体结构 3 基因组超螺旋大肠杆菌染色体单个环具有独立的超螺旋形式 总体上整个染色体是负超螺旋 4 DNA结合蛋白 染色体与大量DNA结合蛋白相互作用来稳定结构 1 HU蛋白是一种分子量较小的碱性蛋白质 与DNA非特异的结合 2 H NS蛋白也与DNA非特异的结合 更倾向与DNA内部弯曲区域结合 3 RNA聚合酶 mRNA分子和位点专一性DNA结合蛋白对DNA结构域都很重要 染色体组成 一 染色体的化学组成 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 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 1 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 5 个家族 H2A H2B H3和H4 以及另一类具有特定功能的H1 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 染色体组成 染色体组成 H2A H2B H3和H4是相对较小的蛋白质 分子量一般为10 20KDa 组蛋白H1的分子量约为23KDa 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 这种静电引力是稳定染色质最主要的因素 进化上的极端保守性 牛 猪 大鼠的H4氨基酸序列完全相同 牛的H4序列与豌豆序列相比只有2个氨基酸的差异 H3的保守性也很大 鲤鱼与小牛胸腺的H3只1一个氨基酸 小牛胸腺与豌豆H3只差4个氨基酸 染色体组成 无组织特异性 组蛋白的修饰作用组蛋白的修饰作用包括甲基化 乙酰化 磷酸化及ADP核糖基化等 p 47 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 H1 H1分子在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 富含赖氨酸的组蛋白H5 组蛋白H5含24 的赖氨酸 与磷酸化在染色质失活过程中起重要作用 染色体组成 染色体组成 2 非组蛋白染色体上与特异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 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 不像组蛋白只在DNA合成期 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 染色体组成 3 RNARNA可能在DNA分子进行折叠或螺旋过程中起作用 如DNAloop的形成 非组蛋白的功能是 帮助DNA分子折叠 以形成不同的结构 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 ARS序列 autonomousreplicatingsequence 即自主复制序列 又称复制起点序列 replicationoriginsequence 该序列是染色体正常起始复制所必需的 所有的ARS的DNA均有一段保守序列 200bp A T TTTAT C A G TTTA T 200bp 上下游各200个bp左右的序列是维持ARS功能所必需的 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 4 染色体DNA的基本元素 染色体组成 端粒序列 telomereDNAsequence TEL 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 一般由长5 10bp的重复单位串联而成 人的重复序列为GGGTTA 荧光原位杂交显示的着丝粒卫星DNA 染色体DNA的基本元素 染色体组成 5 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 单一序列DNA 复性最慢的DNA组分就是单一序列DNA 一般由单一拷贝基因 或重复仅数次的基因组成 E coli的DNA基本上都是单一序列 染色体组成 中度重复序列 串联基因簇 基因组中串联重复数百次的某些基因或基因簇区域构成中度重复DNA区段 如rRNA基因和组蛋白基因簇 分散重复DNA 中度重复DNA中的大部分由数百碱基对 SINES 即短散布元件 或1000 5000碱基对 LINES 即长散布元件 的DNA序列构成 每个序列重复105多次 并分散于整个基因组中 在人类基因组中最突出的例子就是Alu和L1元件 染色体组成 高度重复序列 卫星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 DNA指纹图谱 DNAfingerprint 1984年英国莱斯特大学的遗传学家Jefferys及其合作者首次将分离的人源小卫星DNA用作基因探针 同人体核DNA的酶切片段杂交 获得了由多个位点上的等位基因组成的长度不等的杂交带图纹 这种图纹极少有两个人完全相同 故称为 DNA指纹 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 染色体组成 染色体组成 二 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4cm 核内全部DNA连结起来约1 7 2 0m 而细胞核直径为6 7um 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 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 以这个实验为基础 R Kornberg建立了核小体模型 染色体组成 1 核小体是一种串珠状结构 由核心颗粒和连结区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 组蛋白核心由H2A H2B H3 H4各两分子形成八聚体 DNA分子以左手螺旋缠绕在组蛋白核心表面 每圈80bp 共1 75圈 约146bp 形成核心颗粒 核心颗粒两端被H1锁合 相邻核心颗粒之间为一段约55bp的连接DNA 染色体组成 核小体结构 通过核小体 DNA长度压缩了6倍 形成直径为11nm的纤维 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 染色体组成 染色体组成 30nm和11nm染色质纤维 染色体组成 2 更高级染色体包装方式 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 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 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 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 异染色质 核内深染部分 和常染色质 核内浅染部分 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 真核生物的染色体结构 在哺乳动物细胞内如有两个X染色体 通常为雌性 则其中的一个染色体常表现为异染色质 右图 称巴氏小体 barrbody 人的胚胎发育到16天以后 一条X染色体转变为巴氏小体 呈块状紧靠核膜 染色反应表现为深染 因此通过检查羊水中胚胎细胞的巴氏小体可预测胎儿的性别 白细胞中的巴氏小体 鼓槌状结构 真核生物的染色体结构 常染色质 常染色质