2染色体与DNA

本章主要内容 1 染色体 2 DNA的结构 3 DNA的复制 4 原核生物和真核生 物DNA的复制特点 5 DNA的修复 6 DNA的转座 核酸种类和分布 脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸 deoxyribonucleic acid DNA 遗传信息的贮存和携带者 生物的主要遗传物质 真核细胞中 DNA主要集中在细胞核内 线粒体和叶 绿体中均有各自的DNA 原核细胞中 DNA存在于称为拟核 nucleoid 的结构区 每个原核细胞一般只有一个染色体 每个染色体含一 个双链环状DNA 核糖核酸核糖核酸 ribonucleic acid RNA 主要参与遗传信息的传递和表达过程 细胞内的RNA主要存在于细胞质中 少量存在于细胞 核中 病毒中RNA本身就是遗传信息的储存者如逆转 录病毒 retrovirus 在植物中还发现了一类比病毒还小得多的侵染性致病 因子称为类病毒 viroid 和拟病毒 virusoid or satellite RNA 有些RNA ribozyme 具生物催化作用 核酸种类和分布 无论DNA或RNA 都是由许许多多 个核苷酸连接而成的生物大分子 而每个核苷酸又由磷酸 核糖和碱 基3部分组成 碱基和核糖 脱氧核糖 通过糖苷键 连接形成核苷 脱氧核苷 核苷 脱氧核苷 和磷酸以磷酸酯键 连接形成核苷酸 脱氧核苷酸 2 1 染色体 染色体 遗传物质的主要载体 染色体在遗传上起着主要作用 因为亲代能够将自己的遗传物质 以染色体 chromosome 的形式 传给子代 保持了物种的稳定性 和连续性 染色体包括 DNA和蛋白质两 大部分 同一物种内每条染色体所带DNA 的量是一定的 但不同染色体或 不同物种之间变化很大 基因组与生物体的复杂性 基因组 Genome 生物有机体的单倍体 细胞中的所有DNA 包括核中的染色体 DNA和线粒体 叶绿体等亚细胞器中的 DNA 各类生物的最小基因数随其复杂度而增 加 染色体的特征 作为遗传物质 染色体具有如下特征 分子结构相对稳定 能够自我复制 使亲子代之间保持连续性 能够指导蛋白质的合成 从而控制整个生命过程 能够产生可遗传的变异 真核细胞染色体的组成 由核酸和蛋白质组成 DNA 蛋白质 染色体蛋白主要分为组蛋白和非组蛋白两类 RNA 尚未完成转录而仍与模板DNA相连接的 其含 量不到DNA的10 组蛋白 组蛋白是染色体的结构蛋白 有H1 H2A H2B H3及H4五种 与DNA共同组成核小体 组蛋白的特性 进化上的极端保守性 无组织特异性 肽链上氨基酸分布的不对称性 碱性氨基酸分布在N端 疏水基 团在C端 存在较普遍的修饰作用 甲基化 乙酰化 磷酸化等 富含赖氨酸的组蛋白H5 非组蛋白 非组蛋白约为组蛋白总量的60 70 可能有 20 100种 常见的有15 20种 主要包括酶类 RNA聚合酶 与细胞分裂有关的蛋白 也可能是染色质的结构部分 HMG蛋白 High mobility group protein 能与DNA结合但不牢固 也能与H1作用 可能与DNA的超螺旋结构有关 DNA结合蛋白 相对分子量较低 占非组蛋白的20 染色质的8 可能与DNA的复制 转录 修复和重组有关 A24非组蛋白 位于核小体内 功能不详 DNA 真核细胞基因组的最大特点是它含有大量的重复序列 而且 功能DNA序列大多被不编码蛋白质的非功能DNA所隔开 C值 C value 通常是指一种生物单倍体基因组DNA的总 量 在真核生物中 C值一般是随生物进化而增加的 高等生物的C 值一般大于低等生物 C值反常现象 C value paradox C值往往与种系进化的复杂程度不一致 某些低等生物却具有较 大的C值 真核细胞DNA序列可被分为3类 蛋白质编码区域只占人类基因组非常小的部分 人和黑猩猩的基因差别为1 来源于非编码 RNA 人和鼠的蛋白质编码基因99 是共同的 人个体间单倍体基因组的碱基差异300万个 