染色质与基因组

1、一、细菌的转化 n1944年Avery等，将加热杀死的S型细 菌滤过液分离纯化，提取了多糖、脂类、 RNA、蛋白质、DNA等物质。 n结果发现起转化作用的为DNA，首次证 明了遗传信息是由核酸传递的。 二、噬菌体的侵染 T2噬菌体由蛋白 质和DNA组成， 蛋白质含有S而 不含P，而DNA 则反之。 三、感染性的RNA 三、感染性的RNA (a)(a) Electron micrograph of tobacco Electron micrograph of tobacco mosaic virus. Magnification mosaic virus. Magnification 37,42

2、8. 37,428. (b)(b) Reconstitution experiment of Reconstitution experiment of Fraenkel-Conrat and Singer. The Fraenkel-Conrat and Singer. The nucleic acid (RNA), not the nucleic acid (RNA), not the protein component of the virus, protein component of the virus, controls inheritance.controls inheritanc

3、e. 四、DNA是遗传物质的旁证 n1、细胞核中DNA的含量恒定性 n2、细胞核中DNA在各个时期质的恒定性 n3、配子中DNA含量一般是体细胞中DNA 含量的一半，蛋白质和其他物质则否。 n4、紫外线诱变作用与DNA的关系 第二节核酸的结构 n从遗传现象来看，作为遗传物质应满足 的条件： n（1）自我复制的能力 n（2）相对的稳定性 n（3）多样性 n（4）可变性 第二节核酸的结构 n一、DNA和RNA的化学组成 n二、DNA的结构 n三、RNA的结构 一、DNA和RNA的化学组成 核苷酸核苷酸 碱基碱基 戊核榶戊核榶 磷酸磷酸 T A C G U DNA中中 RNA中中 脱氧核糖（脱氧核糖

4、（DNA中）中） 核糖（核糖（RNA中）中） 二、DNA的结构 n1、DNA的一级结构 n2、DNA的二级结构 n3、DNA的高级结构 1、DNA的一级结构 DNA的一级结构： 是指DNA分子中4种核苷酸的连接方式和排列顺序。绝大 部分生物的DNA分子都由两条单链构成，通常以线性和环状 的形式存在。 Chargaff当量定律： 1943年，英国的Chargaff发现虽然不同的DNA其碱基组成 显著不同，但A和T，G和C的摩尔含量总是相等的，即 A=T、G=C，因此，嘌呤的总含量和嘧啶的总含量是 相等的，即A+G=C+T。 1、DNA的 一级结构 Rosalind E. FranklinRosa

5、lind E. Franklin (19201958) James D. WatsonJames D. Watson (1928(1928 ) ) (Cold Spring Harbor Laboratory Research Library Archives. Margot Bennet, photographer.) Francis CrickFrancis Crick (1916(19162004) 2004) (Reproduced by permission of Herb Weitman, Washington University, St. Louis, Missouri.) 2

6、、DNA的二级结构 2、DNA的二级结构 Double helical structure of DNA.Double helical structure of DNA. (a) DNA magnified twenty-five million times by scanning tunneling microscopy. (b) Component parts. (c) Line drawing. (a . John D. Baldeschweiler.) 2、DNA的二级结构 nDNA分子是同两条多核苷酸链构成的， 两条链围绕着同一轴盘绕，形成一个反 向平行的双螺旋结构，两条链由碱基对

7、之间的氢键互补连接在一起。 n双螺旋结构使DNA分子有相对的稳定性， 两条链的反向极性和互补性提供了DNA 分子自我复制的条件，无尽的核苷酸排 列序列规定了DNA的多样性。 3、DNA的高级结构 n是指DNA双螺旋进一步扭曲盘旋所形成 的特定空间结构。 n超螺旋结构是DNA高级结构的主要形式， 分为负超螺旋和正超螺旋两种。 三、RNA的结构 n1、信使RNA（mRNA） n2、核糖体RNA（rRNA） n3、转移RNA （tRNA） 1、信使RNA（mRNA） n是蛋白质结构基因转录的单链RNA，作为蛋白质合成 的模板，载有各种蛋白质中氨基酸序列的信息，在蛋 白质生物合成中起着传递信息的作用。

