原核生物与真核生物染色体区别和识别

ThemaincontentsSectionD1:ProkaryoticchromosomestructureSectionD2:ChromatinstructureSectionD3:EukaryoticchromosomestructureSectionD4:GenomecomplexitySectionD5:Theflowofgeneticinformation

SectionD1:

ProkaryoticchromosomestructureFig.SchematicdiagramofatypicalprokaryoticcellNucleoid(DNA)--theprokaryoticchromosome☆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4.6×106bp，2.4×109Da，closed-circular，约编码4288个基因nucleoid（类核）CDNA=30~50mg/mlscaffold（支架）每200bp就有一个负超螺旋，即基因组中含5%的负超螺旋TheEscherichiacolichromosome)Scaffold:DNA-bindingproteins50-100DNAdomainsorloops(50-100kb/loopDNAdomainssupercoilofthegenomeunconstrainedsupercoilfunction:passtensileforcesamongloopsconstrainedsupercoil(bindproteins)结构域被非特异结合蛋白如HU和H-NS等类组蛋白缠绕，使一半超螺旋被束缚。Independentfunctionalunitofeachloop

thegeneexpressionandregulationdonotrepressedbyotherloopSupercoilingofthegenomeThebacterialgenomeconsistsofalargenumberofloopsofduplexDNA(intheformofafiber),eachsecuredatthebasetoformanindependentstructuraldomain.

Thebacterialgenomeisanucleoidwithmanysupercoiledloops.TheEscherichiacoli

chromosomeDNA-bindingproteins蛋白结构功能含量/每细胞相当于其核蛋白基因HUα和β亚基，每个9KD使DNA压缩、类核凝聚，刺激复制，和1HF有关4万个二聚体H2BhupA.BH两个相同亚基，各28KD促使双链的互补、复性3万个二聚体H2A？IHFα：10.5KD；β：9.5KD有助于att位点配对重组？？himA.D.H1(H-NS)15KD亚基和DNA结合，与DNA拓扑结构有关1万？osZbglYpilGHLP117KD单体？2万？firAP3KD亚基？？鱼精蛋白(DNA结合蛋白)？

真核生物DNA总长度比原核生物大数千倍，并由一定数目分散的染色体组成。2×109bp，3×1012Da，linear，约编码3万个以下基因染色质是组装紧密、高度有序的DNA—蛋白质复合体。Whatisthedifference?

SectionD2:

Chromatin&ChromosomeChromatin(diffused)Chromosome(condensed)CellcycleInterphase间期:G1+S+G2Mphase(mitosis有丝分裂):ChromosomecondensationFigureChangesinchromatinstructureREMEMBER:chromosomeisaconsistentlychangingstructure(dynamics)Chromatin:ahighlyorganizedcomplexofDNAandprotein(anucleoproteincomplex)duringinterphase,andrepresentstheverymuchmorediffusedstate.

Chromosome:theclassicpictureofpairedsisterchromatidsatmitosisphase,andrepresentsthemosthighlycondensedstateofchromatin.

Thedifferences:cellcycleandthedegreeofcompactnessASevereProblemofPackaging

1.Largesthumanchromosome:~3x108bp Howlongisit?3x108bpx3.4Å/bp=10x104um!2.Atypicalcell=10um

Conclusion:chromosomeinlength/sizeofcell

DNAmoleculesmustbecompacted104-fold

TheimportanceofpackingofDNAintochromosomesChromosomeisacompactformoftheDNAthatreadilyfitsinsidethecell[?]ToprotectDNAfromdamageDNAinachromosomecanbetransmittedefficientlytobothdaughtercellsduringcelldivisionChromosomeconfersanoverallorganizationtoeachmoleculeofDNA,whichfacilitatesgeneexpressionaswellasrecombinationHistonesThesmallproteinshavefivefamiliesorclasses:H1,H2A,H2B,H3,H4;andhavealargepositivecharge(richinLys、Arg)

whichcanbindverystronglytothenegtivelychargedDNAinformingchromatin.

