《现代分子生物学》第三章染色体和基因

1、现代分子生物学第三章染色体和基因一遗传的染色体学说 1879年发现有丝分裂。 1883年发现减数分裂。 1888年命名染色体。 细胞分裂的重要过程是母细胞核的颗粒（指染色体）的分裂，所有其余阶段，则是用以保证母颗粒分裂产生的每一个颗粒，转移到两个子细胞的中心。 1902年Boveri，Sutton提出遗传的染色体学说。 摩尔根：基因的染色体理论（连锁和交换）染色体的单线性： 每一条染色单体仅含有一条连续的DNA双螺旋链，称为染色体的单线性（mononeme）。二. 原核生物的染色体原核生物的遗传物质以裸露的核酸分子存在，虽与少量蛋白质结合，但不形成染色体结构。原核生物一般只有一个染色体，即一个

2、核酸分子（DNA或RNA）。大多数为双螺旋结构，少数以单链形式存在。这些核酸分子大多数为闭合环状，少数为线状。大肠杆菌没有明显的核结构，但其DNA有一个相对集中的区域，在这一个小区域中形成类核（nucleoid）。类核的DNA成分占80，其余为RNA和蛋白质。用RNA酶或蛋白酶处理类核，可使之由致密变得松散。表明RNA和某些蛋白质分子起到稳定类核的作用。大肠杆菌的类核结构核中央由支架蛋白和RNA组成，环状双链DNA绕在支架蛋白的外围，只有一个复制起点，DNA与细胞膜粘在一起，DNA上有结合蛋白。大肠杆菌染色体是由4.2106碱基对组成的双链环状DNA分子，在DNA结合蛋白质的作用下压缩成一个手

3、脚架形（scaffold）结构。大肠杆菌染色体形成100个左右的小区（domain），小区内都是负超螺旋。用微量的DNAase处理时，只能使一小部分的DNA由超螺旋状态变成松弛状态。噬菌体染色体噬菌体的双链DNA有两种形式，一种是带有切刻的环状分子，切刻部分通过粘性末端的互补碱基之间的氢键而连接。另一种形式是两个粘性末端相互分离，形成线性分子。噬菌体共有48,502碱基对，包装在由蛋白质组成的头部外壳之中。噬菌体在大肠杆菌体内可以呈环形分子游离存在于细胞质中，也可以通过整合酶的作用而整合到寄主染色体上成为原噬菌体状态，并与寄主染色体一起复制。这种现象称为溶原化。. 真核生物的染色质与染色体染色

4、质：真核细胞间期细胞核内伸展开的DNA蛋白质纤维。 分为常染色质和异染色质。染色体：真核细胞有丝分裂期高度螺旋化的DNA蛋白质纤维，是间期染色质进一步紧密盘绕折叠的结果。染色质和染色体是真核细胞内遗传物质DNA分子的存在形式；这种结构形式对遗传信息的稳定、传递和表达都有极为重要的影响。染色质的化学组成：DNA分子，占27%；RNA分子，占6% ；组蛋白（碱性）和非组蛋白（多为酸性蛋白），共占66%。 组蛋白组蛋白类型碱性氨基酸氨基酸数分子量（Da）LysArgH129%1%21523,000H2A11%9%12913,960H2B16%6%12513,775H310%13%13515,340H

5、411%14%10211,280小牛胸腺DNA的组蛋白的特点：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Olins夫妇（1974）和Pierre Chambon等（1975）在电镜下观察到染色质的“绳珠”状结构，小球的直径为100埃。X衍射图表明组蛋白的多聚体是紧密相联，并无可容纳像DNA分子那样大小的孔洞，染色质结构的基本单位核小体1974年Kornberg和Thomas 先用小球菌核酸酶稍稍消化一下染色质，切断一部分200核苷酸对单位之间的DNA，使其中含有单体、二聚体、三聚体和