8、 n原核生物和真核生物原核生物和真核生物mRNA的结构差别：的结构差别： 在原核生物中，通常是几种不同的mRNA连在一起， 相互之间由一段短的不编码蛋白质的间隔序列所分开， 这种mRNA称这为多顺反子mRNA； 在真核生物中，mRNA则为一条RNA多聚链。 1、信使RNA（mRNA） n真核生物mRNA具有一些共同的结构特征， 如：5端有一个特殊的帽子结构，即7- 甲基鸟苷；3末端具有多聚腺嘌呤尾巴 （长约200nts)。 nmRNA约占细胞内RNA总量的5%10%， 其寿命通常不很长，易被RNA酶降解。 2、核糖体RNA（rRNA） n核糖体是蛋白质合成装配的场所，它由 rRNA和蛋白质组成

9、。 nrRNA约占细胞中RNA总量的75%80%。 3、转移RNA （tRNA ） n是一类小分子量的RNA，每条tRNA含有 7090nt。tRNA在翻译过程中起着转运 各种氨基酸至核糖体，按照mRNA的密码 顺序合成蛋白质的作用。 n每个细胞中至少有50种tRNA，约占细胞 内RNA总量的10%15%。 A computer model of the serine transfer RNA. Theamino acid binding site is yellow; yellow; the anticodonis red.red. (. Ken Eward/SPL/Photo Resear

10、chers.) Specificity of the genetic code manifests itselfin the transfer RNA, in which aparticular anticodon is associated with a particular amino acid. In this case, glutamicacid is attached to its proper transfer RNA, which has the anticodon CUU. 第三节基因的结构特征 n一、基因的概念发展 n二、基因的一般结构特征 一、基因概念的发展 1909年 “

11、基因” 1865年 “遗传因 子” 1910年 “定位于 染色体上” 1944年“转化实 验” 1952年“T2噬菌体侵染实 验” 1926年 基因论 基因的化学 本质是DNA 1908年 “苯丙酮尿 症” 1941年“一 个基因一种酶” 顺反子学说：“一个基因一条多肽链” 1961年“操 纵子”学说 1951年“转 座子”的概念 1967年 “插入序列” 1977年 “断裂基 因” 1978年 内含子与外 显子、重叠 基因 二、基因的一般结构特征 n（一）外显子与内含子 n（二）信号肽序列 n（三）侧翼序列和调控序列 真核生物基因的一般结构示意图 GC盒 AGGA或CAAT盒 内含子 加帽位

12、点 5m2GpppNp 5非编码 区 起始密码子起始密码子 信号肽序列 内含子边界5GT 外显子 终止密码子终止密码子 加poly(A) 信号 3非编码 区 内含子边界3AG TATA盒 （一）外显子与内含子 n真核生物结构基因是断裂基因，一般由 若干个外显子和内含子组成。 n内含子在原始转录产物的加工过程中被 切除，不包含在成熟mRNA的序列中。 nGT-AG法则： 在每个外显子和内含子的接头区，有一段高度保守 的共有序列，即每个内含子的5端起始的2nts都是GT， 3末端的2nts都是AG。 图示图示 （二）信号肽序列 n在分泌蛋白基因的编码序列中，在起始 密码子之后，有一段编码富含疏水氨

13、基 酸多肽的序列，称为信号肽序列，它所 编码的信号肽行使着运输蛋白质的功能。 n信号肽序列在完成分泌过程后将被切除， 不留在新生的多肽链中。 图示图示 （三）侧翼序列和调控序列 n每个结构因子在第一个和最后一个外显 子的外侧，都有一段不被转录和翻译的 非编区，称为侧翼序列 n其中从转录起始位点至起始密码子称为 5非翻译区，从终止密码子至转录终止 子称为3非翻译区。 图示图示 n侧翼序列虽不被转录和翻译，但它常常 含有影响基因表达的DNA序列。对基因 的有效表达起着调控作用的特殊序列被 统称为调控序列. n包括启动子、增强子、沉默子、终止子、 核糖体结合位点、加帽和加尾信号等。 （三）侧翼序列和

14、调控序列 n1、启动子 n2、增强子和沉默子 n3、终止子 n4、加尾信号 n5、核糖体结合位点 图示图示 1、启动子 n是指准确而有效地启始基因转录所需的 一段特异的核苷酸序列。 n转录起始位点转录起始位点(+1位)下游区域为正区， 上游区域为负区。 n启动子通常位于转录起始位点上游 100bp(-100bp)内，是RNA聚合酶识别和 结合的位点。 图示图示 2、增强子和沉默子 n增强子也是一种基因调控序列，它可使启动子发 动转录的能力大大增强，从而显著地提高基因转 录的效率。 n增强子的作用与它所处的位置、方向及与基因的 距离无关。具有组织特异性和细胞特异性。 n沉默子：通过与有关的蛋白质