VeryhighlyconservedbetweenrelativelyunrelatedspeciesinhistonesH2A,H2B,H3,H4H1histonesaresomewhatdistinctfromotherhistonesHistoneH1

H1islocatedoutsideofnucleosomecore,andbindstoDNAmorelooselyClark和Felsenfeld于1971年首先用葡萄球菌核酸酶(Staphylococcalnuclease)来作用染色质，不敏感的区域比较均一。这暗示甚麽？接着Hewish和Burgoyun（1973年）用内源核酸酶消化细胞核，再从核中分离出DNA，结果发现一系列DNA片段，它们相当于长约200bp的一种基本单位的多聚体。表明甚麽？M.Noll（1974年）用外源核酸酶处理染色质，然后进行电泳，测得前三个片段的长度分别为205，405，605bp长，表明甚麽？NucleosomeregularassociationofDNA(approximately200bp)withhistones(corehistonesoctamerandmorelooselywithH1)toformastructureeffectivelycompactingDNA.NucleosomeSummaryofNucleosomeNucleosomeisthebasicunitofchromatinstructure--Beadsonastring

Histoneoctamer146bp的coreparticles146bp的核心DNA在组蛋白八聚体上盘绕1.8圈146bp的DNA片段和H2A、H2B、H3和H4各二分子组成,这种结构称为核心颗粒.核心颗粒外观呈椭圆形,颗粒直径11nm,高5.5nm.绕颗粒的DNA长度为50nm(146bp),连接区DNA长度为20nm(约60bp).

11nm染色质纤维TherolesofH1StabilizesthepointatwhichDNAentersandleavesthenucleosomecore.Protectthefurther20bpDNAfromnucleasedigestion.2.Anucleosomecore+H1=chromatosome(nucleosome)3.C-tailofH1:stabilizestheDNAbetweenthenucleosomecores.Nucleosomerepeat:Core+linkerDNA200bpLinkerDNA-

BeadsonastringThe11nmfiber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H1~55bp30nm和11nm染色质纤维Solenoidor30nmfiber•Higherordered•Left-handedhelix•Sixnucloesomesperturn

HigherlevelofchromatinorganizationThewholeprocessfromDNAtochromosome染色体折叠宽度增加长度压缩第一级DNA+组蛋白

核小体5倍7倍第二级核小体

螺线管3倍6倍第三级螺线管

超螺线体13倍40倍第四级超螺线体

染色体2.5-5倍5倍500-1000倍8400倍

(8000-10000)packingratio约10000倍

SummaryofChromatinPackagingSectionD3:EukaryoticchromosomestructureTelomeresisterchromotids姊妹染色单体Chromatid染色单体1.Themitoticchromosome染色体沿着纵轴出现着丝粒区/主缢痕、染色体臂、副缢痕、随体和端粒等不同结构域

2.ThecentromereSpindlefibersseparatethechromatidsatanaphase.CentromereYeastcentromereInmammaliancells,centromeresconsistofratherlongersequences,andareflankedbysatelliteDNA(highlyrepeatedsequence).荧光原位杂交显示的着丝粒卫星DNASpecializedDNAsequenceswhichformtheendsofthelinearDNAoftheeukaryoticchromosome2.Containsuptohundredscopiesofashorthighlyrepeatedandhighlyconservedsequence(5’-TTAGGG-3’inhuman)3.Synthesizedbytheenzymetelomerase(aribonucleoprotein)independentofnormalDNAreplication.4.ThetelomericDNAformsaspecialsecondarystructuretoprotectthechromosomalendsfromdegradation3.TheTelomere荧光原位杂交显示的端粒（上）和端粒序列（下）端粒起到细胞分裂计时器的作用，端粒核苷酸复制和基因DNA不同，每复制一次减少50-100bp，其复制要靠具有反转录酶性质的端粒酶（telomerase）来完成，正常体细胞缺乏此酶，故随细胞分裂而变短，细胞随之衰老。Thegenesaretranscribed，DNAisreplicated,thechromatinisdiffuse.间期核中染色质可分为异染色质（heterochromatin）和常染色质（euchromatin）。4.Interphasechromosome异染色质（核内深染部分）和常染色质（核内浅染部分）

