《有机体染色体》PPT课件

第三章有机体、染色体及基因,第一节原核生物与真核生物细胞,按照细胞的结构和遗传物质在细胞内的分布，可将生命有机体划分为原核生物和真核生物两大类。原核生物没有真正的细胞核，遗传物质存在于整个细胞之中，有时虽有相对集中的区域，但并无核膜围绕。真核生物的遗传物质集中在有核膜包围着的细胞核中，并与某些特殊的蛋白质相结合成为核蛋白以构成一种细密的结构，这种结构叫做染色体。,原核生物（Prokaryotes）,遗传物质类核或拟核习惯上也称为染色体,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,原核生物的遗传物质只以裸露的核酸分子存在，且与少量蛋白质结合，但不形成染色体结构。然而习惯上，原核生物的核酸分子也常被人们称为染色体。某些有机体，如噬菌体和病毒，既不是原核生物，也不是真核生物。它们是一种超分子的亚细胞生命形式，它们的繁殖必须在寄主体内进行，因而其遗传机制与其寄主密切相关，如噬菌体（即细菌病毒）适应了原核生物的遗传战略，而动物病毒和植物病毒则使用真核生物的遗传法则。,原核生物和真核生物的差别,原核基因组的特点:为一条环状双链DNA;只有一个复制起点;具有操纵子结构;绝大部分为单拷贝;基因一般是连续的,无内含子;重复序列很少。真核基因组的特点:真核生物基因组远大于原核生物基因组,结构复杂,基因数庞大,具有多个复制起点;,基因组DNA与蛋白质结合成染色体,储存于细胞核内;真核基因为单顺反子,而细菌和病毒的结构基因多为多顺反子;基因组中非编码区多于编码区;真核基因多为不连续的断裂基因,由外显子和内含子镶嵌而成;存在大量的重复序列;功能相关的基因构成各种基因家族;存在可移动的遗传因素;体细胞为双倍体,而精子和卵子为单倍体.,第二节基因组与C值,一个物种的单倍体的染色体的数目称为该物种的基因组(genome)。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)。如人基因组的全长为大约3109对碱基，编码3-4万个蛋白分子,一个单倍体基因组的DNA含量总是恒定的，是物种所特有的，称为C值(C-value)。C值是每种生物的一个特征,不同物种的C值差异极大，最小的枝原体（mycoplasma）只有104bp，而最大的如某些显花植物和两栖动物可达1011bp。,单倍体基因组DNA含量在低等真核生物,各种生物基因组大小比较(从原核生物到哺乳动物),不同物种的C值差异很大，随着生物的进化，生物体的结构与功能越复杂，其C值就越大。在结构、功能根相似的同一类生物中，甚至在亲缘关系十分接近的物种之间，它们的C值可以相差数10倍乃至上百倍。哺乳动物(包括人类)的C值均为109bp的数量级，人们很难相信两栖动物的结构和功能会比哺乳动物更复杂。C值矛盾：无法用已知的功能解释生物如此大的DNA量。,C值矛盾,与预期的编码蛋白质的基因的数量相比，基因组的DNA含量过多例：人类与E.coli编码基因数目的比较研究E.coli.4X106bpDAN约编码3000种基因人类3109的DNA，是大肠杆菌的700多倍有上百万个基因？,根据不同细胞中的mRNA数目来估算表达基因的方法，哺乳动物的每种表型的细胞表达的基因约为1104个这样整个哺乳动物的基因数目要多于每种细胞的表达数，估计应该有1105个（不同书上有一定偏差）约为大肠杆菌的30倍，那么90以上的DNA功能何在？,常见实验生物基因组的大小,基因组大小与遗传复杂性并非线性相关，称为C值矛盾(Paradox)：就哺乳动物而言，由于哺乳动物的基因含有所谓的“内含子”，因而基因可长达50008000bP，少数可达10000bp。即使按这样大小的基因进行推算，哺乳动物的基因组相当于400000600000个基因，这是可能的吗？,C值矛盾,基因数估计不会超过这个数字的10。通过DNA与RNA杂交试验，在特定类型的细胞中表达的基因数目大约是10000个，但各种细胞表达的基因不相同，估计要乘上一个系数（34）才能得到基因组的基因数目，有功能的基因数目为3000040000个。间接证据是通过对果蝇突变的研究:必需基因的总数大约为5000个，其平均基因大小为2000bP，总长度相当于107bp，刚好为基因组大小的10。即使考虑这些因素，基因所占基因组的比例也不会超过20。,2003年4月14日，美国联邦国家人类基因组研究项目负责人弗朗西斯柯林斯博士隆重宣布，人类基因组序列图绘制成功，人类基因组计划的所有目标全部实现。这样，由美、英、日、法、德和中国科学家经过13年努力共同绘制完成了人类基因组序列图，在人类揭示生命奥秘、认识自我的漫漫长路上又迈出了重要的一步。人类基因组“工作框架图”已于2000年6月完成，科学家发现人类基因数目约为3.4万至3.5万个，仅比果蝇多2万个，远小于原先10万个基因的估计。