15、结合，对转录起阻 抑作用，根据需要关闭某些基因的转录，可以远 距离作用于启动子。其对基因的阻遏作用没有方 向的限制。 3、终止子 n是一段位于基因3端非翻译区（UTL） 中与终止转录过程有关的序列，由一段 富含GC的颠倒重复序列以及寡聚T组成， 是RNA酶停止工作的信号。 图示图示 4、加尾信号 n真核生物mRNA的3Poly(A)尾巴不是由 基因编码，是在转录后通过多聚腺苷酸 聚合酶作用加上的。此过程受3UTL中 加尾信号的控制。 图示图示 5、核糖体结合位点 nSD序列（shine-dalgarno sequence)： n在原核生物基因翻译起始位点周围有一组 特殊的序列，控制着基因的翻译

16、过程，SD 是其中主要的一种。 三、真核生物基因组的特点 n（一）基因组和C值 n（二）单一序列 n（三）重复序列 n（四）基因家族和假基因 （一）基因组和C值 n1、基因组、基因组 n狭义：单倍体细胞中的全套染色体（人：狭义：单倍体细胞中的全套染色体（人： 22条常染色体条常染色体+X，Y+线粒体线粒体DNA） n广义：一物种的全部遗传物质及其携带广义：一物种的全部遗传物质及其携带 的遗传信息。的遗传信息。 n详细内容参见第八章详细内容参见第八章 基因组学基因组学 2、C值与C值矛盾 nC值（C value）： n每一种生物中的单倍体基因组的DNA总 量是特异的，称这为C值。 n一般来说，C

17、值与生物结构、功能复杂程 度相关，即表现在基因数目和基因产物 的种类上。 不同生物基因组的C值 注：基因组的长度由公式10bp=3.4nm计算出 基因组DNA含量 与物种形态复杂性并不对应 n值矛盾 一些主要模式生物基因的数目 （二）单一序列 nUnique Sequence n又称非重复序列（nonrepetitive sequence） n是指在基因组中只有一个或几个拷贝的 DNA序列。 n原核生物除了短片段的反向重复序列以及 16S、23S、5SrRNA和tRNA基因外，皆为单 一序列。 n真核生物单一序列所占的比例为40%70% （三）重复序列 n不是所有的单一序列都是编码多肽链的 结

18、构基因。 n真核生物基因组中编码多肽链的单一序列仅 占有百分之几，绝大部分为基因之间非编码 的间隔序列。 n真核基因组中大多数结构基因是单一序列 （四）基因家族和假基因 n1、基因家族Gene family n真核生物基因组中有许多来源相同、结构相似、 功能相关的基因，这样的一级基因称为一个基 因家族。 n基因簇Gene cluster：基因家族的基因成员紧 密连锁，成簇状集中排列在同一条染色体的某 一区域。 n如：高等真核生物的28S、18S和5.8S rRNA； tRNA基因；珠蛋白基因家族 2、假基因 n在多基因家族中，某些成员并不产生有 功能的基因产物，但在结构和DNA序列 上与相应的

19、活性基因具有相似性，这类 基因称为假基因(pseudogene)。 n假基因与有功能的基因有同源性，起初 可能是有功能的基因，但由于缺失、倒 位或突变等原因使该基因失去活性成为 无功能基因。 第四节 染色质与染色体 n一、染色质的化学组成 n二、染色质的类型 n三、染色质包装的结构模型 n四、染色体的形态、结构和数目 n五、核型分析与染色体显带 一、染色质的化学组成 n染色质由DNA、组蛋白、非组蛋白及少 量RNA组成。 nDNA与组蛋白是染色质的稳定成分。 组蛋白(histone) n是富含带正电荷的Lys和Arg的碱性蛋白 质。组蛋白通过带正电荷的氨基(N)末端 区域与带负电荷的DNA骨架