其中1万个 0 3 出现在蛋白质编码基因中 且绝大多数存在于非编码RNA 人类基因组草图带给科学家们的困惑 含有30亿对碱基的人类基因 组仅含有2 3万个蛋白质基 因 是果蝇的两倍 啤酒酵 母的4倍 显而易见 生物 的复杂性不由编码蛋白质的 数目决定 人类基因组的蛋白质编码区 占总基因组长度为1 2 那么其他98 的基因组有什 么功能 在这98 的非蛋白质编码基 因组序列里 约24 为插入 编码序列的内含子序列 人 类基因平均每个基因有7个 内含子 这么冗长的内含子 序列有什么生物学功能 染色质和核小体 由DNA和组蛋白组成的染色质纤维细丝是许多核 小体连成的念珠状结构 实验证据 染色质DNA的Tm值比自由DNA高 说明在染色质 中DNA极可能与蛋白质分子相互作用 在染色质状态下 由DNA聚合酶和RNA聚合酶催 化的DNA复制和转录活性大大低于在自由DNA中 的反应 DNA酶I DNaseI 对染色质DNA的消化远远慢于 对纯DNA的作用 用小球菌核酸酶处理染色质以后进行电泳 便可 以得到一系列片段 这些被保留的DNA片段均为 200bp基本单位的倍数 电镜下看到的染色质结构电镜下看到的染色质结构 Nucleosome 核小体 是染色质的基本结构单位 由 200 bp DNA和组蛋白八聚体组成 核小体 200bp 染色质小体 166bp DNA连接区 常为32 34bp 八聚体 DNA 166bp H1 H32 H42 2 H2A H2B 146bp 20bp 核心颗粒 核小体 200bp 染色质小体 166bp DNA连接区 常为32 34bp 八聚体 DNA 166bp H1 H32 H42 2 H2A H2B 146bp 20bp 核心颗粒 四级结构 核小体 螺线管 超螺旋 染色体 真核生物基因组的结构特点 真核基因组庞大 一般都远大于原核生物的基因组 真核基因组存在大量的重复序列 真核基因组的大部分为非编码序列 90 是真核生物与细 菌和病毒之间最主要的区别 真核基因组的转录产物为单顺反子 真核基因是断裂基因 有内含子结构 真核基因组存在大量的顺式作用元件 启动子 增强子 沉默 子 真核基因组中存在大量的DNA多态性 单核苷酸多态性和串 连重复序列多态性 真核基因组具有端粒 telomere 结构 保护线性DNA的完整复 制 保护染色体末端和决定细胞的寿命等功能 2009年诺贝尔生理学或医 学奖授予美国科学家伊丽 莎白 布莱克本 卡萝 尔 格雷德和杰克 绍斯塔 克 以表彰他们 发现端粒 和端粒酶是如何保护染色 体的 原核生物基因组 原核生物的基因组很小 大 多只有一条染色体 且DNA 含量少 如大肠杆菌DNA的相对分子 质量仅为4 6 106bp 其完 全伸展总长约为1 3mm 含 4000多个基因 原核生物基因主要是单拷贝 基因 只有很少数基因 如 rRNA基因 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 大肠杆菌细胞中基因组大肠杆菌细胞中基因组 DNA的电镜显微照片 箭 头为环状质粒 的电镜显微照片 箭 头为环状质粒DNA 原核细胞DNA特点 结构简炼 原核DNA分子的绝大部分是用 来编码蛋白质的 只有很小一 部分控制基因表达的序列不转 录 这些不转录DNA序列通常是控 制基因表达的序列 存在转录单元 原核生物DNA序列中功能相关 的RNA和蛋白质基因 往往丛 集在基因组的一个或几个特定 部位 形成转录单元 并转录 产生含多个mRNA的分子 称为 多顺反子mRNA 有重叠基因 一些细菌和动物病毒存在重叠 基因 同一段DNA能携带两种 不同蛋白质的信息 2 2 DNA的结构 DNA的一级结构 指4种核苷酸的连接及其排列顺序 表示 了该DNA分子的化学构成 许多个脱氧核苷酸经3 5 磷酸二酯键聚合 而成为DNA链 DNA的二级结构 指两条多核苷酸链反向平行盘绕所生成的双螺旋结构 碱基互补配对原则 在DNA分子中 嘌呤永远与嘧啶配对 腺嘌呤 A 胸腺嘧啶 T 