染色体和基因

关于染色体和基因一个生物体的DNA编码了其细胞所需的所有RNA的蛋白质分子。但是生物体DNA序列的完整描述---无论是细菌的几百万个核苷酸或人体细胞几十亿的核苷酸---都不可能使我们重建这个生物体。单细胞细菌能选择地利用自己的基因，依据不同营养条件打开或关闭基因以合成不同的代谢酶类。第2页,共41页，2024年2月25日，星期天不同的细胞类型依靠只在这种类型细胞中打开的基因来执行一系列的功能。如：胰腺中β细胞制造胰岛素、α细胞分泌高血糖素；淋巴细胞分泌抗体，红细胞制造血红蛋白。多细胞生物，基因表达具有更精密的调控。胚胎发育过程中，一个受精卵细胞产生许多结构与功能上都截然不同的细胞类型。第3页,共41页，2024年2月25日，星期天编码一个单细胞细菌所需的全部信息需要大量的DNA，编码多细胞生物的发育指令需要更多的DNA。这就产生了矛盾：DNA该怎样折叠和包装的足够紧密以便容易的装入细胞核？第4页,共41页，2024年2月25日，星期天真核生物染色体的结构真核生物的DNA包装成染色体第5页,共41页，2024年2月25日，星期天每条染色体带型都是独特的，因而我们能加以区分并给他们编号。如果染色体的一部分丢失或者转移到另一条染色体上，我们能够通过带型变化检测到。细胞遗传学家利用带型的变化来检测与某些遗传性疾病以及某种癌症相关的染色体异常第6页,共41页，2024年2月25日，星期天易位使9号染色体长臂上的原癌基因abl和22号染色体上的bcr(breakpointclusterregion)基因重新组合成融合基因。后者具有增高了的酪氨酸激酶活性，这是慢性粒细胞性白血病的发病原因。伯基特淋巴瘤（Burkitt淋巴瘤）细胞的染色体易位，使c-myc与IG重链基因的调控区为邻。第7页,共41页，2024年2月25日，星期天细胞周期中染色体以不同状态存在第8页,共41页，2024年2月25日，星期天特殊DNA序列保证染色体高效复制第9页,共41页，2024年2月25日，星期天真核生物解决末端复制问题的策略第10页,共41页，2024年2月25日，星期天核小体是染色质结构的基本单位第11页,共41页，2024年2月25日，星期天核小体的发现（1974年）---绳珠结构第12页,共41页，2024年2月25日，星期天组蛋白：含较高比例的带正电荷的氨基酸（赖氨酸和精氨酸）。是一种保守蛋白：豌豆和奶牛H4只存在两个氨基酸差异。第13页,共41页，2024年2月25日，星期天染色体有多级的DNA包装染色体包装的层次有丝分裂染色体末端附近区域的扫描电镜第14页,共41页，2024年2月25日，星期天间期染色体同时含有浓缩的和比较伸展的染色质状态第15页,共41页，2024年2月25日，星期天第16页,共41页，2024年2月25日，星期天基因表达的位置效应揭示了间期染色体包装的不同间期染色体是浓缩和松散包装的染色质混合物：基因被移到染色体不同部位后，基因表达改变。基因表达的不同取决于基因在基因组中的位置，这称为位置效应。第17页,共41页，2024年2月25日，星期天基因调控在生物发育过程中，细胞类型如肌肉、神经、血细胞变得互不相同，分化最终导致成熟生物中见到的广泛的细胞类型。分化的产生是因为细胞制造和聚集了一套不同RNA和蛋白质，也就是说细胞表达了不同的基因（并不是改变了DNA的核苷酸序列）。第18页,共41页，2024年2月25日，星期天第19页,共41页，2024年2月25日，星期天细胞控制自身基因的表达许多蛋白都存在于一个多细胞生物的所有细胞中，例如细胞骨架和染色体的主要结构蛋白、内质网与高尔基体必须的蛋白质、核糖体蛋白、执行糖酵解(甘油醛-3-磷酸脱氢酶，glyceraldehyde-3-phosphatedehydrogenase）及其他基本代谢所需要的酶。这些普遍存在的蛋白称为管家蛋白，编码它们的基因称为管家基因。每种不同的细胞类型也合成反映细胞独特性质的特殊蛋白质（如血红蛋白）。