20、链相互作用。 n组蛋白有5种：H1；H2A、H2B、H3、H4 n在功能上分为核心组蛋白(core histone) 和H1组蛋白两组。 Histone Sequence Database nNon-Redundant Protein Sequence Set nH1/H5 nH2A nH2B nH3 nH4 /histones/ Last modified: Thursday, 31-Mar-2005 11:24:32 EST Human Histone Gene Complement 核心组蛋白(core histone) n包括H2A、

21、H2B、H3、H4组蛋白。 n这4种组蛋白有通过羧基(c)端的疏水氨基酸相互作用形 成聚合体的趋势，而N端带正电荷的氨基酸则向四面伸 出，以便与DNA分子结合，从而帮助DNA卷曲形成核 小体的稳定结构。 n这4种组蛋白没有种属及组织特异性，在 进化上高度保守。 core histone and nucleosome Post-translational modifications nThe color code for modified residues is as follows: nNavy blue backgroundMethylation nYellow backgroundAcet

22、ylation nRed backgroundAmidation nPale blue-green backgroundUbiquitination nPurple backgroundPhosphorylation nYellow background with black outline Phosphorylation and acetylation nWhite-on-blackMethylation and acetylation H1 H2A, N-terminal H2A, C-terminal H2B H3 H4 H1组蛋白 nH1组蛋白中的氨基酸分布与核心组蛋白相反，其碱性 区

23、域不在氨基区域，而在羧基区域，它与DNA的结合 很强烈。 nH1组蛋白主要是与非组蛋白相结合并与 核心组蛋白相互作用，导致染色质的超 螺旋化，产生高级结构。 nH1组蛋白具有一定的种属和组织特异性， 在连接核小体并维持染色质的高级结构 方面有重要作用。 H1 histone and nucleosome 非组蛋白(nonhistone) n主要是指染色体上与特异DNA序列相结 合的蛋白质，所以又称序列特异性DNA 结合蛋白。 n主要包括： 与DNA和组蛋白的代谢、复制、重组、转录调控等密 切相关的各种酶类；形成染色质高级结构的支架 蛋白；具有基因调控作用的高迁移率蛋白(HMG protein)

24、。此外，还有一类可促进DNA包装进精子头部 的鱼精蛋白。 非组蛋白(nonhistone) n非组蛋白的特性： n多样性与组织特异性 n与DNA结合的特异性 n功能多样性 二、染色质的类型 n根据形态特性和染色性能可分为： n常染色质(euchromatin) n异染色质(heterochromatin) 常染色质 n是指在间期细胞核内，对碱性染料着色 浅、染色质纤维折叠压缩程度低、处于 较为伸展状态的染色质，多存在于核质 中。 n构成常染色质的DNA主要是单一序列 DNA和中度重复序列DNA。 异染色质 n是指在间期细胞核内，对碱性染料着色 深、染色质纤维折叠压缩程度高、处于 聚缩状态的染色

25、质，常以高度有序的结 构形式存在于细胞核周边部位。 n异染色质又分为： 结构异染色质(constructive heterochromatin) 兼性异染色质(facultative heterochromatin) 结构异染色质(constructive heterochromatin) n是指在整个细胞周期中，除复制以外，均 处于聚缩状态，DNA包装在整个细胞周期 中基本没有较大变化的异染色质。 n具有如下特征： 在中期染色体上多定位于着丝粒、端粒、次缢痕及染 色体臂内某些节段；主要由相对简单、高度重复的DNA 序列构成；具有显著的遗传惰性，不转录也不编码蛋白 质；在复制行为上比常染色质复

26、制晚、聚缩早；占有 较大部分核DNA，在功能上参与染色质高级结构的形成， 作为核DNA的转座元件，可引起遗传变异。 兼性异染色质(facultative heterochromatin) n是指在某些细胞类型或一定的发育阶段， 由原来的常染色质聚缩，并丧失基因转 录活性而变为异染色质的染色质。 n兼性异染色质的总量常随不同细胞类型 而变化，染色质通过紧密折叠压缩可能 是关闭基因活性的一种途径。 Barr body in epidermal spinous cell layer nuclear appendage in white blood cells Left:Barr body (arro

27、ws) in the epidermal spinous cell layer Right:Nuclear appendage (drumstick) identified by arrow in white blood cells. (Reproduced,with permission,from Grumbach MM,Barr ML:Cytologic tests of chromosomal sex in relation to sex anomalies in man. Recent Prog Horm Res 1958:14:255.) Stained sex chromatin