6、四聚体等。然后经离心将它们分开。每一组再通过凝胶电泳证明其分子大小及纯度。然后分别用电镜来观察各组的材料；结果单体均为一个100埃的小体，二聚体则是两个相联的小体，同样三聚体和四聚体分别由三个小体和四个小体组成，1984年Klug和Butler进行了修正核小体模型。核小体的梯度离心和电泳核小体的结构由核心颗粒和连接区构成；核心颗粒包括由8个组蛋白分子（H2A，H2B，H3，H4各两个）构成的组蛋白核心和包绕在核心表面的DNA分子；包绕在组蛋白核心表面的DNA长140bp，环绕1 圈；连接区由DNA分子和H1组蛋白分子构成，长度不定；MW Chromosomal Proteins200,0003

7、6,00097,00066,00055,00031,00021,00014,000116,000H4H2AH2B/H3Histones are Low MW Chromosomal Proteins7The Nucleosome146 bp DNA 2X H3, H4, H2A, H2BH4H2BH2AH3核小体的结构Helix III - Major groove bindingLoop(Secondary DNA binding site)Globular domain of Histone H5“winged helix-turn-helix domain”26更高层次的DNA折叠包装组

8、织情况尚不清楚。但是有证据表明，染色体DNA的某一些部分和“核骨架”(nuclear scaffold)相连。这些与核骨架相联系的部分，把染色体DNA隔成许多含20 00010 0000bp长的DNA环，每个“环” (loops)有相对的独立性。当一个环被打断或被核酸酶所松弛时，其他环仍可保持超螺旋状态。每个环中含有一些相关的基因。染色质和染色体的多级结构 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； 每六个核小体盘绕成直径30nm的螺线管，成为染色体的二级结构（又称微纤丝）； 微纤丝经与非组蛋白结合（碱基与核基质中的骨架蛋白结合），把染色体DNA隔成许多含20 00010 0000b

9、p长的DNA环，形成大环状结构，每个“环” (loops)有相对的独立性。 此结构再盘曲成染色单体,其长度压缩近30万倍。30nm螺旋管染色体包装的支架环（scafold loop）模型Laemmli等发现每个染色单体均由染色质纤维所构成的环所组成。每个环大约含有75 kb的DNA，环附着在中央酸性非组蛋白组成的支架上。支架环进一步包装形成染色单体。特殊类型的染色体灯刷染色体和多线染色体中也可以看到上述的支架环结构。大肠杆菌的环结构域与支架环相似。染色体中的关键结构：染色单体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

10、条染色单体中有一条DNA分子；着丝粒（主缢痕）：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；着丝粒区域的功能是使复制的染色体在有丝分裂和减数分裂中可平衡分配到子细胞中。端粒：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。常染色质和异染色质： 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，高度凝缩且没有转录能力。端粒共同特点：每一个端粒都含有一系列短的正向重复顺序。 Cn(A/T)m ，其中n1，而m=14。在端粒区域中有一种特殊的不连续排列，产生单链断裂的形式，这种结构并不能被连接酶将缺口（

11、nick）封闭起来。提纯的天然的端粒区可直接用E.coli DNA多聚酶I进行缺口平移(nick translation) 。在端粒区的最末端可能带有3-OH的单链末端，回折成了发夹(hairpin)结构。端粒的功能保持染色体的稳定使线形DNA顺利复制影响染色体的行为可能控制细胞的寿命和核骨架的组成有关科学重大发现：端粒可作为RNA合成模板端粒是染色体末端的重复片断，经常被比做鞋带两端防止磨损的塑料套。研究人员一直认为，这些小颗粒中并不含有基因，它们只是具有保护染色体免受伤害的功能。但是，瑞士研究人员最新的一项研究则发现，端粒的作用不仅如此，它还能作为合成RNA的模板。这项研究的论文发表在20