第20页,共41页，2024年2月25日，星期天细胞控制自身蛋白合成的途径1、控制一个基因的转录的时间与频率2、控制初级RNA转录物如何剪接或加工3、选择哪个mRNA被核糖体翻译4、蛋白质合成后选择性地激活或者失活第21页,共41页，2024年2月25日，星期天转录控制是通过蛋白质结合到DNA调节序列上实现的启动子包括起始位点和一个大约50bp的核苷酸(包括了RNA聚合酶结合所需位点)。几乎所有基因还有DNA调节序列。一些基因调节序列只有10bp，行使简单的基因开关作用，对简单信号起反应。真核细胞一般很长（有时长于10000bp），行驶分子微处理器的功能，对很多信号做出反应，整合成一个决定转录起始速率的指令。与DNA调节序列结合的蛋白称为基因调节蛋白。第22页,共41页，2024年2月25日，星期天基因调控蛋白和DNA结合第23页,共41页，2024年2月25日，星期天蛋白质中的DNA结合模体第24页,共41页，2024年2月25日，星期天阻抑物关闭基因，活化物打开基因大肠杆菌中编码色氨酸代谢酶所需的5个基因在染色体上相连成簇，从一个启动子起始转录一条长的mRNA分子，然后5种蛋白质被翻译。这样排列并转录成一个mRNA分子的基因群，称为操纵子。第25页,共41页，2024年2月25日，星期天当细菌吃入较多色氨酸时，这些酶不被需要，它们的合成也就关闭了。第26页,共41页，2024年2月25日，星期天第27页,共41页，2024年2月25日，星期天真核生物基因转录的起始是一个复杂的过程真核生物的转录起始和细菌在4个地方有所不同。1、RNA聚合酶第28页,共41页，2024年2月25日，星期天2、细菌RNA聚合酶在没有别的蛋白帮助下能起始转录。真核生物需要一大套通用转录因子，在转录前，通用转录因子必须和聚合酶一起现在启动子上装配好。3、基因调节蛋白哪怕结合在距离启动子几千个核苷酸的DNA上，仍能影响转录。4、真核生物转录必须考虑到DNA被包装成核小体和更浓缩的染色质结构。第29页,共41页，2024年2月25日，星期天真核RNA聚合酶要求通用转录因子通用转录因子的发现：纯化真核RNA聚合酶，在离体条件下不能独立起始转录。第30页,共41页，2024年2月25日，星期天通用转录因子帮助RNA聚合酶在启动子上正确定位，帮助拉开DNA的两条链允许转录开始。“通用”这个词是指这些蛋白是装配在所有被RNA聚合酶II转录的启动子上。阻抑物和活化物只用于特定基因（或操纵子），基因调控蛋白只作用特定基因。第31页,共41页，2024年2月25日，星期天真核基因调控蛋白从远处控制基因表达细菌基因调控蛋白（活化物与阻抑物）真核基因活化物结合的DNA位点最初被称为增强子。远距离作用模型第32页,共41页，2024年2月25日，星期天细菌和真核生物基因激活机制主要差别的总结第33页,共41页，2024年2月25日，星期天真核基因是由蛋白质组合来控制的第34页,共41页，2024年2月25日，星期天第35页,共41页，2024年2月25日，星期天不同基因的表达可被单个蛋白质协调细菌和真核生物不仅需要能够单个打开或关闭基因，也要求能够协调不同基因表达。如真核细胞收到要分裂的信号时，未表达的许多基因一起打开。细菌是让这些基因在一个操纵子中成簇的处在一个启动子的控制下。真核生物如何协调个基因的表达？真核细胞用一组调控蛋白控制每一个基因，那么细胞是怎样快速果断的打开或关闭一组基因的呢？123456789、23579、63245639第36页,共41页，2024年2月25日，星期天第37页,共41页，2024年2月25日，星期天组合控制可产生不同细胞类型单个基因调控蛋白对分化的效应的突出例子来源于肌细胞的研究。骨骼肌细胞由许多肌细胞前体（成肌细胞）融合而成。成熟肌细胞具有组成收缩装置的肌动蛋白和肌球蛋白，细胞膜上有对神经刺激敏感的受体蛋白及离子通道等特征性蛋白。当细胞融合时，编码这些蛋白的基因全部协调性打开。关键的基因调控蛋白只存在可能成为肌细胞的细胞中。