鸟嘌呤 G 胞嘧啶 C DNA double helix DNA双螺旋 结构 1953 Watson和Crick基于三个 方面的发现 提出了DNA双螺旋 模型 1 X 光衍射实验数据表明DNA是 一种规则螺旋结构 2 DNA密度测量说明这种螺旋结 构应有两条链 3 不论碱基数目多少 G的含量 总是与C一样 而A与T也是一样 的 DNA链的基本特点 DNA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 A B Z 型DNA三种结构比较 右手螺旋DNA B DNA A T丰富的DNA片段 A DNA 对基因表达有重要 意义 DNA RNA 处于转录状态 的DNA RNA RNA dsRNA 左手螺旋DNA Z DNA 它是右手螺旋结构模型的一 个补充和发展 B DNA是最常见的DNA构 象 A DNA和Z DNA可能具有 不同的生物活性 DNA的高级结构 DNA的高级结构是指DNA双螺旋进一步扭曲盘绕所形成 的特定空间结构 超螺旋结构是DNA高级结构的主要形式 可分为正正超螺旋 与负负超螺旋两大类 它们在特殊情况下可以相互转变 如 双螺旋DNA的松开导致负超螺旋 而拧紧则导 致正超螺旋 研究细菌质粒DNA时发现 天然状态下该DNA 以负超螺旋为主 稍被破坏即出现开环结构 两条链均断开则呈线性结构 在电场作用下 相同分子质量的超螺旋DNA迁 移率 线性DNA迁移率 开环的DNA迁移率 以 此可判断质粒结构是否被破坏 2 3 DNA的复制 DNA Replication 2 4 原核生物和真核生物DNA复制的特点 Key Terms 复制子 Replicon 复制叉 Replication fork DNA的半保留复制 Semi conservative replication DNA的半不连续复制 semi discontinuous replication 冈崎片断 Okazaki fragment DNA聚合酶 DNA polymerase DNA的复制 生命的遗传是染色体DNA自我复制 的结果 染色体DNA的自我复制主要是通过 半保留复制 Semi conservative 来 实现的 是一个以亲代DNA分子为 模板合成子代DNA链的过程 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 的半保留复制 DNA的半保留复制保证了 DNA在代谢上的稳定性 与 DNA的遗传功能相符合 DNA的半保留复制 semi conservative replication DNA在复制过程中 每条链分别作为模板合成新 链 产生互补的两条链 这样新形成的两个DNA 分子与原来DNA分子的碱基顺序完全一样 因 此 每个子代分子的一条链来自亲代DNA 另一 条链则是新合成的 这种复制方式被称为DNA的 半保留复制 复制叉与复制子 复制时 双链DNA要解开成两股链分别进行 所 以 复制起点呈叉子形式 被称为复制叉 Replication fork DNA的复制是由固定的起始点开始的 一般把生 物体的复制单位称为复制子 replicon 一个复制 子只含一个复制起点 细菌 病毒和线粒体的DNA分子都是作 为单个复制子完成复制的 真核生物基因组可以同时在多个复制起 点上进行复制 也就是说它们的基因组 包含有多个复制子 Bidirectional Replication 双向复制 无论是原核生物还是真核生物 DNA的复制主要是从固定 的起始点以双向等速复制方式进行的 复制叉以DNA分子上某一特定顺序为起点 向两个方向等 速生长前进 DNA Synthesis 由于DNA双螺旋的两条链是反向平行的 因此两个模板极 性不同 所有已知DNA聚合酶的合成方向都是5 3 为了解释DNA的等速复制现象 日本学者冈崎 Okazaki 等提出了DNA的半不连续复制模型 semi discontinuous replication DNA的半不连续复制 