,持家基因（housekeepinggene）：有些基因是在所有的细胞类型中都表达的，即这些基因的功能为所有细胞所必需（或称组成型基因constitutivegene）奢侈基因（luxurygene）:仅在某种特定类型的细胞中表达的基因,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、其有性生殖的存在使得遗传学的研究成为可能,d、能够供应细菌病毒的生长，使病毒的本性即病毒扩增的深入研究成为可能,a、在实验室中容易操作,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11001400m，1400个基因都已定位,（1）染色体DNA对数生长期的E.coli（24个类核）丰富的基因组DNA,2、大肠杆菌的遗传物质,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）,在基因转录时协同动作,b、包括功能相关的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,质粒(Plasmid)：独立于染色体外的，能自主复制且稳定遗传的遗传因子。是一种环状的双链DNA分子。存在于细菌、放线菌、真菌以及一些动植物细胞中，在细菌细胞中最多。,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-C33.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的环节都要利用,二、噬菌体（phage）,1、X174噬菌体很小的E.coli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：a.11个蛋白质基因，只转录成三个mRNAb.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）,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对，如：A*和C，D和J,*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):,二、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,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,二、组蛋白（Histone）,与Euk.的DNA结合的一类碱性蛋白质,*染色体的主要蛋白质组分,*富含Lys、Arg等碱性氨基酸，11KD23KD,*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,146bp的核心DNA在组蛋白八聚体上盘绕1.8圈,Mononucleosomestypicallyhave200bpDNA.End-trimmingreducesthelengthofDNAfirstto165bp,andthengeneratescoreparticleswith146bp.,微球菌核酸酶处理所得核小体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,Compactionratio=8000,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-3c、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、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a、五个组蛋白基因(果蝇、海胆等的)b、rRNA、tRNA基因家族,往往以串联重复基因簇的形式出现,目前可分为三类：,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,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,a、组蛋白基因家族（Histonegenefamily）,一个重复单位(基因簇，genecluster)的组织情况,组蛋白基因表达特点：没有内元没有多聚A尾巴,真核生物基因特点,b、rRNA基因家族（rDNAgenefamily）,重复单位的组织,c、tRNA基因,tRNA约长7080bp，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,d、5SrRNA基因,简单多基因家族成簇排列,102104拷贝,3不转录的间隔区,15SrRNA,2假基因,重复单位间由高度重复序列隔开,假基因（Pseudogenes）：,与正常基因结构相似，但没有正常功能的DNA序列,e、由发育阶段控制的多基因家族,人类珠蛋白基因家族典型的2类基因簇：珠蛋白基因簇，珠蛋白基因簇,在基因组中可形成稳定的无活性的拷贝,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（16和11号染色体）,每个基因簇中的基因按其在发育过程中的表达次序从53排列在编码链上(其中包括有功能的基因和假基因),16号染色体上，包括一个活化的基因，一个假基因，2个基因，2个假基因和一个未知功能的基因，两个基因编码同样的蛋白质；-珠蛋白基因位于11号染色体上，包括5个有功能的基因（、2、和），还有一个假基因。,不同发育阶段血红蛋白的亚基组成,二、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,introns,exons,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int