12、07年10月4日的科学杂志网络版上。 法国原子能委员会的分子生物学家Laure Sabatier说，这是一项重大的突破，从来没有人会想过，端粒能够作为合成RNA的DNA模板。Lingner表示，目前尚不清楚该发现是否能够为癌症治疗提供新途径，端粒附近RNA的作用也还不清楚。他们的实验还显示，当端粒附近RNA水平升高，端粒的丢失速度会加快。但这二者之间是否直接相关还有待研究。 端粒 (telomere)端粒是真核细胞内染色体末端的蛋白质-DNA结构,其功能是完成染色体末端的复制,防止染色体免遭融合,重组和降解.从单细胞的有机体到高等的动植物,端粒的结构和功能都很保守.端粒DNA大多数有机体的端粒

13、DNA由非常短而且数目精确的串联重复DNA排列而成,富含鸟嘌呤.个别种类的端粒DNA重复单元很长.端粒的DNA序列多种多样,其功能不需要独特的序列来维持.尽管在许多物种中端粒DNA有相当大的变化,但仍可在进化关系非常远的生物中发现相同的端粒序列,端粒DNA的平均长度因物种而异.在人大约15 kb,在人体中,随着细胞的持续分裂,端粒会缓慢缩短.端粒结合蛋白目前对端粒结合蛋白还了解甚少.在酵母中,端粒的主要结合蛋白是Rap1p,在体外以很高的亲和性与端粒上的许多识别位点相结合,Rap1p与端粒长度的调节有关,Rap1p能够阻止端粒酶接近端粒从而负调节端粒的长度.相反,Rap1p可以在端粒周围通过聚

14、集端粒酶或提高端粒酶活性而延长端粒. 因此末端限制性结合蛋白可能是端粒染色质的一个普通特性.染色体功能实现的三要素着丝粒在染色体有丝分裂和减数分裂过程中发挥重要的作用。端粒封闭了染色体的末端并且维持了染色体的稳定性。复制起点是DNA复制起始和染色体数目的维持所必需的。 酵母人工染色体（YAC）的构建染色体的核型、组型和显带核型（karyotype）：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。组型：核型的模式图。显带：用不同的染料处理染色体显示的带型，每一个染色体都有特定的带型。人类染色体的C带基因的概念基因概念大致分以下几个阶段： 泛基因（或者称前基因）阶段

15、，孟德尔的遗传因子阶段，摩尔根的基因阶段，顺反子阶段，操纵子阶段和现代基因阶段。摩尔根的基因阶段 基因位于染色体上，每一个基因控制一个性状。 基因是一个遗传/交换/突变的单位。顺反子阶段 1955年，Benzer提出顺反子学说，认为基因是一个不可分割的功能单位，一个顺反子包含了许多突变子和重组子，是具有特定功能的一段核苷酸序列,作为功能单位的基因应该是顺反子。 A cistron is a unit of genetic function defined by a complementation test. The bacterial gene is the same as a cistron

16、-a unit of genetic function which corresponds to an open reading frame . 1985年，Gilbert提出基因是一个转录单位，外显子处于沉默的内含子中。 基因：是遗传信息的物理和功能单位，具有被表达的潜势，即可被用作模板产生RNA或蛋白质的基因产物。包括了结构基因和调控区基因（阻遏蛋白或转录因子等）。 是一段制造功能产物的染色体功能片段。 A gene is a physical and functional unit of genetic information with the potential to be expre

17、ssed,i.e.to be used as a template to generate one or more gene products of RNAor protein.现代基因阶段实际上是重新认识基因的阶段，对基因的定义是基因是DNA分子中含有特定遗传信息的一段核苷酸序列，是遗传物质的最小功能单位。对于编码蛋白质的结构基因来说，基因是决定一条多肽链的DNA片段。 根据其是否具有转录和翻译功能可以把基因分为三类。第一类是编码蛋白质的基因，它具有转录和翻译功能，包括编码酶和结构蛋白的结构基因及编码阻遏蛋白的调节基因；第二类是只有转录功能而没有翻译功能的基因，包括tRNA基因和rRNA基因