Heterochromatin染色质线中染色很深的区段，是间期染色体内保持高度浓缩(highlycompacted)的部分。它大部分由靠近着丝粒的卫星DNA构成，无转录活性(transcriptionallyactive)；是遗传惰性区；在细胞周期中表现为晚复制、早凝缩，即异固缩现象(heteropycnosis)。雌性哺乳动物的两条X染色体都呈异染色质状态。常染色质是进行活跃转录(transcriptionallyactive)的部位，呈疏松的环状，电镜下表现为浅染，为解螺旋状态，在遗传行为上表现为活性；易被核酸酶在一些敏感的位点（hypersensitive

sites）降解。EuchromatinHowtomaptheregionsoftranscriptionallyactivechromatin?DNaseIcutthebackboneofDNAunlesstheDNAisprotectedbyboundproteins5.DNaseIhypersensitivity30nmfiberisinterruptednakedDNAAttackedbyDNaseI当一个基因成为转录活性状态时，含有这个基因的染色质区域对DNaseⅠ（一种内切酶）降解的敏感性要比无转录活性区域高得多。这是由于此区域染色质的DNA蛋白质结构变得松散，DNaseⅠ易于接触到DNA之故。一个很好的研究系统是鸡的珠蛋白和卵清蛋白系统。来自鸡胚红细胞的核中，珠蛋白的基因对DNaseⅠ的降解是敏感的，而编码卵清蛋白的基因在红细胞中是不表达的，它对DNaseⅠ的降解也是具有抗性的。相反，在母鸡输卵管细胞的核中，卵清蛋白的基因是具有转录活性的，但却不能产生珠蛋白的RNA，卵清蛋白基因的序列对DNaseⅠ的降解要比珠蛋白基因的序列敏感得多。6.CpGmethylation(甲基化):

CpGisland(CpG岛)MethylationofC-5inthecytosinebaseof5’-CG-3’OccursinmammaliancellsSignalingtheappropriatelevelofchromosomalpackingatthesitesofexpressedgenesCpGmethylationisassociatedwithtranscriptionallyinactiveregionsofchromatinIslandsofunmethylatedCpGarecoincidentwithregionsofDNaseIhypersensitivityFig.“Islands”:surroundthepromotersofhousekeepinggenes.基因组中还有未甲基化的CpG“岛”，包围着持家基因的启动子区域，形成DNaseⅠ敏感区。组蛋白变异体和修饰（了解）组蛋白的共价修饰可通过影响组蛋白与DNA双链的亲和性，从而改变染色质的松散或凝集状态，来调节基因的表达。组蛋白共价修饰研究较为深入的是组蛋白乙酰化和甲基化。被包装的染色质的快速变化可通过组蛋白的化学修饰来调控，如核心组蛋白N端赖氨酸残基的乙酰化；而有丝分裂中染色体的浓缩伴随着组蛋白H1的磷酸化。通过乙酰化或磷酸化等化学方法对组蛋白进行修饰，可以引起染色质结构的改变，从而导致基因活性的改变。组蛋白乙酰化