semi discontinuous replication 前导链的连续复制和滞后链的不连续复制在 生物界是有普遍性的 因而称之为DNA的半 不连续复制 冈崎片段Okazaki fragment DNA 复制的体系 亲代DNA分子为模板 四种脱氧三磷酸核苷 dNTP 为底物 提供3 OH末端的引物 多种酶及蛋白质 DNA拓扑异构酶 DNA解链酶 单链结合蛋白 引物酶 DNA聚合酶 RNA酶以及DNA连接酶等 DNA复制的基本过程 复制的起始 initiation DNA链的延伸 elongation 复制的终止 termination 1 DNA复制的起始 复制起始原点 DNA双螺旋的解旋 复制的引发 大肠杆菌 E coli 的OriC复制原点 大肠杆菌基因组的复制原点位于天冬酰胺合酶和ATP 合酶操纵子之间 全长245 bp 称为oriC 参与DNA复制起始和引发的蛋白质 DNA解旋酶 DNA helicase 催化DNA双链的解链过程 单链DNA结合蛋白 single strand DNA binding protein 以四聚体形式存在于复制叉处 只保持单链的存 在 并不能起解链作用 DNA拓扑异构酶 DNA topoisomerase 消除DNA双链的超螺旋堆积 引物酶 primase 合成一小段RNA引物 为DNA新链的合成提供 3 OH末端 由大肠杆菌oriC复制起始 点处引发的DNA复制过程 大约20个DnaA蛋白在ATP 的作用下与oriC处的4个9 bp保守序列相结合 在Hu蛋白和ATP的共同作用 下 DnaA复制起始复合物 使3个13 bp直接重复序列变 形 形成开链 DnaB 解链酶 六体分别 与单链DNA相结合 需要 DnaC的帮助 进一步解开 DNA双链 与引物结合 起始DNA复制 2 DNA链的延伸 DNA链的延伸需要的蛋白质 DNA聚合酶 滑动夹 Sliding DNA clamp RNA酶 RNaseH等 在复制完成后切除RNA引物 DNA连接酶 DNA ligase 通过生成3 5 磷酸二酯键连接两条 DNA链 3 复制的终止 当复制叉前移 遇到20bp重复性终止子序列 Ter 时 Ter Tus复合物能阻挡复制叉的继续前移 等到相反方向的复制 叉到达后在DNA拓扑异构酶IV的作用下使复制叉解体 释放 子链DNA 原核生物DNA的复制特点 细菌染色体的复制是作为一个单位从唯一的复制起点开 始 双向进行的 DNA聚合酶 大肠杆菌中主要有DNA聚合酶I II III IV和V DNA Polymerase I DNA聚合酶I coded by polA 不是复制大肠杆菌染色体的主 要聚合酶 它有3 5 核酸外切酶活性 保证了DNA复制的 准确性 它的5 3 核酸外切酶活性也可用来除去冈崎片段5 端RNA 引物 使冈崎片段间缺口消失 保证连接酶将片段连接起来 DNA Polymerase II DNA聚合酶II coded by polB 的活性很低 只有DNA聚合酶 I的5 所以也不是复制中主要的酶 生理功能主要是起修复DNA的作用 DNA Polymerase III DNA聚合酶III coded by polC 包含有7种不同的亚单位和9 个亚基 其生物活性形式为二聚体 Core enzyme holoenzymeDNA Polymerase III 它的聚合活性较强 为DNA聚合酶I的15倍 聚合酶II的300 倍 它能在引物的3 OH上以每分钟约5万个核苷酸的速率延长 新生的DNA链 是大肠杆菌DNA复制中链延长反应的主导聚 合酶 DNA聚合酶的共同点 DNA Polymerase IV V DNA聚合酶IV和V分别由dinB和umuD 2C基因编码 主要在SOS修复过程中发挥功能 都以dNTP为底物 都需要Mg2 激活 聚合时必须有模板链和具有3 OH末端的引物链 链的延伸都方向为5 3 真核生物DNA的复制 真核生物DNA的复制特点 有多处复制起始点 在全部完成复制之前 