18、；第三类是不转录的基因，它对基因表达起调节控制作用，包括启动子和操纵序列（Operator）。启动子和操纵序列 有时被统称为控制基因。基因组狭义：单倍体细胞中的全套染色体（人：22条常染色体+X，Y+线粒体DNA）广义：一物种的全部遗传物质及其携带的遗传信息。包括构成基因和基因之间区域的所有DNA。C值矛盾C值矛盾(C-value paradox) 指DNA含量的反常现象。表现为：C值的增加与生物的复杂性及进化程度不一致；同一物种的C值相差很大等。 三原核生物基因组 细菌基因组的结构特点： 1. 拟核（类核）结构； 2. 存在多顺反子结构； 3. 除RNA基因外，基本是单拷贝的；多拷贝RNA基

19、因的利于核糖体的快速组装，短时间内合成大量核糖体。 4. 非编码序列相对较少； 5. 存在不同的功能识别区、复制起始区、复制终止区等。原核基因的典型结构 大肠杆菌基因组结构： 1. 基因组DNA在4000kb，估计有3500个基因，已确定的基因有900个，已确定有260个基因具有操纵子结构（75个操纵子中），每个基因平均长度1000bp； 2. 已确定的基因中，多数是与代谢有关的酶、核糖体蛋白； 3. 大多数基因是随机分布的，两条单链作为模板的概率基本相等； 4. 多数基因都是单拷贝。大肠杆菌E. coli的基因大肠杆菌功能上相关的几个结构基因前后相连，再加上一个共同的调节基因和一组共同的控制

20、位点即启动子（promotor）和操纵子（operator）在基因转录时协同作用。细菌基因表达调控的这样一个完整单元，称为操纵元（operon）。对基因表达过程实行原发调节控制，也是最有效的一种调节控制。大肠杆菌编码蛋白质的基因通常以单拷贝的形式存在。RNA基因通常是多拷贝的。16S rRNA， 23S rRNA和5S rRNA各有7个拷贝，以便在短时间内装配大量的核糖体。各种启动子和操纵子部分的DNA具有多样性，以便与RNA聚合酶以及调节基因的产物阻遏蛋白发生不同程度的结合，以便进行更精细的调节。质粒染色体外遗传物质双链DNA分子，几kb几百kb；位置相对游离；独立复制（松弛与严谨）；携带致

21、育基因和耐药基因；F因子（接合性质粒）具有多克隆位点质粒的不相容性：在没有选择压力的情况下两种质粒不能共存于同一个宿主细胞内的现象 重叠基因1977年Sanger首先发现重叠基因 他对单链环状的噬菌体X174进行了测序。 5386Nt 11 基因， 3个转录单位，由3个启动子（pA,pB,pD）启动。X174含有的5386Nt最多能编码1795个氨基酸，若每个氨基酸的平均分子量为110，则总的蛋白质分子量为197,000Da，但实际蛋白质总分子量却为262,000D。将全部DNA顺序和蛋白质的氨基酸顺序进行比较，发现了重叠基因。重叠基因 Overlapping Genes三 真核生物核基因组真

22、核生物核基因组的特点 1.基因组较大， 低等真核生物：107-108 bp,较原核生物大10倍； 高等真核生物：5X108-1010 bp，某些植物和两栖生物可达1011 bp； 哺乳类生物大于2X109它们可编码100万个基因。 2.真核生物核DNA与蛋白质结合，形成核小体，再缠绕成染色质（染色体）； 3. 基因组一般为双倍体（diploid）; 4. 基因为单顺反子。一个基因单独转录，一个基因转录一条mRNA链, 翻译成一条多肽链； 5. 存在大量重复序列，重复次数可高达百万倍； 6. 基因组中非编码序列多于编码序列，有大量的冗余DNA； 7. 大部分基因有内含子，因此基因不连续； 8.