组蛋白乙酰化是由组蛋白乙酰转移酶（TACs）和组蛋白去乙酰化酶（HDACs）协调进行的，主要发生在组蛋白N末端的赖氨酸，组蛋白乙酰化呈多样性，核小体上有多个位点可提供乙酰化，但特定基因部位的组蛋白乙酰化和去乙酰化以一种非随机的、位置特异的方式进行。例如，IFN-β基因启动子附近组蛋白赖氨酸（H4K8,H3K9和K14）乙酰化，该表面能与特异的蛋白识别模块（proteinrecognitionmodules）结合。H4K8修饰产生的特异信号是SWI/SNF复合物BRG1组分的识别结合面（bindingsurfaces），而H3K9和K14修饰产生的信号是TFIID组分TAFII250的识别结合面。因此，这些特异的蛋白识别面代表了IFN-β启动子组蛋白乙酰化“密码”，并参与IFN-β转录激活作用的调节。组蛋白甲基化组蛋白甲基化是由组蛋白甲基化转移酶（histonemethyltransferases）完成的，甲基化可发生在赖氨酸和精氨酸残基上，赖氨酸残基能够单、双、三甲基化，而精氨酸残基能够单、双甲基化，这就极大的增加了组蛋白修饰调节基因表达的复杂性。

SectionD4:

GenomeComplexityGenome:isthecompletesetofsequencesinthegeneticmaterialofanorganism.ItincludesthesequenceofeachchromosomeplusanyDNAinorganelles.(nucleargenomeandorganelles)Transcriptomeisthecompletesetofgenesexpressedunderparticularconditions.ItisdefinedintermsofthesetofRNAmoleculesthatispresentinacell,tissue,ororganism.Proteomeisthetotalnumberofproteinsproducedbyanorganism.ThediscoveryofsplitgenesIn1977,RichardJ.RobertsandPhillipA.SharpmadetheiramazingdiscoveryofsplitgenesintheadenoviruswheytheyexaminedahybridbetweenaviralmRNAanditstemplateDNAintheelectronmicroscope.1.Noncoding DNA-Splitgene垃圾DNA中发现不编码蛋白质的新型基因

科学家用垃圾DNA来描述那些未加利用的人类基因组DNA片断，它们包括一些长的没有已知功能的DNA链。2004年12月17日发表的《科学》杂志中，以“隐藏的DNA财富”为题，将非编码DNA的研究工作列为2004年度十大科学突破之一。但美国哈佛医学院的研究人员表示，他们在酵母基因组的垃圾DNA中发现了一种新基因。与其它基因不同，这个新基因并不编码蛋白质或者酶以表现出功能。但当这个基因开启时，它将调控临近基因的表达。WhattypeofDNAcorrespondstoprotein-codinggenes?

ReassociationkineticstypicallyshowthatmostmRNAisderivedfromnonrepetitiveDNA.2.DNA的复性动力学(Reassociationkinetics）

·基因组DNA的提取

·超声处理或剪切到一定的长度 (x100-1000bp)

·温度变性

·退火（annealing）

·测量并捕捉退火过程得出复性动力学曲线

C／C0＝1／（1＋kC0t）Cot（1／2）＝1／k复杂性X＝KCot（1／2）

X定义为最长的没有重复序列的核酸对的数值

(紫外吸收法、羟基磷灰石柱层析法hydroxyapatitechromatography)ThehybridizationofanmRNAtracerpreparationinareassociationcurveshowsthatmostmRNAsequencesarederivedfromnonrepetitiveDNA,theremainderfrommoderatelyrepetitiveDNA,andnonefromhighlyrepetitiveDNA.复杂性原核生物Cot曲线形状相似（跨越1～2个数量级），Cot（1／2）不相同－－单一序列只是复杂性不同复性动力学复杂性kineticcomplexity(K.C.)单一排列序列Cot(1/2)值大高度重复序列Cot(1/2)值小poly(A)K.C.=1Cot(1/2)=2x10-6T4K.C.=1.7x105Cot(1/2)=0.3原核生物复性动力学C0t(1/2)