28、in the nuclei of human cells showing the female-indicative Barr body (bright spot) and the male-indicative Y body (bright spot) 三、染色质包装的结构模型 n一、染色质的基本结构单位核小体 n二、染色质的高级结构 螺线管 核小体与串珠结构 DNAChromosome Packing 染色质结构的基本单位染色质结构的基本单位核小体核小体 n由核心颗粒和连接区构成；由核心颗粒和连接区构成； n核心颗粒包括由核心颗粒包括由8 8个组蛋白分子（个组蛋白分子（H2AH2A， H2

29、BH2B，H3H3，H4H4各两个）构成的组蛋白核心各两个）构成的组蛋白核心 和包绕在核心表面的和包绕在核心表面的DNADNA分子；分子； n包绕在组蛋白核心表面的包绕在组蛋白核心表面的DNADNA长长140bp140bp， 环绕环绕1 1圈；圈； n连接区由连接区由DNADNA分子和分子和H1H1组蛋白分子构成，组蛋白分子构成， 长度不定；长度不定； 染色质和染色体的多级结构染色质和染色体的多级结构 n由连接区将许多核心颗粒相连接构成了染色体由连接区将许多核心颗粒相连接构成了染色体 的一级结构；的一级结构； n每六个核小体盘绕成直径每六个核小体盘绕成直径30nm30nm的螺线管的螺线管，成为

30、，成为 染色体的二级结构；染色体的二级结构； n螺线管进一步螺旋化形成螺线管进一步螺旋化形成0.4um0.4um的圆筒状结构，的圆筒状结构， 称为称为超螺线管超螺线管，是染色体的三级结构；，是染色体的三级结构； n超螺线管进一步缠绕折叠构成染色单体，两条超螺线管进一步缠绕折叠构成染色单体，两条 染色单体通过着丝粒相连成为染色体。染色单体通过着丝粒相连成为染色体。 螺线管 (solenoid) 四、染色体的形态、结构和数目 1、 染 色 体 的 形 态 2、染色体中的关键结构、染色体中的关键结构 n染色体和染色单体染色体和染色单体 n每一个染色体由两条染色单体组成，同一个 染色体中的两个染色单体

31、是由一条DNA分子 链复制后形成的两条子代DNA链所构成，每 一条染色单体中有一条DNA分子； n着丝粒（主缢痕）：着丝粒（主缢痕）： n由特殊的重复DNA序列和蛋白质结构构成， 是细胞有丝分裂时的重要结构；着丝粒把染 色体分为长臂和短臂； n端粒：端粒： n由特殊的重复DNA序列和相应的蛋白质构成， 起着稳定染色质和染色体结构的作用。 n常染色质和异染色质：常染色质和异染色质： n用碱性染料处理中期染色体，染色体上部分 区域着色较深，称为异染色质。 常染色质 与异染色 质在核内 的分布 染色质结构与功能 n染色质是一种动态的染色质是一种动态的（dynamic）的结构，的结构， n其结构的状态

32、与细胞和基因的功能密切相关；其结构的状态与细胞和基因的功能密切相关； 染色质结构的状态对基因组中遗传信息的表染色质结构的状态对基因组中遗传信息的表 达有显著影响，达有显著影响， n这种影响遗传信息表达的结构状态这种影响遗传信息表达的结构状态 （structural state）是可以遗传的）是可以遗传的 （inherited，hereditary） 染色质结构染色质结构 n常染色质：仅中期可见，结构疏松；常染色质：仅中期可见，结构疏松； n异染色质：全周期可见，结构致密，异染色质：全周期可见，结构致密， nDNaseI高敏感区（高敏感区（HS）：）：5端。端。 染色质空间构型与基因表达 n核基

33、质附着区核基质附着区（matrix attachment regions，MARs）或核骨架附着区核骨架附着区 （scaffold attachment regions，SARs） ； n隔离子隔离子（insulators）或边界元件边界元件 （boundary elements） ； n座位控制区（座位控制区（locus control region， LCR） 3、染色体数目 是生物物种的特征性标志之一 五、核型分析与染色体显带 n核型（核型（karyotypekaryotype）：）： 一个体细胞全部中期染色体的图像；根据染色一个体细胞全部中期染色体的图像；根据染色 体的结构特征，可以把染色体分为若干组。体的结构特征，可以把染色体分为若干组。 n组型：组型： 核型的模式图。核型的模式图。