23、具有多个复制起点，而每个复制子的长度较小。 真核生物核基因组的特点：重复性、基因家族、不连续性。 真核基因的典型结构 真核生物核基因组的序列类型单一顺序和重复顺序一. 单一顺序 (Unique sequence )绝大多数是编码蛋白质的基因。二. 重复顺序 短片段的重复顺序可分为： 正向重复(direct repeats)又叫顺向重复；反向重复(inverted repeats) ；回文顺序 (Palindromic sequence) 5 GTGAGCTCAC 3 3 CACTCGAGTG 5 轻度重复顺序和中度重复顺序轻度重复顺序 在基因组中含有2-10拷贝 ，常常是编码蛋白质的基因。如：

24、 酵母tRNA基因、人和小鼠的珠蛋白基因等。中度重复顺序 长约105bp， 基因组中约有10-几千个拷贝的顺序。 如rRNA和tRNA基因： tRNA基因一般都分布于基因组中，而rRNA常集中分布于核仁形成区。 人类基因组中的散布重复序列类型家族单位长度拷贝数总长度比例SINEAlu0.13 kb1百万288 Mb9.9MIR40万66 Mb2.3LINELINE10.8 kb35万466 Mb16.1LINE20.25 kb27万LTRHERV1.3 kb5万155 Mb5.3RTLV，LTR0.5 kb20万DNA TnMER,THE等0.25 kb20万50 Mb1.7总记1025 Mb

25、35.3SINE：short interspersed nuclear elements.Alu: 含AGCT.MIR：mammalian-wide interspersed repeats.LINE：long interspersed nuclear elements.LTR：long terminal repeat.HERV：human endogenous retroviruses.RTLV：retrovirus-like elements.MER：medium reiteration frequency sequence.THE：transposable human element.高

26、度重复顺序 重复频率达106以上。卫星DNA (satellite DNA) 隐蔽卫星DNA(cryptic satellite) 自私 DNA（selfish DNA）、伊甸园 DNA (Garden of Eden DNA） 小卫星DNA (minisatellite DNA) 重复序列可变数（variable numbertandem repeat VNTRs） DNA指纹（DNA fingerprints） 分 类长 度重复单位分 布卫星DNA100kb-MbI2548异染色质II、III类5染色体全长a 171着丝粒 （Sau3A）68部分着丝粒小卫星DNA0.1-20kb端粒DNA

27、6端粒高变924染色体全长微卫星DNA150bp14染色体全长人类基因组中的串联重复序列 断裂基因 基因的编码序列在DNA分子上被不编码的序列所隔开，称断裂基因。 间隔顺序 (spacer) 间插顺序(intervening sequence) 内含子(intron)等 断裂基因，内含子1977 美Sharp & Roberts 同时发现了断裂基因(split gene)。DNA和mRNA之间形成特殊的RNA-DNA异源双链分子结构 内含子的结构特点内含子和外显子的分布、内含子的相对性经过删除和连接，除去无关的DNA间序（即内含子），便形成了成熟的mRNA分子 内含子的生物学意义1 有的内含子

28、可编码内切酶。成熟酶 (maturase)。2 调控 3 提高进化速率 有些基因的初级转录本，可以按照不同的途径剪辑形成不同的RNA分子，编码不同的蛋白质 真核基因基本都含有内含子。而相反，原核基因基本不含内含子。 基因家族与基因簇真核生物的基因组中有许多来源相同、结构相似、功能相关的基因，这样的一组基因称为基因家族（gene family）。例如在动物早期胚胎发育过程中起重要作用的Hox基因家族、决定脊椎动物肌肉发生作用的MyoD基因家族。基因家族各成员之间相似程度以及组织方式不同。 大部分有功能的基因家族成员之间相似程度很高。但也有些家族成员间的差异很大，甚至还有无功能的假基因（pseudogene），如珠蛋白基因家族。基因家族的成员在染色体上的分布形式也不同，有成簇存在的，也有散布的。 基因家族的各成员紧密成