ofanygenomeDNA

C0t(1/2)ofE.ColiDNAKineticComplexityofanygenomeDNAKineticComplexityofE.Coli

K.C.与Cot(1/2)值呈正比复性曲线的模式图●真核生物复性动力学复性反应分为三相，

每相代表不同复杂长

度的序列类型HighlyrepetitiveDNAmoderatelyrepetitiveDNAuniqueDNAHumanE.coli1)NonrepetitiveDNA:consistsofsequencesthatareunique:thereisonlyonecopyinahaploidgenome.(sometimesthoseof2~3copiesarealsocallednonrepetitiveDNA)2)RepetitiveDNA:describessequencesthatarepresentinmorethanonecopyineachgenome.Moderatelyrepetitive:<106copiespergenomeHighlyrepetitive:>106copiespergenome3.RepetitiveDNAThelengthofthenonrepetitiveDNAcomponenttendstoincreasewithoverallgenomesize.ThenonrepetitiveDNAcontentofgenomesthereforeaccordsbetterwithoursenseoftherelativecomplexityoftheorganism.E.coli4.2×106bpC.elegans6.6×107bpD.melanogaster~108bpmammals~2×109bp.

1）uniquesequenceDNA---NonrepetitiveDNATheproportionsofdifferentsequencecomponentsvaryineukaryoticgenomes.TheabsolutecontentofnonrepetitiveDNAincreaseswithgenomesize,butreachesaplateauat~2109bp.(2)ModeratelyrepetitiveDNAModeratelyrepetitiveDNAconsistsofrelativelyshortsequencesthatarerepeatedtypically300-1000bpinthegenome.(<106copiespergenome)Forexamples:Tandemgeneclusters----rDNA、tDNA、histonegeneclusterDispersedrepetitiveDNA----SINES、LINES（1)Tandemgeneclusters特点：各成员之间有高度的序列一致性，甚至完全相同。拷贝数高，常有几十个甚至几百个。Mostorganismscontainmultiplecopiesofthegenesforthehistoneproteinsthatareamajorcomponentofthechromosomes;AndtherearealmostalwaysmultiplecopiesofthegenesthatcodefortherRNAs.rRNAisthepredominantproductoftranscription,constitutingsome80%~90%ofthetotalmassofcellularRNAinbotheukaryotesandprokaryotes.ThenumberofmajorrRNAgenesvariesfrom7inE.coli,100~200inlowereukaryotes,toseveralhundredinhighereukaryotes.a、rRNArRNAgene:5.8s,18s,28s,5srRNA5.8s,18s,28srRNA,前三者组成一个主体rRNA(cluster)，作为一个重复单位。各重复单位之间是非转录间隔区(spacer)。rRNA基因串联重复单位的长度（kb）物种重复单位长间隔区长转录区长啤酒酵母8.951.757.2黑腹果蝇11.5-14.23.75-6.457.75非洲爪蟾10.5-13.52.3-5.37.875小鼠443018.4H1、H2A、H2B、H3、H4五种组蛋白基因彼此靠近构成一个重复单位。许多重复单位串联在一起，构成组蛋白基因的Tandemrepeats。b、histoneproteins小结：

Genefamilyconsistsofasetofgeneswhoseexonsarerelated;thememberswerederivedbyduplicationandvariationfromsomeancestralgene.

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，这样一组基因称为基因家族。Genecluster、Genefamily基因簇与基因家族基因家族（Genefamily）①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③由发育阶段控制的多基因家族：人类珠蛋白的基因家族Pseudogenes（假基因）areinactivebutstablecomponentsofthegenomederivedbymutationofanancestralactivegene.Thenumberofpseudogenescanbelarge.Thesequenceofhumanchromosome22shows~679genesand134pseudogenes.（2）Alufamily（SINES）Alufamilyisasetofdispersed,repetitivesequences,each~300bplong,inthehumangenome.TheindividualmembershaveAlucleavagesitesateachend.Thereare~300,000membersinthehaploidgenomeArelatedsequencefamilyispresentinthemouse(wherethe50,000membersarecalledtheB1family),intheChinesehamster(whereitiscalledtheAlu-equivalentfamily),andinothermammals.真核生物的AlufamilyTransposon?300,000copies广泛分布于非重复序列间Function?300bp300bp300bp6000bp6000bp6000bp6000bpDRDRIRIRAGCTAlusiteAcopyofAlufamilyTheindividualmembersoftheAlufamilyarerelatedratherthanidentical.Theiraverageidentitywiththeconsensussequenceis87%.ThemouseB1repeatingunitis130bplong,correspondingtoamonomerofthehumanunit.Ithas70%~80%homologywiththehumansequence.