各个起始点上DNA的复制不能再开 始 DNA复制只在S期进行 复制子相对较小 为40 100千碱基对 真核生物DNA的复制子被称为ARS autonomously replicating sequences 长约150bp左右 包括数个复制 起始必需的保守区 真核生物DNA复制的起始需要起始点识别复合物 origin recognition complex ORC 参与 ORC结合于ARS 它是由6种蛋白质组成的启动复合物 真核生物DNA复制叉的移动速度大约只有50bp 秒 因 此 人类DNA中每隔30 000 300 000bp就有一个复制起 始位点 已发现的真核生物DNA聚合酶有15种以上 在哺乳动物细胞中主要有5种DNA聚合酶 分别称为DNA聚合酶 和 DNA聚合酶 主要参与引物合成 DNA聚合酶 活性水平稳定 主要在DNA损伤的修复中起作用 DNA聚合酶 在线粒体DNA的复制中发挥作用 DNA聚合酶 主要负责DNA的复制 DNA聚合酶 与后随链合成有关 在DNA合成过程中核苷切除 以及碱基的切除修复中起着重要的作用 真核生物中还存在 和 等几种DNA聚合酶 它们承 担着修复损伤的功能 但这些修复酶的忠实性都很低 复制的几种主要方式 环状DNA双链的复制 型 滚环型 rolling circle D 环型 D loop 大肠杆菌质粒DNA双向复制的模式 形复 制模式图 单向复制的特殊方 式 X174的双链 DNA复制型 RF 环状DNA可以通过滚环式复制产生多单元 单链DNA D loops 单向复制的特殊方式 首先在动物线粒体中被发现 一条短 RNA与一条DNA互补 取代了该区域 原来的互补的DNA链 使得两条链的 合成高度不对称 一条链上迅速合成出 互补链 另一条链则为游离的单环 2 5 DNA的修复 DNA Repair 补充 突变 The substitution mutation 替换突变 Deletion or Insertion 缺失或插入 frameshift 移码突变 2 5 DNA的修复 DNA Repair 由于染色体DNA在生命过程中占有至高无 上的地位 DNA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 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 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 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 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 2 6 DNA的转座 DNA Transposition DNA的转座 或称移位 transposition 是由可 移位因子 transposable element 介导的遗传物 质重排现象 转座子的发现 1951年 通过对玉米籽粒色斑不稳定遗传现象 B McClintock首次提出转座子的概念 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 可自主复制和位移的基本单位 包括以下三类 1 插入序列 insertionalsequence IS 2 复合式转座子 composite transposon 3 TnA家族 插入序列 insertionalsequence IS 1 最简单的转座子 不含 有任何宿主基因 2 是很小的DNA片段 约 1kb 末端具有倒置重复 序列 3 转座时常复制宿主靶位 点4 15bp的DNA形成正 向重复区 4 大部分IS序列只有一个 开放读码框 5 是细菌染色体或质粒 DNA的正常组成部分 复合式转座子 composite transposon 1 是一类带有某些抗药性基因 或其他宿主基因 的转座子 2 两翼往往是两个相同或高度 同源