Alu家族的功能是多方面的，由于在许多核内不均一RNA(hnRNA)中含有大量的Alu顺序，而且，Alu顺序含有与某些真核基因内含子剪接接头相似的序列，因而，Alu顺序可能参与hnRNA的加工与成熟。Alu序列在人基因组中不寻常地大量存在，提示它与遗传重组及染色体不稳定性有关。有研究表明，Alu顺序中的某些区段有形成Z-DNA的能力。Alu顺序可能具有转录调节作用。3）HighlyrepetitiveThehighlyrepetitiveDNAconsistsofveryshortsequencesthatarepresentmanytimesinthegenome,oftenorganizedaslongtandemrepeats(串联重复).Neitherclassrepresentsprotein.Forexamples:SatelliteDNA

Minisatellites

SatelliteDNA（卫星DNA）

一类富含AT的高度重复序列在CsCl密度梯度离心中，DNA分子将按其大小分布在离心管内不同密度的氯化铯介质中，小的分子处于上层，大的分子处于下层；从离心管外看，不同层面的DNA形成了不同的条带。根据荧光强度的分析，可以看到在一条主带以外还有一个或多个小的卫星带。这些在卫星带中的DNA即被称为卫星DNACsClequilibriumdensitygradientcentrifugation卫星DNA（SatelliteDNA）：将DNA切成数百个碱基对的片段进行超速离心时，由于富含AT的简单高度重复序列区段浮力密度较小，因而很容易和总体DNA分开，即常会在主要的DNA带的上面有一个次要的带相伴随MousegenomeDNA30%GCinsatelliteDNACsCl离心ACAAACT,1.1x107

拷贝,卫星Ⅰ25%genomeATAAACT,3.6x106

拷贝,卫星Ⅱ8%genomeACAAATT,3.6x106

拷贝,卫星Ⅲ8%genomeSatellitescomprisemorethan40%ofthegenomea、分布于着丝点,端粒区（原位杂交）,结构基因两侧

b、往往没有功能果蝇（Drosophila）卫星DNAn5’–ATAAACTATAAACTATAAACT–3’3’–TATTTGATATTTGATATTTGA–5’按照重复序列的长短将卫星DNA分成3类：a、卫星DNA在100bp左右b、小卫星DNA(minisatelletiteDNA或可变数目串联重复（variablenumbertandemrepeatVNTRs）)15~70bpc、微卫星(Microsatellite或叫简单序列重复SSR:SimpleSequenceRepeats)DNA2~6bp分子遗传标记（MolecularGeneticMarkers）又叫分子标记，是指能反映生物个体或种群间基因组中某种差异的特异性DNA片段。是DNA水平遗传多态性（geneticpolymorphism）的直接的反映高度重复序列可能参与DNA复制及基因表达的调控，小卫星DNA和微卫星DNA常作为一种分子遗传标记。

DNA指纹（DNAfingerprints）-VNTRs不同个体间存在有串联数目的差异，与人的指纹相似，表现出高度的个体特异性，且以孟德尔方式稳定地遗传和分离，所以又称为DNA指纹（DFP）。小卫星DNA一般与RFLP技术结合以获得小卫星DNA指纹图谱，即用小卫星DNA作探针进行Southern杂交。DFP分析具有多态检测率高、位点呈共显性遗传、具有高度个体特异性等优点，因此，在动物遗传选育中用于亲缘关系分析、品种或品系分析、重要经济性状的连锁分析、动物个体识别等高度变异的人DNA指纹图谱5.C-valueThetotalamountofDNAinthehaploidgenomeisacharacteristicofeachlivingspeciesknownas